基于視距分析的地下立交平、縱線形指標研究*

魏 景

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063)

隨著交通行業(yè)的不斷發(fā)展，為了滿足日益增長的交通需求，地下交通應運而生。目前，國內陸續(xù)建成并投入運營的地下全互通(或半互通)立交有南京青奧軸線地下立交工程、廈門萬石山立交等，以及近年來大量修建的城市水底隧道兩端交通疏解，地下立交必將成為研究的關鍵點和建設難點。

我國地下立交的研究尚處于發(fā)展階段，藍萬煉等[1]從節(jié)約型城市建設的角度，考慮城市交通的可持續(xù)發(fā)展，從技術、經濟、環(huán)境等多方面因素論證了地下道路建設的可行性。郭成剛等[2]對地下立交隧道設計及施工方法進行研究優(yōu)化，表明目前技術層面上可以實現地下立交的建設要求。但關于地下立交的理論研究和相關標準、規(guī)范尚不完善。

中鐵第四勘察設計院結合大量的水下隧道工程實踐，開展了“城市地下互通立交路線設計關鍵技術”研究[3]，課題首次提出了城市地下道路和立交通行能力計算和服務水平評價方法，建立了地下立交路線設計技術指標體系并提出各項指標取值方法及建議值。

本文結合研究成果，針對地下立交的關鍵特點，從保證視距安全角度，對地下立交平、縱線形指標進行研究。

1 地下立交環(huán)境特點

從道路環(huán)境方面，地下立交與地面立交最大的區(qū)別在于空間封閉、照明強度低、噪聲大、通風不暢、視距不良等方面對交通的影響。

互通式立交工程往往存在匝道多、層數多、線形復雜、上下坡、急彎、分流、合流多等特點，而地下道路空間封閉、無自然光照的環(huán)境，視野差，地下立交區(qū)域交通條件復雜，道路的安全視距難以保證，容易誘發(fā)交通事故。車輛在進入立交范圍前的行駛中就需要駕駛員觀察信息、判斷方向，從而導致駕駛員注意力分散，如果對立交不熟悉、信息不完善或立交的設置不合理，駕駛員就無法迅速作出判斷。

地下道路環(huán)境由于其封閉性，導致環(huán)境噪音增大，也會對駕駛員的思維和反應能力造成一定的影響。Hirata基于隧道內駕駛模擬實驗發(fā)現，由于封閉道路環(huán)境下能見度低，駕駛員容易產生壓抑、煩躁，甚至恐懼等心理負荷，從而導致操作失誤，影響安全駕駛[4]。

因此，在進行地下立交線形設計時，有必要針對地下道路環(huán)境特點及駕駛員行為特征，結合現行相關規(guī)范，對具體指標的選取進行深入分析。

2 地下立交視距標準

視距是道路設計中一個重要技術指標，行車視距是否充分，直接影響了行車安全與運行速度。CJJ 37-2012 《城市道路工程設計規(guī)范》[5]對城市道路地面路段停車視距進行了規(guī)定，從定義來看，停車視距由反應距離、制動距離及安全距離組成，與駕駛員反應時間、路面摩擦系數等因素相關，其計算方法見式(1)

(1)

式中：ST為停車視距；v為設計速度，km/h；μs為縱向摩擦系數，取0.4，按路面潮濕狀態(tài)計算；t為反應時間，取均值1.3 s左右；βs為安全系數，取1.2；Sz為制動停止后安全距離，CJJ 221-2015 《城市地下道路工程設計規(guī)范》[6]沿用了上述標準。

地下道路中，制動距離和安全距離和地面道路保持一致，但是地下道路由于光線較暗、煙霧質量濃度大、能見度降低、駕駛員容易疲勞等因素，導致駕駛員的反應時間變長。日本相關研究通過數據統(tǒng)計分析表明，駕駛員反應時長的增加會導致交通事故發(fā)生次數增多，兩者間呈正比例關系。

Fisher和Hall研究了駕駛員反應時間和路面平均亮度的關系，研究表明，駕駛員反應時間與平均亮度有很強的相關性，并且呈規(guī)律性變化，亮度越高，駕駛員反應時間越短，當亮度達到10 cd/m2以上之后，反應時間趨于穩(wěn)定。美國AASHTO經多年研究，得出反應時間與行車狀態(tài)、車輛行駛速度有關。車速過高、駕駛員精神緊張、時間稍長即為疲勞狀態(tài)、其應變能力就會降低。正常情況下，地面道路汽車以40 km/h的速度行駛，駕駛員反應時間為0.5 s，而當汽車以120 km/h的速度行駛時，駕駛員的精神會比較緊張，反應時間會增加到1 s。文獻[7]研究表明，在地下道路中，駕駛員駕駛環(huán)境相對較差，但注意力比較集中，同時考慮運行狀態(tài)和速度的影響，建議地下道路反應時間在行駛速度小于等于40 km/h時取1.3 s；行駛速度大于40 km/h時，每增加10 km/h，反應時間增加0.05 s。

此外，地下道路尤其是地下立交匝道內，煙霧濃度較大，影響可視度。有研究表明[8]，地下道路中，駕駛員由于周邊環(huán)境單一，容易產生駕駛疲勞，大腦反應延遲時間達到0.5 s以上。

綜上所述，為了安全起見，考慮到地下道路煙霧濃度大、照明不良、能見度降低、駕駛員疲勞駕駛等情況，駕駛員的反應時間比地面道路增加0.5 s，取1.8 s；此外考慮到駕駛員的反應時間會隨行駛速度的增加而降低，當行駛速度超過40 km/h后，速度每增加10 km/h，反應時間增加0.05 s。據此計算出的考慮反應延遲的城市地下立交停車視距見表1。

表1 考慮反應延遲的城市地下立交停車視距

在地下立交范圍內，由于地下道路環(huán)境的影響，運行條件相比于地面立交更加復雜，并且由于側墻和頂板的遮擋，造成駕駛員視距不良，地下立交需要比路段有更大的視距，建議有條件路段平縱指標盡量按1.5倍停車視距控制；對于互通范圍主線指標，CJJ 221-2015 《城市地下道路工程設計規(guī)范》規(guī)定分流鼻前的識別視距不宜小于2倍的主線停車視距，條件受限時不應小于1.5倍的主線停車視距，匯流鼻前的識別視距不應小于1.5倍的主線停車視距。

3 平縱線形指標

3.1 平曲線指標

在地下道路環(huán)境中，駕駛員的視線受到側面墻壁的阻礙，視距受到道路圓曲線半徑和側向凈寬的影響，其幾何關系見圖1。

圖1 停車視距與半徑、凈寬的幾何關系

假定保證視距的橫向寬度為Y，從A點最遠只能看到B點，A點和B點的連線與匝道圓曲線相切，此時弧長AB恰好滿足停車視距ST的要求，則保證停車視距的曲線半徑可以用式(2)計算[9]。

(2)

由圖1可知，左側、右側保證視距寬度的計算公式分別為式(3)、式(4)。

(3)

(4)

式中：WL、WR分別為左側、右側車道寬度，m；LL、LR分別為左側和右側的側向寬度，m；J為檢修道寬度，m。

考慮地下道路環(huán)境特點、交通特性、工程條件等，推薦地下立交匝道單車道斷面寬7 m(凈寬)，左側橫凈距為2.75 m，右側橫凈距為4.25 m；雙車道斷面寬9 m(凈寬)，左側橫凈距2.75 m，右側橫凈距6.25 m。

在地下立交匝道中，駕駛員看不到匝道的全貌，為了讓駕駛員能夠對行駛前方一定距離內的匝道線形做出預判，匝道線形應該提供更好的視距條件，因此本文選取1倍和1.5倍視距條件下對應半徑與CJJ 193-2012《城市道路路線設計規(guī)范》中規(guī)定最小半徑進行對照分析，最不利條件(左偏，Y=2.75 m)計算結果見圖2。

圖2 滿足匝道停車視距要求的平曲線半徑

由圖2可知，匝道設計速度、視距標準對平曲線半徑敏感度很高，速度越高，視距半徑的增速越大。左偏且設計速度較高時平曲線最小半徑規(guī)范值無法滿足視距要求，1.5倍視距時視距半徑遠大于規(guī)范限值。

此外，本文對地下立交匝道視距加寬與側向凈寬的關系進行了分析，半徑值取設計速度對應2%超高的規(guī)范值，結構寬度考慮平曲線加寬，見圖3、圖4。由圖3、圖4可見，地下立交匝道平面指標應盡可能取高值。受工程條件及互通選型限制無法滿足時，單車道匝道可通過限速、移劃標線等方式改善視距；雙車道匝道在交通量不大時盡量在外側車道行車，內側車道作為緊急停車帶和視距加寬，交通量較大時需考慮優(yōu)化互通選型，提高線形指標。

圖3 單車道匝道視距凈寬與側向凈寬的關系

圖4 雙車道匝道視距凈寬與側向凈寬的關系

立交范圍主線平曲線半徑主要考慮識別視距，考慮內側最不利的情形，側向凈寬Y取3 m，由式(2)～式(4)可得出立交區(qū)主線滿足識別視距要求的平曲線半徑，見圖5。

圖5 立交區(qū)主線識別視距對應平曲線半徑

實際設計中會存在更復雜的情形，如匝道連續(xù)彎道組合路段、主線變速車道段等，為此，筆者用lisp語言編寫了繪制視距包絡線和輪廓線的小程序，可用于地下立交各種平面線形下的視距凈區(qū)檢驗。

3.2 豎曲線指標

3.2.1凸形豎曲線最小半徑

根據CJJ 37-2012 《城市道路工程設計規(guī)范》，在影響凸形豎曲線最小半徑的因素中，以滿足視距要求為主要控制因素，最小半徑計算方法見式(5)。

(5)

式中：ST為停車視距；h1為駕駛員目高，取1.2 m；h2為障礙物高，取0.1 m。因此，在一般路段，凸形豎曲線指標按規(guī)范值選取基本可滿足視距要求，在主線分、匯流鼻段附近，需滿足識別視距要求。按式(5)，不同視距要求對應凸形豎曲線半徑見圖6。

圖6 滿足視距的凸形豎曲線半徑

由圖6可見，滿足識別視距的豎曲線半徑遠遠高于規(guī)范限值，地下立交受工程條件限制，有時難以滿足，經分析發(fā)現物高對視距半徑較為敏感，見圖7，可通過輔助交通安全設施，提高視點高度。

圖7 物高與凸形豎曲線視距半徑的關系

3.2.2凹型豎曲線最小半徑

對于凹型豎曲線，由于地下道路頂部會遮擋行車視線，因此需進行視距檢驗。保證視距需要的地下道路最小凈高h的計算方法[10]見式(6)。

(6)

式中：h為保證視距所需凈高，m；R為地下立交匝道凹形豎曲線半徑，m；ST為停車視距，m；h1、h2為駕駛員目高和障礙物高，m。根據《城市地下道路工程設計規(guī)范》，對于凹形豎曲線，h1=1.9 m，h2=0.1 m。

考慮到凹型豎曲線大多位于下坡底部，ST為確保安全，取1.5倍路段停車視距。根據式(6)計算出的不同設計速度半徑規(guī)范值所對應的能夠滿足視距的最小凈高匯總見表2。表2中“極限值所需凈高I”表示當凹型豎曲線半徑采用極限值時，能夠滿足1.5倍路段停車視距I的最小凈空高度；同理“一般值所需凈高II”表示當凹型豎曲線半徑采用一般值時，能夠滿足1.5倍路段停車視距II的道路最小凈高。

表2 地下立交凹形豎曲線最小凈高

根據表2中的計算結果，滿足匝道設計速度相應視距要求所需凈高均小于小客車專用道的凈高極限值3.2 m，因此，不會因為地下道路頂板的遮擋而出現視距不良。

4 對地下立交平、縱面設計的建議

地下道路由于空間封閉，側墻和頂部對駕駛員行車視線影響較大，現有地面互通立交相關規(guī)范指標難以直接移植到地下，且速度是影響視距的關鍵因素，速度越高，所需視距越大，對應平縱線形指標越高；設計時應根據設計速度、結構形式等因素確定滿足視距要求的平縱線形指標。設計完成后，應結合運行速度對視距進行檢驗，不滿足的應采取限速等綜合措施，確保行車安全。

主線視距不足時建議采取以下措施。

1) 完善出口預告標設置，通過反復設置提醒，告知駕駛員出口信息。

2) 指路標、地面分流標志標線等配合使用，必要時可采用不同顏色路面區(qū)別顯示，增強識別出口位置。

3) 利用側墻強化分岔口標志標線，提高分流點視點高度。

4) 增加分、合流段照明亮度。

5) 適當延長變速車道長度。

匝道視距不足時建議采取以下措施。

1) 利用多級措施控制匝道車速，包括線形逐級過渡，限速、誘導標志，監(jiān)控，減速標線等。

2) 增加轉向標志標線與誘導設施，使駕駛員提前預知前方線形變化情況。

3) 加強平縱橫組合效應分析，規(guī)避不利線形組合。

此外，地下立交與地面立交在設計理念上有很大的不同，具體設計時應結合交通功能、建設條件、結構與工法創(chuàng)新立交選型方案，如采用地下與地面相結合等方式，盡量提高主流方向線形指標，解決主要問題。

5 結語

針對地下立交的特點，基于視距對地下立交平、縱線形指標進行研究，主要結論如下。

1) 針對地下道路環(huán)境特點，結合反應延遲對停車視距進行修正，并盡可能提供更大的視距條件。

2) 基于視距、側向凈寬影響，以及匝道設計速度對平曲線半徑敏感度，分別給出平、豎曲線半徑建議值。

3) 對不滿足視距路段，建議提高主流方向線形指標，結合運行速度對視距進行檢驗，確保行車安全。