高速公路隧道出口与收费站最小间距研究

谢陈峰

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507）



高速公路隧道出口与收费站最小间距研究

谢陈峰

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507）

摘要：对隧道出口与收费站间距方面的研究进行补充和细化，对于建设条件受限情况下的高速公路设计指标的选择具有重要意义。文中针对高速公路隧道出口与收费站距离较近的情况，利用数据分析、仿真技术等方法，从交通安全、运行速度、驾驶员反应时间和车辆操作时间需求等角度，对公路隧道出口与收费站间距值进行定量分析，提出了高速公路隧道出口与收费站的最小间距推荐值。

关键词：交通安全；高速公路；隧道出口；收费站；最小间距

当隧道出口与收费站间距过小时，车辆驶出隧道后进入收费站前驾驶员需对大量道路信息作出判断，受隧道特殊环境和“白洞”效应的影响，容易使驾驶员产生紧张和急躁情绪，进而导致突然变换车道和急刹车等影响正常行车的驾驶行为，严重时可能会导致交通事故，影响收费站和隧道的正常运营。而现有标准和规范对公路隧道出口与收费站最小间距未作出详细的规定和要求，无法满足公路设计及营运需求，有必要进行补充和细化。

1　隧道出口至收费站驾驶过程分析

由于隧道内不允许变换车道，针对人工半自动收费（Manual Ton Collection，MTC）和电子不停车收费（Electronic Ton Collection，ETC）车辆在隧道出口与收费站之间的运行状况分以下3种情况进行分析：

（1）隧道之前各种车型已完成换道，MTC车辆已换至外侧车道。

（2）隧道之前正常行驶，隧道敞开段设置预告标志，敞开段允许换道。

（3）隧道之前正常行驶，隧道敞开段设置预告标志，敞开段不允许换道。

1.1情况1：隧道之前各种车型已完成换道，MTC

车辆已换至外侧车道

图1　情况1下车辆的运行过程

在隧道之前已完成换道的车辆，在进入隧道后的行驶过程（见图1）主要为：站标志后，各种车型的车辆需决策选择目标收费车道，并为此进行相关驾驶准备。

（3）减速阶段。确认前方收费站后，驾驶员减速通过收费站，其中ETC车辆减速至ETC车道的允许速度，MTC车辆减速至停车。

1.2情况2：隧道之前正常行驶，隧道敞开段设置

预告标志，敞开段允许换道

该情况下车辆的运行过程见图2。

图2　情况2下车辆的运行过程

1.2.1明适应、预告标志视认和决策反应阶段

隧道敞开段的明适应阶段、收费站预告标志视认阶段、决策反应阶段的情况与1.1节相同。

1.2.2调整换道阶段

该阶段主要考虑MTC车辆最不利驾驶情况，即MTC车辆行驶在最内侧车道时需换至最外侧车道才能进行收费。ETC收费车辆只需在该车道进行减速或从最外侧车道换至相邻车道。另外，需假设车辆A在当前车道上的行驶速度不低于目标车道车速。

（1）若tBC（B车和C车保持安全距离对应的时

（1）隧道敞开段的明适应阶段和收费站预告标志视认阶段。

（2）决策反应阶段。当驾驶员视认到前方收费间）、tAC、tAB足够大，如图3所示，当车辆A与目标车道前后车间距都满足时，车辆A一般直接换道，不需要任何等待和减速过程。

图3　换道车辆示意图（tBC、tAC、tAB足够大）

（2）若tBC足够大、tAC小，如图4所示，当车辆A与目标车道的前车间距满足，但与后车的间距不能满足时，有两种可能：1）在交通量较小的情况下，车辆不易受当前车道前车的影响，加速条件满足，车辆A加速使tAC足够，然后汇入目标车道。2）A车减速等待接下来足够的tAX（C车后的一辆或多辆车后的安全距离对应的时间），然后汇入或挤道汇入，此时需计算等待时间。交通量较大时或较保守的驾驶员一般会选择该种方式。

图4　换道车辆示意图（tBC足够大、tAC小）

（3）若tBC足够大、tAB小，如图5所示，当车辆A与目标车道的后车间距满足，但与前车的间距不能满足时，同样有两种可能：1）车辆A加速超过车辆B，并使tAB足够，但要保证车辆A不受当前车道前车及目标车道车辆B前方车辆的影响。这种选择比较冒险，一般只有在交通量较小时才允许。2）A车减速，调整其与B、C车辆的位置，保证tAC和tAB足够，并汇入到车辆B、C之间。

图5　换道车辆示意图（tBC足够大、tAB小）

（4）若tBC不够，如图6所示，当目标车道的前后两辆车间距不能满足，即车辆A不能汇入车辆B、C之间时，存在两种情况：1）车辆A加速超过车辆B，并使tAB足够，与前述tBC足够大、tAB小时的第1种情形相同。2）A车减速（匀速）等待接下来足够的tAX，然后进行汇入或挤道汇入，此时需计算等待时间。交通量较大时或较保守的驾驶员一般会作该选择。

图6　换道车辆示意图（tBC不够）

综上所述，强制性换道过程中，按匀速或减速等待可接受的汇入间隙寻找可接受间隙。实际运行过程中不同车道存在速度差，调整过程中部分车辆会经过一个微弱的减速过程，尤其是交通量较大时，一般经发动机减速减至合适的换道车速。

1.2.3收费车道确认阶段

该阶段主要是各类型收费车辆确认各自的收费车道。

1.2.4减速阶段

在确认收费车道后，驾驶员减速才能通过收费站，其中ETC车辆减速至ETC车道的允许速度，MTC车辆减速至停车。

1.3情况3：隧道之前正常行驶，隧道敞开段设置

预告标志，敞开段不允许换道

该情况下车辆的运行过程见图7。

图7　情况3下车辆的运行过程

（1）隧道明适应、标志视认阶段。该过程与1.1节相同。

（2）减速阶段。视认到前方收费站预告标志后，车辆提前减速。

（3）隧道后换道阶段。由于隧道敞开段不允许换道，该阶段主要考虑最内侧车道MTC车辆换至最外侧车道的需求距离。

（4）收费车道确认。该阶段主要考虑换道后车辆确认收费车道。

（5）减速阶段。在确认收费车道后，驾驶员减速通过收费站，其中ETC车辆减速至ETC车道的允许速度，MTC车辆减速至停车。

2　参数标定与距离计算

2.1交通量

根据《公路路线设计规范》，高速公路在二级服务水平、不同行驶速度状态下一条车道的设计通行能力见表1。

表1　高速公路一条车道的设计通行能力

考虑到开通初期车流量较小的情况、高速公路的设计通行能力及车辆在收费站开始排队的情形，分别按自由流和设计交通量进行计算。

2.2速度

隧道出口与收费站之间距离较近，运行速度取80或60 km/h进行计算。

2.3隧道出口明适应距离

研究隧道出口与隧道的间距时，驾驶人的明适应时间取3 s进行分析，所需的明适应距离见表2。

表2　不同速度对应的明适应距离

2.4标志判读距离

不同行驶速度下高速公路标志的最小视认距离见表3。

表3　不同速度下高速公路标志的最小视认距离

2.5决策反应距离

决策反应距离按下式计算：

式中：v1为最内侧车道行车速度；t反为驾驶员决策反应时间。

该决策反应为驾驶员看到前方收费车道布置后，判断自身车辆是否有ETC装置，决策下一步的驾驶行为，属于复杂反应过程。参照AASHTO（美国国家高速公路和交通运输协会）的相关要求，取决策反应时间为2.5 s。

2.6调整等待距离

调整等待距离按下式计算：

式中：v1为车道车速；v换为换道车速，一般为0.76v1；a为减速度；t等为等待目标车头间隙所需要的时间，由目标车道的车头时距分布、交通量、可接受车头时距等因素决定。

2.6.1调整过程

当交通量较大、各车道车速差较大时，换道前会经过一个微弱的减速过程，一般经发动机减速减至合适的换道车速，减速度取1 m/s2。当各车道车速差较小时，车辆通过微弱的减速或加速调整自己的位置，调整时间取3 s。

2.6.2车头时距分布

目前较成熟和较有代表性的车头时距分布模型主要有3种。

（1）车流量很低，车辆之间基本上相互独立时，车头时距是随机的，其概率一般服从负指数分布或移位负指数分布：

式中：P（h＞t）为车头时距大于t的概率；Q为交通流平均小时流量；t为所选定的时间间隔。

（2）车流量很大，接近于通行能力时，车头时距值基本上认为是恒定的，t=3 600/Q。

（3）交通流量介于上述两种情况之间，部分车辆独立行驶，另外一些车辆相互影响，车头时距分布模型符合K阶Erlang分布模型：

式中：λ为来车强度，λ=1/M；K=M2/D；M、D分别为采集的车头时距的均值和方差。

最小的可接受的车头时距称为临界间隙，记为t0。当车头时距小于t0时，车辆不能合流进入目标车道；当车头时距大于t0时，目标车辆可合流进入目标车道。由车头时距的分布可计算主线的任一车头时距h大于t0的概率P为：

拒绝概率P0为：

根据现场实地观测数据和相关研究成果，针对高速公路的情况，主线3条车道服从二阶（K=2）Erlang分布，即：

拒绝汇入的概率为：

经过对大量调查数据的处理分析，交织段2条车道车头时距在合流区鼻前为移位负指数分布。移位负指数分布能较好地反映高速公路分流区断面车头时距的分布规律，其表达式为：

式中：Δt为最小车头时距。

交织段2条车道拒绝汇入的概率为：

2.6.3可接受车头时距

根据相关研究成果，两连续车辆间的可接受车头时距一般取4 s。

2.7车道转移距离

车道转移距离按下式计算：

式中：t转为车辆横移时间。

车辆横移速度J=1 m/s，高速公路车道宽度为3.75 m，所以一般取横移时间t转为3.75 s。

2.8收费车道确认距离

收费车道确认距离按下式计算：

式中：v交为收费车道的车速。

收费车道确认距离是指所有车速在确定安全时的停车距离。借鉴AASHTO的相关规定，反应时间取2.5 s。

2.9减速距离

减速距离按下式计算：

借鉴AASHTO的推荐值，减速度取2 m/s2。

3　计算结果

综上所述，分别对3种情况下隧道出口与收费站最小间距进行分析计算，得到隧道出口与收费站最小间距推荐值（见表4）。

表4　隧道出口与收费站最小间距推荐值

4　结语

该文从高速公路建设特征和工程实际出发，利用数据分析和仿真技术，从交通安全、运行速度、通行能力、驾驶员反应时间和车辆操作时间需求等角度，对隧道洞口与互通出口最小间距进行分析，综合考虑定量分析结果和相关研究成果，提出了运行速度80、60 km/h下自由流和达到设计交通量条件下的最小间距要求。

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中图分类号：U491.2

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0038-04

收稿日期：2015-11-28