高速公路隧道出口至互通立交最短距離的探討

彭廣銀

（江蘇森尚工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，地形地貌變化多樣，對(duì)于地形復(fù)雜的山區(qū)高速公路，由于地形的限制導(dǎo)致互通式立交的出口與隧道洞口的緩沖距離較短，雖然現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中已經(jīng)充分考慮，但實(shí)際設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方案均為大同小異，且事故發(fā)生也較多[1]。在隧道入口和出口處，由于隧道內(nèi)外光環(huán)境的快速變化，駕駛員的視覺(jué)和心理負(fù)荷大大增加，很容易引起駕駛員的不良駕駛行為，導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，而且隧道由于其特殊的環(huán)境特征，容易發(fā)生二次事故，使得事故在很短的時(shí)間內(nèi)急劇擴(kuò)大，造成更大的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，如何能有針對(duì)性的解決此類交通事故的發(fā)生是亟待解決的重要問(wèn)題。國(guó)外對(duì)于互通式立交最小間距開(kāi)展較早，目前已經(jīng)出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2]。主要代表作包括：Patrick T W BroerenBroeren[3]等人以交通流特性為出發(fā)點(diǎn)，將隧道出口與互通段分為三部分進(jìn)行分析研究，分別對(duì)隧道出口洞內(nèi)外視覺(jué)適應(yīng)段、駕駛員判別入口段以及分流段的最小距離進(jìn)行了研究，最終確定隧道出入口與立交出入口連接段的最小長(zhǎng)度。日本學(xué)者Narisada[4]運(yùn)用眼球追蹤儀，研究了駕駛員靠近隧道口時(shí)眼部運(yùn)動(dòng)情況，研究結(jié)果表明，在隧道入口前一段距離處，駕駛員的注視點(diǎn)會(huì)集中在隧道口。我國(guó)起步較晚研究較少，主要集中在互通的通行能力、交通流特性、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等方面，如《高速公路互通式立交分、合流區(qū)輔助車道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]。石小法、廖軍洪[6，7]等將實(shí)際工程與仿真模擬相結(jié)合，以駕駛員行車過(guò)程中道路的交通量、駕駛員對(duì)不同交通標(biāo)志出現(xiàn)的反應(yīng)時(shí)間等因素為研究對(duì)象，確定出隧道出口與互通短的最小間距。趙一飛[8]等從交通事故特征出發(fā)，以駕駛員出口處視覺(jué)適應(yīng)時(shí)間以及駕駛員對(duì)出口標(biāo)志的反應(yīng)操作時(shí)間，總結(jié)計(jì)算出高速公路隧道出口與互通的極限最小間距。馮玉榮[9]基于交通流理論和仿真模擬的交通沖突技術(shù)，對(duì)互通式立交的最小間距做了研究。劉桂強(qiáng)[10]等提出山區(qū)高速公路隧道群復(fù)雜運(yùn)營(yíng)管理問(wèn)題，并提出了隧道與互通式立交的協(xié)調(diào)交通控制策略。李新偉[11]等通過(guò)調(diào)研運(yùn)營(yíng)隧道與互通間距路段的運(yùn)行速度，對(duì)其他隧道與臨近互通立交路段的運(yùn)行車速進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到了一定成果。

為了保障交通安全，降低事故發(fā)生率，本文在總結(jié)和借鑒以往研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)隧道出口與互通段的交通安全問(wèn)題，從駕駛員的視認(rèn)特性的角度出發(fā)，結(jié)合生理心理狀態(tài)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模擬試驗(yàn)分析，對(duì)交通標(biāo)志和互通最小間距做了相關(guān)研究，找出影響隧道出口與互通安全的關(guān)鍵因素并制定合理可靠的交通改善措施。為隧道出口和互通路段提出改善措施，從而提高交通安全，以期為工程實(shí)際提供有益參考。

1 隧道出口與互通立交最小間距分析

考慮在條件受限下，在隧道內(nèi)設(shè)置指路標(biāo)志的情況，隧道出口與互通最小間距的研究分為指路標(biāo)志設(shè)置在隧道內(nèi)、外兩種情況進(jìn)行研究。

1.1 交通標(biāo)志在隧道內(nèi)

駕駛員在隧道內(nèi)通過(guò)交通指路標(biāo)志的信息獲取，并實(shí)施操作過(guò)程，一共包括了感知階段、判斷準(zhǔn)備階段、動(dòng)作階段3 個(gè)階段。在感知階段，駕駛員在F 點(diǎn)發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志，在R 點(diǎn)完成識(shí)別，到達(dá)G 點(diǎn)完成信息認(rèn)識(shí)，這個(gè)階段稱為感知階段；之后，途經(jīng)標(biāo)志消失點(diǎn)K 和標(biāo)志點(diǎn)M，駕駛員完成對(duì)交通標(biāo)志信息的分析并判斷，在適應(yīng)隧道出口段光環(huán)境變化后到達(dá)動(dòng)作點(diǎn)E，這個(gè)過(guò)程稱為判斷準(zhǔn)備階段；最后，在可插入點(diǎn)H，駕駛員判斷可插入，進(jìn)行車速調(diào)整，到達(dá)車速調(diào)整點(diǎn)I，準(zhǔn)備側(cè)向插入右方車道，到達(dá)橫移點(diǎn)J，車輛橫移入右側(cè)車道到達(dá)安全距離點(diǎn)T，準(zhǔn)備進(jìn)入互通下道，至此動(dòng)作結(jié)束，這個(gè)過(guò)程稱為動(dòng)作階段，整個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 隧道內(nèi)駕駛獲取標(biāo)志信息并實(shí)施操作過(guò)程

由圖1 可知，隧道出口與互通最小間距Sn為：

根據(jù)馮玉榮[9]研究，可插入間隙的平均等候時(shí)間tw由式（2）計(jì)算可得：

式中：t 為車輛臨界時(shí)間（s），一般取值為4 s；λ 為單位時(shí)間內(nèi)平均到達(dá)率（輛/s），λ=Q/3 600，Q 為最大服務(wù)交通量（取二級(jí)服務(wù)水平）；τ 為車頭時(shí)距（指連續(xù)兩車通過(guò)車道或道路同一地點(diǎn)的時(shí)間間隔）最小值，一般取1.2 s。將以上數(shù)值帶入式（2），參照相關(guān)交通參數(shù)取值計(jì)算，得到如表1 所示。

表1 車道變換交通參數(shù)取值表

因此，等待間隙插入距離L1為：

在等待可插入間隙出現(xiàn)的時(shí)間內(nèi)，車輛一直以變換車道最低車速Vh勻速行駛，直到車輛可插入，整個(gè)過(guò)程車輛行駛的距離為Vhtw。相鄰車道的車速一般不相同，相對(duì)車速為ΔV，調(diào)整時(shí)間t2為Vhtw/ΔV。根據(jù)相關(guān)研究成果，Vh為設(shè)計(jì)速度V 的0.76 倍。因此，判斷可插入間隙時(shí)間所行駛的距離L2為：

車輛在可變換車道時(shí)，駕駛員通過(guò)不斷調(diào)整車速進(jìn)行變道直到變道成功，這段距離為變換車道調(diào)整距離L3，根據(jù)研究表明該段距離所需時(shí)間t3取2.5 s計(jì)算出L3為：

車輛在駕駛員對(duì)方向盤(pán)的操縱下慢慢橫移，需要一定的時(shí)間t4。根據(jù)研究結(jié)果表明，橫移的速度一般為1 m/s，高速公路道路寬度為3.75 m，橫移時(shí)間為道路寬度與橫移速度的比值，則t4為3.75 s，因此，變換車道橫移的距離L4為：

到達(dá)互通出口前的安全距離L5，車輛從外側(cè)車道到達(dá)互通匝道需要駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行操作，使得車輛能夠順利進(jìn)入互通匝道口，安全距離視具體情況而定，一般情況下安全距離取100 m，即：

我國(guó)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2—2014）指出，隧道內(nèi)同向車道分界線在出口端應(yīng)向洞外延伸100 m，則

1.2 交通標(biāo)志在隧道外

交通標(biāo)志位于隧道外的駕駛獲取標(biāo)志信息和實(shí)施操作的過(guò)程和標(biāo)志在隧道內(nèi)的過(guò)程一致，也分為感知、判斷準(zhǔn)備和動(dòng)作三個(gè)階段，如圖2 駕駛員在F點(diǎn)發(fā)現(xiàn)交通標(biāo)志，經(jīng)過(guò)始讀點(diǎn)R、讀完點(diǎn)G 完成感知階段，進(jìn)入判斷準(zhǔn)備階段，直至最后動(dòng)作階段的完成。

圖2 隧道外駕駛獲取標(biāo)志信息并實(shí)施操作過(guò)程

根據(jù)駕駛員獲取標(biāo)志信息并實(shí)施操作的整個(gè)過(guò)程梳理，要保證駕駛員讀完交通標(biāo)志信息時(shí)交通標(biāo)志并未消失，標(biāo)志在隧道內(nèi)時(shí)，見(jiàn)圖2，必須保證b＞c；標(biāo)志在隧道外時(shí)，必須保證a＞m。交通標(biāo)志在隧道外有別于隧道內(nèi)，交通標(biāo)志處于隧道內(nèi)時(shí)，駕駛員在隧道內(nèi)已經(jīng)對(duì)交通標(biāo)志進(jìn)行了發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、認(rèn)讀、和理解，在隧道出口處與互通立交的小間距離主要考慮的因素主要包括車輛出隧道后駕駛員眼睛適應(yīng)光變化的適應(yīng)距離、內(nèi)側(cè)車道換道距離以及隧道標(biāo)志線的距離。相較于隧道內(nèi)，交通標(biāo)志在隧道外時(shí)還需考慮交通標(biāo)志的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、認(rèn)讀、理解過(guò)程，相對(duì)復(fù)雜。由圖2 可得，隧道出口到動(dòng)作結(jié)束點(diǎn)p 的距離Sw：

式中：S1為出口駕駛員光環(huán)境適應(yīng)距離，S2為發(fā)現(xiàn)點(diǎn)F 到動(dòng)作點(diǎn)E 的距離，S3的取值將在下一節(jié)內(nèi)容詳細(xì)闡述，S3的取值與標(biāo)志在隧道內(nèi)的相同，S2的取值引用相關(guān)文獻(xiàn)模型，S2為：

式中：V 為運(yùn)行速度（km/h）；tf為標(biāo)志視認(rèn)反應(yīng)時(shí)間（s）；H 為標(biāo)志與小客車駕駛員視線的高差（m），一般取1.2 m；B 為駕駛員眼睛可視點(diǎn)至單懸臂的指路標(biāo)志中間距離（m）；θ 為駕駛員眼睛視野的界限角度（°），相關(guān)研究表明視軸移動(dòng)5°為最佳，本文θ 取值5°。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要針對(duì)在隧道出口段的眼動(dòng)特性進(jìn)行研究，擬通過(guò)眼動(dòng)試驗(yàn)采集隧道中駕駛員的眼動(dòng)特性參數(shù)，該眼動(dòng)儀眼動(dòng)追蹤技術(shù)提供60 Hz 雙眼追蹤技術(shù)，可對(duì)駕駛員的眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行深化分析。使用時(shí)與電腦相連，操作者可采集駕駛員的屬性、執(zhí)行校準(zhǔn)、觀測(cè)實(shí)時(shí)注視軌跡并實(shí)時(shí)標(biāo)注受試者的行為，獲取隧道出口段駕駛員眼動(dòng)的變化規(guī)律，得到駕駛員出口明適應(yīng)適應(yīng)時(shí)間。駕駛員駕車分別對(duì)白馬隧道、大灣隧道、黃草嶺隧道、武隆隧道開(kāi)展眼動(dòng)特性試驗(yàn)，利用眼動(dòng)儀的眼球追蹤技術(shù)，實(shí)時(shí)跟蹤和采集駕駛員的眼動(dòng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)選取3 名駕駛員，駕駛員年齡分別為25、27、28歲，其矯正視力均在5.0 以上，駕駛員在隧道內(nèi)駕車保證車速在80 km/h 左右。每條隧道進(jìn)行兩次試驗(yàn)，分別分路面左側(cè)和右側(cè)試驗(yàn)。由于山區(qū)高速地形地貌會(huì)對(duì)光環(huán)境造成影響，駕駛員經(jīng)過(guò)隧道出口明適應(yīng)后瞳孔直徑穩(wěn)定值不同。因此，本文選取瞳孔直徑變化比率作為駕駛員在隧道出口路段光環(huán)境適應(yīng)情況的表征參數(shù)。選取試驗(yàn)隧道出口前后10 s 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，橫軸為時(shí)間軸，以隧道出口的時(shí)間點(diǎn)為零點(diǎn)，縱軸為瞳孔直徑變化比率。駕駛員瞳孔直徑變化比率變化正常范圍為±5%，而對(duì)于長(zhǎng)隧道路段，隧道洞內(nèi)的瞳孔直徑變化比率較大，出口（時(shí)間軸0 s 的點(diǎn)）后呈減小趨勢(shì)。三個(gè)駕駛員隨時(shí)間的瞳孔直徑變化比率圖以及選定點(diǎn)，見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 駕駛員1 不同隧道出口瞳孔直徑變化比率圖

圖4 駕駛員2 不同隧道出口瞳孔直徑變化比率圖

圖5 駕駛員3 不同隧道出口瞳孔直徑變化比率圖

由圖3～圖5 可知，駕駛員在隧道內(nèi)即將出洞時(shí)，瞳孔直徑變化比率波動(dòng)幅度增大，出隧道后瞳孔直徑變化比率在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了恢復(fù)，波動(dòng)隨之穩(wěn)定?，F(xiàn)將各條隧道試驗(yàn)所得的24 次有效明適應(yīng)時(shí)間點(diǎn)匯總，見(jiàn)表2。

由表2 可知，隧道出口明適應(yīng)時(shí)間主要集中在1～2.5 s內(nèi)，得到本試驗(yàn)隧道出口的明適應(yīng)時(shí)間均值為1.782 s。國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道出口明適應(yīng)的相關(guān)研究表明，駕駛員的明適應(yīng)距離一般按照3 s 行程計(jì)算，與本試驗(yàn)的結(jié)果相符，取值偏于安全。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮隧道出口相關(guān)安全問(wèn)題，本試驗(yàn)研究明適應(yīng)距離按照3 s 行程取值。

表2 隧道出口明適應(yīng)時(shí)間表

3 隧道出口互通最小間距

3.1 交通標(biāo)志在隧道內(nèi)

交通指路標(biāo)志位于隧道內(nèi)時(shí)，隧道出口與互通最小間距為：

其中洞口明適應(yīng)距離d 為2 s 行程，由于Sn行程較短，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將隧道出口互通路段視為勻速運(yùn)動(dòng)，本文試驗(yàn)時(shí)車速為80 km/h，計(jì)算時(shí)速度V 取80 km/h。各個(gè)距離計(jì)算見(jiàn)表3。計(jì)算得出交通標(biāo)志在隧道內(nèi)的互通與出口最小間距Sn為370 m。

表3 交通標(biāo)志在隧道內(nèi)各區(qū)段計(jì)算表

3.2 交通標(biāo)志在隧道外

交通指路標(biāo)志位于隧道外時(shí)，考慮駕駛員對(duì)交通標(biāo)志的視認(rèn)情況，駕駛員駛出隧道出口后最不利情況為左行車右出口和右行車左出口，其反應(yīng)時(shí)間均值分別為2.21 s 和2.44 s，考慮室內(nèi)模擬試驗(yàn)和實(shí)際情況的差異性，S2行程計(jì)算時(shí)tf取值3 s，B 取11 m，S3區(qū)段距離與交通標(biāo)志位于隧道內(nèi)相同，車速取80 km/h，具體計(jì)算見(jiàn)表4。計(jì)算得出交通標(biāo)志在隧道內(nèi)的互通與出口最小間距Sw為464 m。

表4 交通標(biāo)志在隧道外各區(qū)段計(jì)算表

綜上所述，交通標(biāo)志在隧道內(nèi)時(shí)，隧道出口與互通最小間距為370 m；標(biāo)志在隧道外時(shí)，最小間距為464 m，考慮實(shí)際路況的復(fù)雜性，隧道出口后駕駛員一般會(huì)提高車輛行駛速度，行程越長(zhǎng)，速度越快。因此，交通標(biāo)志在隧道內(nèi)時(shí)，建議出口與互通最小間距取400 m；標(biāo)志在隧道外時(shí)，最小間距為500 m。

4 結(jié)論

實(shí)際工況中，隧道內(nèi)外的高度差、減光措施的設(shè)置、駕駛員的駕齡及疲勞程度等都會(huì)對(duì)明適應(yīng)時(shí)間有所影響；同時(shí)隧道出口處駕駛員的加速行為等也會(huì)影響互通立交出口的設(shè)置距離。

因此，本文主要通過(guò)分析駕駛員在隧道出口與互通段獲取標(biāo)志信息并實(shí)施操作過(guò)程，重點(diǎn)從駕駛員的視認(rèn)特性的角度出發(fā)，結(jié)合生理心理狀態(tài)，在理想狀態(tài)下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探討出交通標(biāo)志分別位于隧道內(nèi)外時(shí)隧道出口與互通段的最小間距。主要得到以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)以瞳孔直徑變化比率為表征參數(shù)，在隧道出口處，隧道內(nèi)的瞳孔直徑變化比率波動(dòng)幅度大于隧道外，出隧道后瞳孔直徑變化比率在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行恢復(fù)，隨之穩(wěn)定；

（2）隧道出口明適應(yīng)時(shí)間主要集中在1～2.5 s內(nèi)，試驗(yàn)得到隧道出口的明適應(yīng)時(shí)間均值為1.782 s。

（3）當(dāng)交通指路標(biāo)志在隧道內(nèi)時(shí)，最小間距為370 m；標(biāo)志在隧道外時(shí)，最小間距為464 m?？紤]隧道出口后車速的提高和行程，交通標(biāo)志在隧道內(nèi)時(shí)，建議出口與互通最小間距取400 m；標(biāo)志在隧道外時(shí)，最小間距為500 m。