基于運行速度的城市隧道出口與地面道路平交口理想銜接距離研究

劉計順, 陳海軍, 張聚文

(中鐵隧道勘察設計研究院有限公司, 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著我國城市化進程的快速推進,發展用地節約化、效率快速化、空間景觀化的交通方式逐漸成為城市建設者的首選,城市隧道在下穿江河湖海等重要建(構)筑物時具有獨特的優勢。城市隧道可使隧道進出口2點之間的交通與地面形成立交模式,消除慢行交通、極端天氣等不利條件影響,使區間交通流快捷化,減少道路的占用時間。

在實現隧道交通快捷化的同時,將交通壓力集中至隧道進出口附近的地面道路平交口位置,近道路平交口城市隧道與地面道路的銜接也隨之成為城市道路交通亟須解決的問題,城市隧道出口距離地面道路平交口的合理距離及隧道進出口與地面道路的銜接措施直接關系到整個城市路網的交通通行效率及交通安全。針對城市隧道出口與下游平交口合理距離的研究多集中在對建成隧道出口處的數據統計歸納,交通優化措施的研究多集中在隧道運營過程中問題的解決[1-3]。由于城市隧道項目存在差異性,目前的研究成果對項目建設前相關技術參數的指導不充分,同時城市隧道實施過程中某些情況下簡單地套用相關規范指標也是不合理的[4]。因此,項目前期基于項目差異性針對城市隧道出口與地面道路平交口的理想距離進行研究十分必要,在指導規劃、設計的同時也有利于辯證地理解規范要求,盡量將問題解決在建成前,以便更好地發揮城市隧道的快捷作用。

本文依托衢州荷一路過江隧道工程,從交通安全角度出發,采用運行速度并結合駕駛員角度分別建立隧道出口距地面道路平交口安全距離計算模型,采用信號交叉車輛排隊長度SIANAL94模型建立隧道出口距地面道路平交口銜接理想距離計算模型,通過以上2種隧道出口距地面道路平交口距離的計算,在項目設計階段對技術參數、交通優化措施提供指導,使隧道出口與地面道路平交口銜接距離與隧道埋深、最大縱坡等限制因素達到平衡,以期為城市隧道出口銜接的規劃、設計、管理提供參考。

1 工程概況

荷一路過江隧道工程位于衢州市中心城常山港和江山港匯流處,距上游現狀雙港大橋約1.1 km、下游現狀衢江大橋約0.7 km。本隧道是連接衢州中心區組團與西區組團的城市次干路,設計速度50 km/h,主線為雙向4車道。工程西接雙嶺南路,由西北方向至東南方向下穿常山港支汊、嚴家淤島、衢江后,東接荷一路,線路全長2.163 km,隧道進出口接線道路與九華中大道、新元路2條城市主干路平交。隧道采用礦山法、圍堰明挖、明挖法多工法施工,隧道段總長1 869.1 m。其中,礦山法段長383.8 m,明挖暗埋段長1 095.3 m,圍堰明挖段長111.5 m,敞口段長278.5 m。隧道各洞口設置長約30 m、局部為鏤空遮陽棚建筑,以達到光線過渡消除“黑洞效應”的目的。本隧道進出口處各方向特征年交通量預測見表1。隧道出口處平交口各方向交通流均比較均衡,隧道出口與地面道路銜接設計應考慮車道均衡布設,交叉口轉向交通量分配如圖1所示。

表1 特征年交通量預測結果

圖1 特征年項目區域交叉口轉向交通量分配圖(單位: pcu/d)

受本隧道建設條件影響,經綜合比選,采用明挖、常山港支汊圍堰明挖、過江段礦山暗挖法施工,而兩岸接線道路平交口距離堤岸僅400～500 m,接線條件受隧道過江段埋深、最大縱坡等因素影響較大。因此,如何平衡隧道最小埋深與隧道出口至地面道路平交口距離,提高隧道出口與地面道路交通銜接效率成為本隧道設計的主要難點之一。

2 隧道出口距地面道路平交口距離

2.1 隧道出口安全距離

將駕駛員由隧道駛出、發現平交口交通狀況采取緊急制動措施在平交口前停車的這段距離定義為隧道出口距地面道路平交口安全距離S安。從駕駛員角度考慮,S安主要由隧道光線明適應距離和停車距離組成。車輛行駛具有較強的跟馳性、連續性[5]。若前車采取制動措施,后車也會同時采取制動措施,因此為簡化計算模型,S安暫不考慮平交口前車輛排隊長度。

2.1.1 隧道光線明適應距離

將駕駛員由隧道封閉段暗環境至隧道外明環境的適應距離定義為隧道光線明適應距離S適。影響隧道光線明適應距離的主要因素有駕駛員出洞行駛速度及大腦視覺適應時長。

2.1.1.1 計算車速取值

我國道路工程采用的設計速度又稱為計算行車速度,是指當氣候條件良好、交通密度小、汽車運行只受道路本身條件等影響時,具有中等駕駛技術的駕駛員保持安全順適行駛的最大行駛速度,相關規范以其作為基礎參數,也作為設計行業的最低設計標準規定值。在道路實際運營過程中,不同車輛駕駛員由于獲取外界信息存在差異、車輛狀況不同等原因造成實際行駛速度的差異,通常情況下選取測定速度累計分布曲線第85百分位對應速度值作為運行速度[6-8]。國外研究表明,當計算行車速度在80 km/h以下時,運行速度一般比設計速度高10 km/h,國內研究觀測結果也基本證實了這一點[9],因此,本文擬選取運行速度v85作為計算車速。為驗證項目所在地駕駛習慣是否滿足相關研究結論的運行速度要求,以及本項目選取運行速度v85作為計算車速的合理性、有效性及一致性,選擇項目所在地水亭門隧道進行隧道出口處行駛速度進行實際觀測分析,共采集有效數據1 428 個,以差值5 km/h為速度區間分別繪制車速頻率分布及車速累計頻率分布圖,如圖2和圖3所示。

圖2 車速頻率分布圖

圖3 車速累計頻率分布圖

由觀測結果可以看出,隧道出口運行速度大多比設計速度(40 km/h)稍高,其中第85百分位對應運行速度v85=48.6 km/h,基本與國外研究成果相符。

因此,設計過程中計算車速取值選取第85百分位對應運行速度與實際更接近、更安全,本項目選取運行車速60 km/h(設計車速50 km/h)作為線形參數控制指標的計算車速。

2.1.1.2 隧道光線明適應時長

駕駛員在駕駛過程中80%左右的信息通過視覺系統獲取[1],而視覺系統輸入窗口主要是瞳孔,通過隧道進出口時的明暗光線變化會讓駕駛員瞳孔面積發生改變,產生視覺震蕩現象,這種現象普遍存在且影響駕駛安全[2]。視覺震蕩是指: 通過隧道進出口時,由于劇烈的光線變化,導致駕駛員瞳孔面積急劇變化而超出視覺適應能力,瞳孔難以準確聚焦使視網膜無法清晰成像,產生瞬間盲期的現象[2]。在此,本文以換算視覺震蕩時長為基礎,同時參考國內相關現場實測數據進行修正,計取隧道出口光線明適應時長。

為評估駕駛員行駛過程中因明暗光線變化產生視覺震蕩的承受能力,以視覺舒適度作為評價指標,具體如表2所示。

表2 隧道進出口視覺舒適度評價指標[2]

駕駛員進出隧道洞口時,當換算視覺震蕩持續時長大于1 s,會感覺很不舒適,產生較大的視覺震蕩現象,這對駕駛員信息感知能力造成較大影響,嚴重影響交通安全。根據實測研究表明[2],白天駕駛員進出隧道換算視覺震蕩持續時長普遍較長,隧道進口換算視覺震蕩持續時長基本小于等于1.5 s,隧道出口換算視覺震蕩持續時長基本小于等于1.2 s。視覺震蕩時長是從駕駛員安全角度滿足光線過渡的最小時長,實際駕駛過程中還會伴隨心理及其他生理的調整。國內多位學者通過對高速公路隧道現場的實測數據研究表明,駕駛員隧道出口的光線明適應時長都小于2.0 s[10-11]。

因此,以換算視覺震蕩時長為基礎,對實測數據進行修正后,本文取駕駛員視覺適應時長為2.0 s。

2.1.1.3 隧道光線明適應距離計算

根據以上分析,隧道光線明適應距離S適主要由運行速度與光線明適應時長計算得到。即

S適=v85×tc。

(1)

式中:v85為運行速度;tc為隧道光線明適應時長,根據2.1.1.2節論述,取2.0 s。

2.1.2 停車視距

停車視距是指同一車道上車輛行駛時遇到前方障礙物而采取制動停車所需的最短行車距離。其影響因素主要有反應時長、制動時長及行駛速度。

停車視距的計算同樣選用運行速度v85作為計算速度,停車視距由反應距離、制動距離及安全距離計算得到[12],即

Ss=Sr+Sb+Sa。

(2)

式中:Ss為停車視距,m;Sr為反應距離,m;Sb為制動距離,m;Sa為安全距離,m。

(3)

式中:t為反應時長,取1.2 s;βs為安全因數,取1.2;μs為路面摩擦因數,取0.4;i為道路縱坡,上坡為“+”,下坡為“-”,平交口附近最大縱坡一般不大于2.5%[12]。

2.1.3 隧道出口安全距離計算

根據以上分析,隧道出口安全距離

S安=S適+Ss。

(4)

由式(1)—(4)計算得到不同運行速度下隧道出口安全距離S安如表3所示。由表可知,由隧道洞門位置運行速度計算所得的隧道出口安全距離基本為停車視距的1.5倍。

由隧道光線適應距離和停車視距計算所得的隧道出口安全距離適用于無敞口段構造的城市隧道。對于有敞口段構造的城市下穿隧道,一般都會設置擋光棚等洞門建構筑物,隧道光線適應過程會在洞門附近完成,隧道安全距離從接地點位置開始算起。因此,安全前提下,極限條件下的隧道出口與地面道路平交口距離應分為2種: 1)對于無敞口段構造的城市隧道,出口與平交口距離不應小于1.5倍停車視距; 2)對于有敞口段構造的城市隧道,可放寬至1倍停車視距。

表3 隧道出口安全距離S安計算表

2.2 隧道出口距地面道路平交口理想距離

隧道出口安全距離是保證交通安全的最低要求,而實際駕駛過程中會伴隨著識別駕駛方向、轉換車道、減速排隊等多個過程。因此,將駕駛員由隧道駛出、在平交口前根據交通組織狀況較為從容地完成光線明適應、識別駕駛方向、轉換車道、減速排隊等過程的行駛距離定義為隧道出口距離地面道路平交口理想距離S理。

2.2.1 行駛方向反應距離

駕駛員駛出洞口后發現標志牌并識別完成,即將作出變道反應的行駛距離定義為行駛方向反應距離Sf。對于有敞口段構造的城市下穿隧道,理想的狀態是: 駕駛員駛出洞口完成光線明適應后,行駛方向標志牌即刻出現在駕駛員視線范圍內,并在駛達接地點前完成識別,為變道做好準備。交叉口指路標志牌與隧道接地點理想距離計算模型如圖4所示。為保證駕駛員駛出洞口完成光線明適應過程后即刻發現標志牌,交叉口指路標志牌與隧道接地點理想距離L計算過程如式(5)—(12)所示。

H3=H1/cosi。

(5)

式中:H3為駕駛員視線在接地點距地面高度,m;H1為駕駛員視線高度,m,取1.2 m[13]; 設計速度為50 km/h情況下城市地下道路最大縱坡i為6%,本計算取6%。

(6)

Sf=L1+L2。

(7)

式(6)—(7)中:L1為駕駛員距離隧道路面的水平距離,m;L2為駕駛員水平方向與隧道路基交點距離接地點水平距離,m。

L1=H1/sini。

(8)

圖4 交叉口指路標志牌與隧道接地點理想距離計算模型

Fig. 4 Calculation model of ideal distance between signboard at road intersection and tunnel-ground connection point

駕駛員水平方向與隧道路基交點距離接地點垂直距離

Sfsini-H1。

(9)

(10)

(11)

式(10)—(11)中α1為隧道敞口段縱坡方向與駕駛員視角范圍下邊緣線夾角,(°)。

L=Hb/tanα2=Hb/tan(i-α1)。

(12)

式中:Hb為交叉口指路標志牌距路面凈高,m;α2為駕駛員視角范圍下邊緣線與接線道路夾角,(°)。

為簡化計算,將計算模型作以下假設:

1) 不考慮接線道路與水平方向夾角,本項目接線道路縱坡為-0.3%情況下水平夾角僅為0.17°;

2) 不考慮接地點縱坡豎曲線;

3) 洞門位置結構埋深按照1 m考慮,根據本項目隧道設計情況隧道限界高度取4.5 m,限界距結構頂部凈高取0.8 m,結構厚度取0.8 m,按此情況下隧道洞門距接地點水平距離為118.3 m;

4)設計速度為50 km/h的情況下城市地下道路最大縱坡為6%,本計算按最不利工況取縱坡6%;

5)標志牌凈高按照5 m考慮[14]。

根據上節內容,駕駛員駛出洞門后光線明適應距離

S適=v85×tc。

(13)

式中tc根據2.1.1節論述,取2.0 s。

結合簡化情況,由式(7)—(12)可得在不同運行速度下交叉口指路標志牌與隧道接地點理想距離,計算結果如表4所示。

表4 交叉口指路標志牌與隧道接地點理想距離計算表

Table 4 Calculation results of ideal distance between intersection signboard and the tunnel-ground connection point

設計速度v/(km/h)運行速度v85/(km/h)隧道光線明適應時長tc/s行駛方向反應距離Sf/m2.5 s×v85H2/mL/m3040296.0827.784.55105.274050290.5234.724.22107.005060284.9741.673.89109.026070279.4148.613.56111.427080273.8655.563.22114.32

根據表4計算結果,可得出如下結論:

1)根據相關研究[4,15],一般情況下駕駛員完成標志牌識別過程的時長約為2.5 s;對于有敞口段的城市隧道,理想狀態下駕駛員駛出洞口完成光線明適應后,Sf應大于標志牌識別距離2.5 s ×v85,即駕駛員應在行駛至隧道接地點前完成識別行駛方向,為進入平交口選擇合適的行車道做準備。

2)隧道出口車道數量增多是在接地點以后,從交通組織效率考慮,交叉口指示方向標志牌距離隧道接地點應小于等于L,可使駕駛員提早發現和準備。

2.2.2 車道轉換距離

選擇“圓形運行軌跡換道模型”[15]作為本文計算模型(見圖5),將車輛換掉行駛軌跡簡化為連續反向圓曲線軌跡。將車輛完成車道轉變的完整過程中的行駛距離定義為車道轉換距離Sy,計算過程如式(14)—(17)所示。

(14)

式中:R為曲線行車軌跡半徑,m;μ為橫向力系數,取0.15[12];ih為橫斷面橫坡,取±2%[12]。

圖5 圓形運行軌跡換道模型

(15)

式中: 圓弧切線長度X為行車軌跡偏移量,m;α為圓弧對應角度。

圓弧加線長度

(16)

車道轉換距離

式中:R1、R2分別為行駛軌跡簡化的第1個和第2個圓曲線半徑,m;α1、α2分別為行駛軌跡簡化的第1個和第2個圓弧對應角度;T1、T2分別為行駛軌跡簡化的第1個和第2個圓弧切線長度,m。

由式(14)、(15)、(17)可得不同運行速度下車道轉換距離,如表5所示。

表5 車道轉換距離計算表

2.2.3 車輛排隊長度

目前常用的平交口車道車輛排隊長度計算模型有SYNCHRO3、SIANAL94等,根據研究表明SIANAL94計算模型與實測數據匹配性最高[16],因此本文選用SIANAL94計算模型計算單左轉車道情況下的車輛排隊長度。計算過程如式(18)—(21)所示。

(18)

qn=υ/3 600。

(19)

式(18)—(19)中:n為第n個信號燈周期;Qn為排隊車輛數;qn為車輛到達率;tn為第n個信號燈周期內紅燈時長,參考隧道周邊路況,暫取120 s;υ為設計小時交通流量,pcu/h;F為平交口服務水平。

υ=A×K。

(20)

式中:A為預測年度年平均單向日交通量,ved/d,本項目最大左轉日交通量為883 ved/d;K為設計小時交通流量系數,為選定時位的小時交通量與年平均日交通量比值,取16%[17]。

左轉車道車輛排隊長度

Ls=QnLi。

(21)

式中Li為單位車輛排隊占用長度,m,由于本隧道禁止通行貨車,服務對象主要為小汽車,因此小車長度取1.5倍7.6 m[18]。

由于飽和周期車輛排隊長度涉及參數較多,而且本項目為新建項目,尚不清楚平交口服務水平情況。根據調研隧道出入口周邊過江隧道平交口服務水平情況,排隊車輛基本可在1個紅綠燈周期駛出,因此現階段暫不考慮過飽和周期車輛排隊情況。結合式(18)—(21),非飽和周期情況下單左轉車道排隊車輛數為9.4,按10輛算,車輛排隊長度為76 m。

2.3 隧道出口距地面道路平交口距離的確定

根據以上分析,基于駕駛員角度的運行速度,隧道出口距離地面道路平交口的理想距離分為2種情況。

1)針對無敞口段構造的城市隧道,隧道出口距離地面道路平交口的理想距離

S理=S適+Sf+Sy+max[Ls,Sb]。

(22)

2)針對有敞口段結構的城市隧道,駕駛員可在敞口段完成光線明適應、標志識別過程,隧道出口距離地面道路平交口的理想距離是指隧道接地點距離地面道路平交口的理想距離,計算公式為:

S理=Sy+max[Ls,Sb]。

(23)

本項目作為過江隧道,駕駛員可在敞口段完成光線明適應、標志識別過程,駕駛員在到達隧道接地點后僅需完成變道、減速排隊過程即可。隧道接地點距地面道路平交口的理想距離應按照情況2)中的式(23)計算,根據交通量預測情況,計算在僅有1條左轉車道情況下隧道接地點距地面道路平交口的理想距離為156 m,基本上達到2.5倍停車視距。但是本項目受過江段埋深、最大縱坡等限制,接地點距平交口距離達到理想距離有困難,需采取其他措施。

3 接線優化措施

從設計角度可進行以下接線優化措施:

1)在隧道大于3.5%的縱坡下坡段,在隧道洞口前設置4道橫向減速標線及限速50 km/h的標記; 在平面曲線段設置縱向減速標線;在隧道洞內增設電子LED限速標志; 在隧道洞口設置測速設施完善交警執法。通過以上措施對駕駛員進行多維度多批次提醒,控制行車速度不超過設計速度50 km/h。

2)增加左轉車道數量,減少車輛排隊長度。根據道路紅線寬度情況優化車道布置,設置2個左轉車道,隧道出口車道形成“2左轉+2直行+1右轉車道”布局,優化后設置2個左轉車道,車輛排隊長度可由76 m減小至38 m。車道數優化前后示意如圖6所示。

3)合理調整行車軌跡偏移量,減少車道轉換距離。將平交口進口車道寬度調整為3 m,調整后車輛變化2個車道的軌跡偏移量減小為5.5 m,由式(14)、(15)、(17)可得車道轉換距離為53.8 m。行車軌跡偏移量優化前及優化后示意如圖7所示。

(a) 優化前

(b) 優化后

(a) 行車軌跡偏移量優化前

(b) 行車軌跡偏移量優化后

4)合理設置平交口指引標志,交叉口指示方向標志牌距離隧道接地點小于等于理想距離,保證駕駛員在隧道敞開段即刻發現識別標志牌,以提前準備變道。交叉口指示方向標志牌布置如圖8所示。

5)利用交通護欄將隧道出口銜接車道與地面道路輔道隔離,以消除輔道交通對隧道出口交通干擾,并采用燈控方式對各方向交通進行組織管理。

通過以上措施,本項目接地點距地面道路平交口理想距離可優化至92 m,即駕駛員在平交口前根據交通組織狀況可較為從容地完成光線明適應、識別駕駛方向、轉換車道、減速排隊等過程。本項目取100 m作為隧道接地點距地面道路平交口的最小設計指標。

4 結論與討論

本文基于駕駛員角度從運行速度出發討論了隧道出口距地面道路平交口的安全距離和隧道出口距地面道路平交口的理想距離,可得出如下結論:

1)《城市地下道路工程設計規范》規定的地下道路接地點與下游地面道路平交口的距離基本與隧道出口距地面道路平交口的安全距離一致,規范規定值僅為滿足交通安全情況下的最小要求。但對于無敞口段構造的城市隧道,隧道出口距地面道路平交口距離是以洞門位置算起,駕駛員出隧道后需完成光線明適應、情況識別、停車等過程,困難情況下隧道出口距燈控平交口距離不能按照規范最小值1倍停車視距,不應小于1.5倍停車視距。

2)條件允許時,應以隧道出口距地面道路平交口的理想距離作為設計控制指標,且應考慮項目各向交通流量情況,滿足各行駛方向的車輛排隊長度需求。

3)以大于設計速度的運行速度作為控制指標對交通安全更為有利,項目設計時應盡量采用。

雖然受限于新建項目,尚不清楚平交口服務水平情況,且考慮飽和周期狀態下滯留車輛因素較為困難,但多數情況下排隊車輛基本可在一個紅綠燈周期駛出。本文基于駕駛員角度從運行速度出發建立的隧道出口距地面道路平交口安全距離和隧道出口距地面道路平交口理想距離計算模型可幫助廣大規劃、設計人員更好地理解相關規范規定,指導項目設計合理基于項目實際情況選取技術參數,盡量在建設前期解決問題,避免在城市隧道建成后造成擁堵,更好實現城市隧道的交通快捷化功能。

在本文討論及項目設計過程中,產生了一些思考,例如隧道出口車道數量的增加勢必會增加平交口人行道橫通道的通行時長,紅燈時間延長會影響平交口車輛通行效率。在愈加凸顯“以人為本”交通設計理念的今天,將人行過街需求和平交口車行需求相結合以求達到交通組織高效率的研究基本缺失,將平交口過街人行數量預測與車流交通預測統籌考慮,并建立平交口交通評價模型來指導設計,這是廣大工程科技人員亟須努力的方向。