高速公路隧道入口區(qū)域交通工程設(shè)施改善對策與應(yīng)用

梅家林， 湯振農(nóng)， 杜志剛, *， 焦方通

(1. 武漢理工大學(xué)交通學(xué)院， 湖北 武漢 430063； 2. 金華市公路管理局， 浙江 金華 321000)

0 引言

近10年我國公路隧道里程年均增長率高達(dá)15%。截至2018年末，全國公路隧道已達(dá)17 738處、1 723.61萬m[1]。近5年我國隧道路段交通事故每年平均發(fā)生接近500起，隧道死亡率為0.48人/起，是同期全部事故死亡率的1.6倍[2]。張生瑞等[3]研究得出高速公路隧道交通事故更易出現(xiàn)在隧道出入口區(qū)段。因此，針對高速公路隧道出入口區(qū)域進行專門研究具有重要意義。

目前國內(nèi)學(xué)者對隧道出入口光環(huán)境、事故形態(tài)、事故成因等進行了深入研究。杜志剛等[4]提出公路隧道視覺環(huán)境單一，視覺參照信息較少。馬骉等[5]研究指出隧道進出口段因其結(jié)構(gòu)形式的特殊性以及易受到外部環(huán)境的影響，更易發(fā)生交通事故。胡順峰[6]研究指出追尾和撞隧道壁的次數(shù)達(dá)到隧道群總事故的75%以上，隧道群出入口的明暗適應(yīng)和車輛運行速度過快是導(dǎo)致碰撞事故多發(fā)的主要原因。張生瑞等[7]研究指出隧道入口段大、小型車速度分布不均勻, 且車速變化較大，是發(fā)生追尾的主要原因。樊兆董[8]研究指出隧道交通工程設(shè)施設(shè)置不合理是釀成各類型交通事故的重要因素。

同時，國內(nèi)外學(xué)者也針對交通安全措施進行了研究。Mante等[9]通過分析多國隧道事故類型和成因，提出預(yù)防碰撞的措施。Blaser等[10]通過日光產(chǎn)生的亮度和照度已知經(jīng)驗關(guān)系以及平均相對日照時間分布，確定了隧道照明裝置中所需的亮度水平。Gil-Martín等[11]提出在遮光棚中引入擴散材料來改善隧道遮光棚的日照均勻性，進而提高隧道入口處視覺效果。Parise等[12-13]提出用平均電源功率密度來分析隧道照明功率與照明亮度關(guān)系的方法。張偉剛等[14]提出一種基于模糊控制的高速公路隧道照明節(jié)能系統(tǒng)。但目前我國隧道運營照明存在普遍的“高配低用”現(xiàn)象，尤其在中西部地區(qū)，因此，急需研究低成本改善隧道運營安全的方法。黃婷等[15]研究得出環(huán)形塊立面標(biāo)記比矩形塊立面標(biāo)記更能改善隧道入口洞門的視認(rèn)性。陶盼盼等[16]研究指出在隧道入口段設(shè)置橫向減速標(biāo)線或紅色警示路面會對車輛行駛狀態(tài)和行車舒適性有顯著性影響。王乾等[17]提出利用藤蔓構(gòu)成洞外生態(tài)減光結(jié)構(gòu)。杜志剛等[18]研究表明視線誘導(dǎo)系統(tǒng)能夠低成本優(yōu)化公路隧道光環(huán)境。這些通過設(shè)置交通工程設(shè)施以低成本改善隧道入口環(huán)境的方法，為隧道實際工程應(yīng)用帶來了新的改善思路。

雖然國內(nèi)外學(xué)者對于單項交通工程設(shè)施設(shè)置研究已經(jīng)取得不少成果，但隧道入口區(qū)域交通工程設(shè)施設(shè)置研究系統(tǒng)化仍顯不足，難以保障公路隧道入口的交通安全與運營效率。2019年3月我國發(fā)布了《公路隧道提質(zhì)升級行動技術(shù)指南》(簡稱《指南》)[19]，重點對公路隧道的交通工程設(shè)施提質(zhì)升級提出了改善方法，但是仍然存在針對性不足、系統(tǒng)化差的問題。本文提出高速公路隧道入口交通工程設(shè)施設(shè)置基本原則，重點針對目前隧道入口區(qū)域存在的典型問題提出相應(yīng)的改善對策，為高速公路隧道入口交通工程設(shè)施的合理設(shè)置提供依據(jù)，并對《指南》內(nèi)容進行補充。

1 交通工程設(shè)施設(shè)置原則

1.1 空間路權(quán)原則

路權(quán)是指交通參與者根據(jù)交通法規(guī)的規(guī)定，一定空間和時間內(nèi)在道路上進行道路交通活動的權(quán)利?？臻g路權(quán)可分為橫向路權(quán)、豎向路權(quán)和縱向路權(quán)，如圖1和圖2所示。橫向路權(quán)可以提供清楚的車道信息，防止車輛軌跡偏移過大，避免與周邊障礙物發(fā)生碰撞。豎向路權(quán)可以提供隧道輪廓信息，防止碰上洞門和側(cè)壁?？v向路權(quán)可以提供前進方向連續(xù)一致的視覺參照信息，保證隧道內(nèi)外視覺過渡平穩(wěn)。公路隧道空間路權(quán)設(shè)置原則如表1所示。

圖1 橫向路權(quán)和豎向路權(quán)

圖2 縱向路權(quán)

分類要求橫向路權(quán)路側(cè)、路中存在安全凈區(qū),車道分界線、車道邊線明確豎向路權(quán)洞頂及側(cè)壁輪廓清晰縱向路權(quán)前進方向路權(quán)連續(xù)一致

1.2 駕駛?cè)艘蛟瓌t

研究發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)嗽谛旭傔^程中有90%以上的交通信息是通過視覺獲得的，80%以上道路交通事故的發(fā)生都與駕駛?cè)思捌漶{駛特性直接相關(guān)，通常是因為駕駛?cè)税l(fā)生感知、判斷或操作差錯造成的[20]。針對駕駛?cè)艘蛟瓌t，可以分為視距、視區(qū)和視錯覺。在駕駛員進入隧道過程中，會因為視距縮短、視區(qū)變窄、視覺參照物變少，難以注意前方車輛和周邊障礙物，容易發(fā)生速度錯覺、距離錯覺、方向錯覺，引發(fā)不良操作行為，導(dǎo)致交通事故發(fā)生。公路隧道駕駛?cè)艘蛟O(shè)置原則如表2所示。

表2 公路隧道駕駛?cè)艘蛟O(shè)置原則

1.3 駕駛?cè)蝿?wù)原則

駕駛?cè)蝿?wù)是指駕駛員從出發(fā)點沿途行駛直至目的地的過程中，有車輛控制、保持車距、選擇路徑等任務(wù)。駕駛員在行駛時，會通過視覺、聽覺等感性認(rèn)知，將前方各種信息傳入大腦中，然后據(jù)此調(diào)整其駕駛行為完成各項駕駛?cè)蝿?wù)。

若隧道內(nèi)視覺信息不足或信息過載，駕駛員就無法依據(jù)信息及時做出正確的駕駛決策。因此，需要優(yōu)化隧道內(nèi)行車環(huán)境以減輕駕駛?cè)蝿?wù)，保障駕駛員能順利完成行駛路徑(避免車道偏離)、控制車速(避免超速、疲勞分心駕駛)、保持車距(避免跟車過近)等駕駛?cè)蝿?wù)。公路隧道駕駛?cè)蝿?wù)設(shè)置原則如表3所示。

表3 公路隧道駕駛?cè)蝿?wù)設(shè)置原則

2 高速公路隧道入口區(qū)域典型問題及對策

2.1 可變信息板設(shè)置

2.1.1 典型問題

可變信息板對于提前向駕駛員發(fā)布預(yù)警信息有極大幫助?！吨改稀肺疵鞔_規(guī)定公路隧道入口前需設(shè)置可變信息板。部分高速公路隧道雖有設(shè)置，但存在一些問題：

1)可變信息板尺寸過小、視認(rèn)距離短(如圖3(a)所示)，并多為路側(cè)單懸臂結(jié)構(gòu)，容易被大型車輛遮擋?？勺冃畔咫x隧道入口洞門過近，給駕駛員預(yù)留的反應(yīng)時間不足。

2)可變信息板信息內(nèi)容不合理，包括一些公益性廣告、宣傳口號等，并非隧道交通管理所急需。

2.1.2 改善對策

1)可變信息板一般設(shè)在離洞門超過200 m(根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[21]，在100 km/h速度下，貨車停車視距為180 m，出于安全考慮取200 m)的距離，推薦采用如圖3(b)所示門架式結(jié)構(gòu)的可變信息板，字體較大，且不被其他交通標(biāo)志和車輛遮擋，可視距離應(yīng)超過500 m。

2)可變信息板應(yīng)保證其能發(fā)布可變限速、交通事故、隧道運行狀態(tài)(封閉、施工)等信息，提前預(yù)告隧道內(nèi)交通信息，減輕駕駛?cè)蝿?wù)。

3)可變信息板適用于高速公路隧道群、長大隧道前設(shè)置。

(a) 小字體可變信息板

(b) 門架式可變信息板

2.2 標(biāo)志信息設(shè)置

2.2.1 典型問題

部分隧道入口交通標(biāo)志缺少，對駕駛?cè)艘蝰{駛?cè)蝿?wù)的考量，可能會造成視認(rèn)反應(yīng)時間不足和駕駛?cè)蝿?wù)過載，主要體現(xiàn)在4個方面：

1)標(biāo)志尺寸小，視認(rèn)困難。車輛在隧道入口區(qū)域超速較普遍，同時隧道入口接近段處設(shè)置的交通標(biāo)志大多按照隧道內(nèi)限速60～80 km/h設(shè)置，標(biāo)志尺寸過小，導(dǎo)致交通信息尺寸小，不能給駕駛員提供足夠的視認(rèn)反應(yīng)時間，導(dǎo)致駕駛員視認(rèn)困難。

2)多個信息組合，缺乏分層。《指南》提出在隧道入口前應(yīng)設(shè)置隧道開燈標(biāo)志，可以與隧道信息標(biāo)志合并設(shè)置。實際上，隧道入口區(qū)域存在大量標(biāo)志信息合并設(shè)置的情況，如圖4所示。開燈警告標(biāo)志和限速標(biāo)志經(jīng)常會與其他標(biāo)志混合設(shè)置，沒有主次之分，增加了駕駛?cè)蝿?wù)。駕駛員難以及時發(fā)現(xiàn)、認(rèn)讀標(biāo)志，不能及時做出開燈、減速等操作，對交通安全極為不利。

(a)

(b)

3)非急需信息存在，誘發(fā)分心駕駛。隧道入口區(qū)域的事故多發(fā)段提醒標(biāo)志、保持車距標(biāo)志、地名標(biāo)志、限高限寬標(biāo)志等，與隧道路段駕駛行為相關(guān)性較低，并非急需，容易干擾重要信息的視認(rèn)，并誘發(fā)分心駕駛。

4)信息邏輯性差，不符合駕駛習(xí)慣。隧道開燈警告標(biāo)志，往往沒有明確開遠(yuǎn)光燈還是近光燈，也沒有明確“先開燈后進隧道”的邏輯關(guān)系。同時，信息標(biāo)志設(shè)置離洞口過近，給駕駛員提供的操作反應(yīng)時間不夠。

2.2.2 改善對策

1)按照運營車速設(shè)置大尺寸交通標(biāo)志。通常在隧道入口區(qū)域的交通標(biāo)志可以依據(jù)隧道外正常運營車速(高速公路超過100 km/h)設(shè)置更大尺寸的標(biāo)志，提高交通標(biāo)志的可視性，提升駕駛員的視認(rèn)反應(yīng)時間。

2)按照駕駛?cè)蝿?wù)需要將交通標(biāo)志分級，限速標(biāo)志>開燈警告標(biāo)志>禁止超車標(biāo)志>隧道信息標(biāo)志，并盡量設(shè)置在不同的位置上，同一斷面標(biāo)志數(shù)量不宜超過2個。

3)少設(shè)非重要交通信息。重要程度較低的事故多發(fā)段提醒標(biāo)志、保持車距警告標(biāo)志等，建議少設(shè)、不設(shè)，或者設(shè)置在道路的其余路段，減輕隧道入口區(qū)域駕駛?cè)蝿?wù)。

4)圖文結(jié)合，提升標(biāo)志的遵從度。對于重要隧道，警告標(biāo)志可采用圖形與文字結(jié)合的方式，如采用“先開燈后進隧”的輔助文字，明確開燈和進入隧道的先后邏輯順序，提醒車輛提前打開車燈，以滿足我國交通安全法對機動車行車的要求(我國交通安全法提到機動車在夜間沒有路燈、照明不良或者遇有霧、雨、雪、沙塵、冰雹等低能見度情況下行駛時，應(yīng)當(dāng)開啟前照燈、示廓燈和后位燈，但同方向行駛的后車與前車近距離行駛時，不得使用遠(yuǎn)光燈[22])。駕駛員在夜間隧道入口前應(yīng)開遠(yuǎn)光燈或近光燈行駛。因此，建議在高速公路自由流條件下開遠(yuǎn)光燈，低等級公路隧道雙向行駛時開近光燈。同時，建議對隧道開燈警示標(biāo)志、限速標(biāo)志、禁止變道超車標(biāo)志采用右側(cè)低位設(shè)置，并采取豎向條形設(shè)置，使其不容易侵入道路建筑界限，并且設(shè)置更大的輔助性標(biāo)志字體，便于駕駛員識認(rèn)，如圖5所示。

(a) 隧道開燈警告標(biāo)志

(b) 禁止變道超車標(biāo)志

5)《指南》提到隧道入口前應(yīng)設(shè)置隧道開燈警告標(biāo)志，限速標(biāo)志宜設(shè)置在隧道入口前100～200 m處。但標(biāo)志牌與洞門的距離和標(biāo)志牌之間的距離需要考慮駕駛?cè)蝿?wù)原則，以減輕駕駛負(fù)荷，優(yōu)化隧道入口區(qū)域的駕駛信息誘導(dǎo)。針對駕駛員進入隧道的過程進行駕駛?cè)蝿?wù)分析： 了解前方隧道基本運營情況，是否有交通事件(可變信息板)—明確限速值，對車輛進行減速(限速標(biāo)志，或與可變信息板同一斷面設(shè)置)—打開車燈(隧道開燈警告標(biāo)志)—保持車道(禁止變道超車標(biāo)志)—了解隧道名稱及長度(隧道信息標(biāo)志)—進入隧道，如圖6所示。

圖6 基于駕駛?cè)蝿?wù)的隧道入口標(biāo)志布局圖

2.3 視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置

2.3.1 典型問題

目前很多隧道工程的視線誘導(dǎo)設(shè)施的種類、組合布設(shè)方案、設(shè)施色彩及間距等均存在較大的差異，且隧道入口區(qū)域視線誘導(dǎo)信息不連續(xù)，主要分為以下3個方面：

1)《指南》對于洞門立面標(biāo)記僅要求高度不小于2.5 m，但對于其材質(zhì)并無要求，導(dǎo)致長期運營條件下隧道洞門輪廓顯著性差，駕駛員難以看清隧道洞門輪廓。

2)隧道入口處內(nèi)外視覺環(huán)境突變。駕駛員進入隧道時，空間、亮度、參照物劇烈過渡，駕駛員很難及時調(diào)整車輛的速度和位置，進而超速或偏離車道。同時，《指南》提出隧道入口護欄與隧道檢修道內(nèi)側(cè)搭接，也會導(dǎo)致隧道洞口視線誘導(dǎo)過渡突然，加劇這一現(xiàn)象的發(fā)生。

3)誘導(dǎo)信息設(shè)置間距不合理?！吨改稀诽岬皆谔亻L隧道、長隧道以及無照明的二級及二級以下公路隧道，隧道反光輪廓帶按不小于100 m間距設(shè)置，但是在限速60～80 km/h的高速公路隧道路段，并不能起到控制車輛間距的作用?！吨腥A人民共和國道路交通安全法實施條例》[22]要求，機動車在高速公路上行駛車速低于100 km/h時，最小距離不得少于50 m。駕駛員若在不小于100 m設(shè)置間距的反光輪廓帶的環(huán)境下，難以憑借周邊參照物來保持與前后車不少于50 m的車距。

2.3.2 改善對策

1)洞門設(shè)置環(huán)形立面標(biāo)記，提高隧道入口輪廓可視性。建議在洞門設(shè)置環(huán)形立面標(biāo)記，需要延伸到洞頂，以明確隧道洞門豎向路權(quán)、橫向路權(quán)。洞門立面標(biāo)記采用鋁背基Ⅳ類反光膜，確保耐久性與可視性，確保在識別視距(約300 m)之外能夠看到。

2)設(shè)置中頻警示型線形誘導(dǎo)標(biāo)，提升速度感?？梢栽谒淼廊肟趨^(qū)域設(shè)置一些中頻信息，如在隧道入口前識別視距(約300 m)范圍設(shè)置黃黑相間警示型線形誘導(dǎo)標(biāo)，設(shè)置間距為1～2 s行程(25 m/道或50 m/道)，可以對隧道內(nèi)的反光輪廓帶、洞門等參照起到很好的過渡作用，同時壓縮視區(qū)，有利于駕駛員提前適應(yīng)隧道內(nèi)的環(huán)境，并起到保持車距的作用。

3)采用高頻柔性警示柱，提高隧道入口視覺過渡的連續(xù)性?？梢栽谌肟趦蓚?cè)護欄與道路邊線之間設(shè)置高密度柔性警示柱，采用熒光黃綠反光膜，設(shè)置范圍由隧道外3 s行程到隧道內(nèi)3 s行程，其高度不小于130 cm，高于護欄和小車的高度，確保不被小型車輛遮擋，且能遮住護欄，保證較遠(yuǎn)識別視距范圍內(nèi)的可視性。采用熒光黃綠色，能確保在黃昏和黎明時段光環(huán)境較差的情況下的高逆反射系數(shù)。隧道入口區(qū)域的柔性警示柱，能保障隧道入口區(qū)域的線形誘導(dǎo)的連續(xù)性、一致性，避免護欄對駕駛員產(chǎn)生不良誘導(dǎo)。同時，在柔性警示柱開始路段需設(shè)置多個防撞桶，避免車輛從車道邊線與護欄之間插入行駛，減少車輛撞上洞門的可能性。

4)縮短隧道反光輪廓帶間距，提高空間感和距離感。隧道內(nèi)部限速一般為60～80 km/h，車距應(yīng)大于50 m，因此，隧道入口區(qū)域反光輪廓帶間距可取50 m，便于駕駛員參考反光輪廓帶間距，判斷與前車的距離。

針對以上高速公路隧道入口區(qū)域視線誘導(dǎo)問題，主要通過完善相應(yīng)視線誘導(dǎo)設(shè)施進行改善，其改善對策整理如表4所示，改善后的隧道入口透視圖如圖7所示。

表4 高速公路隧道入口區(qū)域視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置改善對策

圖7 高速公路隧道入口視線誘導(dǎo)設(shè)施設(shè)置透視圖

Fig. 7 Perspective view of setting of sight guidance facilities at expressway tunnel entrance section

3 高速公路隧道入口區(qū)域交通工程設(shè)施改善效果評價

基于路權(quán)、駕駛?cè)艘蚝婉{駛?cè)蝿?wù)原則，結(jié)合《指南》現(xiàn)行要求，對高速公路隧道入口區(qū)域交通工程設(shè)施改善效果進行評價，整理如表5所示。

表5 高速公路隧道入口區(qū)域交通工程設(shè)施改善效果評價

Table 5 Improvement effects of traffic engineering facilities at expressway tunnel entrance section

評價原則改善前(現(xiàn)行)改善后空間路權(quán) 道路中心線、邊線磨損會導(dǎo)致道路輪廓不清,路權(quán)不清晰、不明確; 洞門輪廓顯著性差,視認(rèn)距離短 設(shè)置突起路標(biāo)、洞門立面標(biāo)記、柔性警示柱、防撞桶等視線誘導(dǎo)設(shè)施,提升道路及洞門輪廓感,明確橫向路權(quán)和縱向路權(quán)駕駛?cè)艘?標(biāo)志尺寸小,可視距離短; 隧道內(nèi)外視覺環(huán)境突變,參照物少,容易產(chǎn)生視錯覺 增大標(biāo)志尺寸,增設(shè)洞門大尺度環(huán)形立面標(biāo)記,加密隧道內(nèi)大尺度反光輪廓帶,提高信息標(biāo)志視認(rèn)性; 通過警示型線形誘導(dǎo)標(biāo)壓縮視區(qū),讓駕駛員提前適應(yīng)隧道內(nèi)的環(huán)境;通過多頻信息組合,減少視錯覺駕駛?cè)蝿?wù) 過多標(biāo)志集中,干擾信息多,感知反應(yīng)時間不足,駕駛負(fù)荷高 保留必需標(biāo)志,精簡非必需標(biāo)志,基于駕駛?cè)蝿?wù)確定標(biāo)志設(shè)置排序,符合駕駛預(yù)期

4 結(jié)論與討論

我國高速公路隧道入口區(qū)域存在提質(zhì)升級的需求。本文針對現(xiàn)狀交通工程設(shè)施的不足，結(jié)合《公路隧道提質(zhì)升級行動技術(shù)指南》進行分析，主要結(jié)論如下。

1)針對高速公路隧道入口區(qū)域，提出交通工程設(shè)施應(yīng)遵循空間路權(quán)、駕駛?cè)艘蚝婉{駛?cè)蝿?wù)原則，提升交通安全與效率。

2)《指南》中交通工程設(shè)施規(guī)定存在標(biāo)志信息組合不良、交通標(biāo)志位置不當(dāng)和誘導(dǎo)信息不連續(xù)、不一致的問題。

3)提出隧道入口區(qū)域交通標(biāo)志設(shè)施問題的改善方法： 在隧道前依次設(shè)置合理的可變信息板、限速標(biāo)志、隧道開燈警告標(biāo)志、禁止變道超車標(biāo)志、隧道信息標(biāo)志，并給出相應(yīng)標(biāo)志的具體版面設(shè)置建議。

4)為緩解隧道入口“黑洞”效應(yīng)，加強隧道入口區(qū)域的視覺環(huán)境過渡，提出一種隧道入口視覺誘導(dǎo)環(huán)境的改善方案，即建立由警示型線形誘導(dǎo)標(biāo)、柔性警示柱、突起路標(biāo)、環(huán)形立面標(biāo)記和防撞桶構(gòu)成的隧道入口視線誘導(dǎo)系統(tǒng)。

本文為高速公路隧道入口區(qū)域交通工程設(shè)施的合理設(shè)置提供了依據(jù)，為隧道入口視線誘導(dǎo)提供了技術(shù)解決方案，以完善公路隧道交通工程設(shè)施的提質(zhì)升級。針對提出的隧道入口區(qū)域改善方案，后續(xù)還需要進一步對各交通標(biāo)志的設(shè)置形式和入口視線誘導(dǎo)系統(tǒng)進行模擬仿真試驗，驗證其改善效果，并進一步在實車試驗中予以驗證分析。