互通式立交與隧道出入口安全凈距研究

呂紀(jì)云， 陳瑾， 章坤鵬(.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 湖北 武漢 40056; .湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司;

3.武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司)

伴隨基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，高速公路建設(shè)進(jìn)一步向西部山區(qū)延伸。鑒于山區(qū)特殊的走廊帶與復(fù)雜的地形地質(zhì)條件，在設(shè)計中出現(xiàn)了諸多互通式立交與隧道出入口之間距離過小的路段。JTG D20-2006《公路路線設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定：隧道出口至前方互通式立交減速車道漸變段起點(diǎn)的距離不應(yīng)小于1 000 m，這在部分山區(qū)高速公路設(shè)計中很難實(shí)現(xiàn)?；诖爽F(xiàn)狀，在確保車輛安全運(yùn)行的前提下，構(gòu)建立交與隧道出入口凈距計算模型，從而確定一個合理的安全凈距，為今后的道路設(shè)計提供參考。

1 互通式立交與隧道出口凈距分析

以單向雙車道為例，分析車輛的行駛軌跡可發(fā)現(xiàn)，隧道出口與立交之間的凈距L(圖1)主要由以下6部分構(gòu)成：出隧道洞口后駕駛員所需的明適應(yīng)距離L1、讀取預(yù)告標(biāo)志所行駛的距離L2、等待與判斷可插入間隙所行駛的距離L3、L4、變換車道所需距離L5、安全距離確認(rèn)L6。采用式(1)計算：

L=L1+L2+L3+L4+L5+L6

(1)

圖1 隧道出口與互通式立交凈距示意圖

1.1 明適應(yīng)距離

在車輛駛出隧道洞口后，周圍環(huán)境亮度凸增，駕駛員瞳孔面積變化速率迅速增加，駕駛負(fù)荷急劇增大，從而導(dǎo)致駕駛員產(chǎn)生眩光與視覺疲勞等生理現(xiàn)象，容易影響正常駕駛，誘發(fā)交通事故。所以，為保證車輛安全行駛，駕駛員在駛出隧道洞口后需要一個“明適應(yīng)”時間。研究發(fā)現(xiàn)人的視覺恢復(fù)能力與光照強(qiáng)度、光源特征、持續(xù)時間、駕駛員年齡相關(guān)，存在個體差異性。駕駛員的錐體細(xì)胞與桿體細(xì)胞在感光能力方面存有差異，對明暗適應(yīng)的時間也有所不同。車輛由暗處駛往明處1～3 s便可逐漸適應(yīng)，1 min左右便可以完全適應(yīng)。為確保行駛安全，計算隧道出口與互通式立交之間的凈距時，明適應(yīng)時間取為3 s，不同速度下所需距離如表1所示。

表1 明適應(yīng)所需距離

1.2 讀取預(yù)告標(biāo)志所行駛的距離

駕駛員在明適應(yīng)過后讀取預(yù)告標(biāo)志所行駛的距離L2包含兩部分，認(rèn)讀距離L21與反應(yīng)距離L22：

(2)

式中：v為車輛速度(km/h)；t1為認(rèn)讀時間(s)；t2為反應(yīng)時間(s)。

認(rèn)讀時間取決于出口預(yù)告標(biāo)志牌上文字的類別與個數(shù)，采用式(4)計算:

t1=txy

(3)

式中：x為文種修正系數(shù)；y為文字復(fù)雜性修正系數(shù)。

x、y及t1的對應(yīng)結(jié)果如表2～4所示。

表2 文種修正系數(shù)

表3 文字復(fù)雜性修正系數(shù)

表4 認(rèn)讀所需時間

《公路設(shè)計指南》給出的反應(yīng)時間如表5所示，為保障安全，取理想狀態(tài)下的上限值2.5 s。

表5 反應(yīng)時間

根據(jù)上述取值得出駕駛員讀取預(yù)告標(biāo)志所行駛的距離L2。此外，車輛行駛中存在另一種情形，駕駛員在隧道內(nèi)已提前獲知前方立交出口，完成了預(yù)告標(biāo)志的讀取。所以，在計算凈距時便可不考慮該部分距離，進(jìn)而可以得出兩種不同情形下的凈距值。

1.3 等待可插入間隙所行駛的距離

車輛完成預(yù)告標(biāo)志讀取后，等待可插入間隙所行駛的距離，采用式(4)計算:

(4)

式中：t3為平均等待時間(s)。

可插入間隙的平均等待時間與道路上車輛之間的車頭時距分布密切相關(guān)。車頭時距隨道路交通流的變換而變化，采用負(fù)指數(shù)分布計算，如式(5)所示。

P(h>t)=e-λ(t1-t2)

(5)

式中：λ為車輛平均到達(dá)率，λ=Q/3 600(輛/s)；t1為車輛臨界間隙(s)，取4 s；t2為最小車頭時距(s)，取1.2 s。

JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定高速公路采用第3級服務(wù)水平，通過最大服務(wù)交通量可以得到車輛的平均到達(dá)率，進(jìn)而得出車輛等待可插入間隙所行駛的距離(表6)。

表6 等待可插入間隙所行駛的距離

1.4 判斷可插入間隙所行駛的距離

L4為駕駛員判斷是否可以安全插入所行駛的距離，判斷時間t3取2.5 s，采用式(6)計算(表7):

(6)

表7 判斷可插入間隙所行駛的距離

1.5 變換車道所行駛的距離

理想情況下，車輛在變換車道過程中，駕駛員勻速轉(zhuǎn)動方向盤并以恒定速度行駛所形成的輪胎軌跡是一條曲率連續(xù)變化的線形。結(jié)合國內(nèi)外對于車輛換道行為與運(yùn)行軌跡的研究，高速公路適用于緩和曲線換道模型，換道運(yùn)行軌跡如圖2所示。

圖2 緩和曲線換道模型軌跡圖

設(shè)當(dāng)前車道寬度為W1，目標(biāo)變換車道寬度為W2，兩段緩和曲線連接處的半徑分別為R1、R2。根據(jù)圖2可得如下關(guān)系：

W1/2=T1·sinα1

(7)

其中：α1=Ls1/R1。

根據(jù)緩和曲線幾何要素中內(nèi)移值、切線長度和切線增長值的計算公式，代入式(7)可得：

(8)

式中：Ls為緩和曲線長度(m)；R1為曲線連接處半徑(m)；α為轉(zhuǎn)角(°)。

其中，車道寬度W1為3.75 m，曲線半徑R1由車輛行駛的受力平衡方程而得。根據(jù)式(8)便可得出切線長度T1、T2，相應(yīng)的變換車道所行駛的距離如式(9)所示。

L5=(T1+T2)·(1+cosα)

(9)

其中：α=α1=α2。

1.6 安全距離確認(rèn)

車輛在進(jìn)入減速車道前所需的安全距離L6一般取100 m。

根據(jù)上述計算結(jié)果便可得出隧道出口與互通式立交之間所需的最小凈距值，同理亦可計算出單向三車道與單向四車道的最小凈距值，如表8、9所示。

表8 未包含讀取預(yù)告標(biāo)志行駛距離的最小凈距值

表9 包含讀取預(yù)告標(biāo)志行駛距離的最小凈距值

參照表8、9的計算結(jié)果，給出3級服務(wù)水平下隧道出口與互通式立交之間最小凈距的推薦值，建議將包含讀取預(yù)告標(biāo)志所行駛距離的計算結(jié)果作為一般值，將未包含讀取預(yù)告標(biāo)志所行駛距離的計算結(jié)果作為極限值，如表10所示。

表10 隧道出口與互通式立交之間的最小凈距推薦值

2 互通式立交與隧道入口凈距分析

車輛從加速車道匯入主線后，相對容易就可以發(fā)現(xiàn)隧道入口位置，不存在顯著的安全隱患。實(shí)際調(diào)研可發(fā)現(xiàn)大多數(shù)駕駛員會自主減速以平穩(wěn)駛?cè)胨淼?，故在計算互通式立交與隧道入口凈距時，給駕駛員留足反應(yīng)距離與調(diào)整車速的距離即可，如圖3所示。

圖3 互通式立交與隧道入口凈距示意圖

根據(jù)國外的有關(guān)研究，駕駛員的反應(yīng)時間與處理的信息量相關(guān)，采用式(10)計算。實(shí)際情況下，駕駛員需要明確兩個信息：① 是否駛?cè)肭胺剿淼?② 是否調(diào)整車速。所以，信息容量取值為2，進(jìn)而可以得出互通式立交與隧道入口之間的凈距值。

(10)

式中：L為互通式立交與隧道入口之間的凈距(m)；v為車輛速度(km/h)；t為反應(yīng)時間(s)；x為信息容量。

根據(jù)上述計算結(jié)果，不同設(shè)計速度下互通式立交與隧道入口的最小凈距值如表11所示。

此外，上述計算值可同樣適用于服務(wù)設(shè)施與隧道出入口之間凈距的控制值。

表11 互通式立交與隧道入口最小凈距推薦值

3 安全保障措施研究

當(dāng)隧道出口與互通式立交出口漸變段起點(diǎn)凈距不滿足要求時，可以從以下幾方面入手加以改善：

(1) 優(yōu)化立交方案，采取變異式互通方案，以滿足凈距要求。在平?jīng)鲋辆d陽國家高速公路(G8 513)平?jīng)?華亭)至天水段施工圖設(shè)計中，天水北互通布設(shè)困難，主交通流方向隧道出口與減速車道漸變段起點(diǎn)不滿足凈距需求。結(jié)合地形該互通便采用了變異式立交方案，從而滿足了安全距離需求。同時，通過BIM檢驗(yàn)了該互通的安全性，保證了互通的安全運(yùn)營(圖4)。

圖4 天水北互通BIM模型

(2) 對于隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊處理，即在距離出洞處一定范圍內(nèi)拓寬一個車道作為輔助車道，并且通過交安設(shè)施的設(shè)置及時把駛出交通流誘導(dǎo)到該車道上，達(dá)到提前分流的效果。

(3) 加強(qiáng)洞內(nèi)外照度監(jiān)測，根據(jù)照度自動調(diào)整隧道出口段和過渡段的照明亮度，減少明適應(yīng)所需時間。

(4) 在小凈距路段，除了在路基路段正常設(shè)置的出口預(yù)告標(biāo)志外，建議在隧道前設(shè)置指向每個車道的地點(diǎn)、方向標(biāo)志，同時隧道內(nèi)出口預(yù)告標(biāo)志采用主動發(fā)光式標(biāo)志，以引起駕駛員注意。此外，在隧道出口外路面上設(shè)置路面文字標(biāo)記“××出口”及導(dǎo)向箭頭，保證車輛平穩(wěn)駛出。

(5) 在隧道出口前200 m至隧道出口段設(shè)置震動減速標(biāo)線，提醒駕駛員減速并控制車速。在隧道出口設(shè)置相應(yīng)振動標(biāo)線，提醒駕駛?cè)俗⒁馇胺铰窙r，同時在互通出口三角端處設(shè)置黃閃燈和可導(dǎo)向防撞墊，以提升運(yùn)營安全水平。

當(dāng)互通式立交入口漸變段終點(diǎn)至隧道入口凈距不滿足要求時，可以從以下幾方面入手加以改善：

(1) 從互通入口匝道漸變段終點(diǎn)開始主線內(nèi)側(cè)車道與外側(cè)車道的車道分界線采用白色實(shí)振動標(biāo)線，禁止匝道駛?cè)胲囕v變換車道。

(2) 在隧道洞口側(cè)墻端面設(shè)置立面標(biāo)記，隧道洞口上貼反光膜，以清晰勾勒出隧道輪廓。

(3) 在匝道漸變段終點(diǎn)至隧道入口處鋪設(shè)彩色防滑路面，以提高路面抗滑性并警示駕駛者安全行車。

(4) 加強(qiáng)隧道入口路段和過渡段的照明，減少暗適應(yīng)所需時間。

4 結(jié)論

(1) 通過分析車輛的行駛軌跡，構(gòu)建了隧道出口與互通式立交之間的凈距計算模型。通過分析明適應(yīng)距離、標(biāo)志讀取距離、等待與判斷可插入間隙距離、換道距離、安全距離等因素，提出了不同設(shè)計速度與不同車道數(shù)下隧道出口與互通式立交之間最小凈距的推薦值與極限值。

(2) 通過信息量處理模型，提出了互通式立交與隧道入口之間凈距的推薦值。

(3) 結(jié)合凈距計算值與工程實(shí)例，提出了小凈距路段下隧道出入口與互通式立交之間的安全保障措施，以便為今后的設(shè)計實(shí)施提供參考。