高速公路隧道入口区域交通工程设施改善对策与应用

2020-05-13梅家林汤振农杜志刚焦方通

隧道建设(中英文) 2020年4期

梅家林，汤振农，杜志刚, *，焦方通

(1. 武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063； 2. 金华市公路管理局，浙江金华 321000)

0 引言

近10年我国公路隧道里程年均增长率高达15%。截至2018年末，全国公路隧道已达17 738处、1 723.61万m[1]。近5年我国隧道路段交通事故每年平均发生接近500起，隧道死亡率为0.48人/起，是同期全部事故死亡率的1.6倍[2]。张生瑞等[3]研究得出高速公路隧道交通事故更易出现在隧道出入口区段。因此，针对高速公路隧道出入口区域进行专门研究具有重要意义。

目前国内学者对隧道出入口光环境、事故形态、事故成因等进行了深入研究。杜志刚等[4]提出公路隧道视觉环境单一，视觉参照信息较少。马骉等[5]研究指出隧道进出口段因其结构形式的特殊性以及易受到外部环境的影响，更易发生交通事故。胡顺峰[6]研究指出追尾和撞隧道壁的次数达到隧道群总事故的75%以上，隧道群出入口的明暗适应和车辆运行速度过快是导致碰撞事故多发的主要原因。张生瑞等[7]研究指出隧道入口段大、小型车速度分布不均匀, 且车速变化较大，是发生追尾的主要原因。樊兆董[8]研究指出隧道交通工程设施设置不合理是酿成各类型交通事故的重要因素。

同时，国内外学者也针对交通安全措施进行了研究。Mante等[9]通过分析多国隧道事故类型和成因，提出预防碰撞的措施。Blaser等[10]通过日光产生的亮度和照度已知经验关系以及平均相对日照时间分布，确定了隧道照明装置中所需的亮度水平。Gil-Martín等[11]提出在遮光棚中引入扩散材料来改善隧道遮光棚的日照均匀性，进而提高隧道入口处视觉效果。Parise等[12-13]提出用平均电源功率密度来分析隧道照明功率与照明亮度关系的方法。张伟刚等[14]提出一种基于模糊控制的高速公路隧道照明节能系统。但目前我国隧道运营照明存在普遍的“高配低用”现象，尤其在中西部地区，因此，急需研究低成本改善隧道运营安全的方法。黄婷等[15]研究得出环形块立面标记比矩形块立面标记更能改善隧道入口洞门的视认性。陶盼盼等[16]研究指出在隧道入口段设置横向减速标线或红色警示路面会对车辆行驶状态和行车舒适性有显著性影响。王乾等[17]提出利用藤蔓构成洞外生态减光结构。杜志刚等[18]研究表明视线诱导系统能够低成本优化公路隧道光环境。这些通过设置交通工程设施以低成本改善隧道入口环境的方法，为隧道实际工程应用带来了新的改善思路。

虽然国内外学者对于单项交通工程设施设置研究已经取得不少成果，但隧道入口区域交通工程设施设置研究系统化仍显不足，难以保障公路隧道入口的交通安全与运营效率。2019年3月我国发布了《公路隧道提质升级行动技术指南》(简称《指南》)[19]，重点对公路隧道的交通工程设施提质升级提出了改善方法，但是仍然存在针对性不足、系统化差的问题。本文提出高速公路隧道入口交通工程设施设置基本原则，重点针对目前隧道入口区域存在的典型问题提出相应的改善对策，为高速公路隧道入口交通工程设施的合理设置提供依据，并对《指南》内容进行补充。

1 交通工程设施设置原则

1.1 空间路权原则

路权是指交通参与者根据交通法规的规定，一定空间和时间内在道路上进行道路交通活动的权利。空间路权可分为横向路权、竖向路权和纵向路权，如图1和图2所示。横向路权可以提供清楚的车道信息，防止车辆轨迹偏移过大，避免与周边障碍物发生碰撞。竖向路权可以提供隧道轮廓信息，防止碰上洞门和侧壁。纵向路权可以提供前进方向连续一致的视觉参照信息，保证隧道内外视觉过渡平稳。公路隧道空间路权设置原则如表1所示。

图1 横向路权和竖向路权

图2 纵向路权

分类要求横向路权路侧、路中存在安全净区,车道分界线、车道边线明确竖向路权洞顶及侧壁轮廓清晰纵向路权前进方向路权连续一致

1.2 驾驶人因原则

研究发现，驾驶人在行驶过程中有90%以上的交通信息是通过视觉获得的，80%以上道路交通事故的发生都与驾驶人及其驾驶特性直接相关，通常是因为驾驶人发生感知、判断或操作差错造成的[20]。针对驾驶人因原则，可以分为视距、视区和视错觉。在驾驶员进入隧道过程中，会因为视距缩短、视区变窄、视觉参照物变少，难以注意前方车辆和周边障碍物，容易发生速度错觉、距离错觉、方向错觉，引发不良操作行为，导致交通事故发生。公路隧道驾驶人因设置原则如表2所示。

表2 公路隧道驾驶人因设置原则

1.3 驾驶任务原则

驾驶任务是指驾驶员从出发点沿途行驶直至目的地的过程中，有车辆控制、保持车距、选择路径等任务。驾驶员在行驶时，会通过视觉、听觉等感性认知，将前方各种信息传入大脑中，然后据此调整其驾驶行为完成各项驾驶任务。

若隧道内视觉信息不足或信息过载，驾驶员就无法依据信息及时做出正确的驾驶决策。因此，需要优化隧道内行车环境以减轻驾驶任务，保障驾驶员能顺利完成行驶路径(避免车道偏离)、控制车速(避免超速、疲劳分心驾驶)、保持车距(避免跟车过近)等驾驶任务。公路隧道驾驶任务设置原则如表3所示。

表3 公路隧道驾驶任务设置原则

2 高速公路隧道入口区域典型问题及对策

2.1 可变信息板设置

2.1.1 典型问题

可变信息板对于提前向驾驶员发布预警信息有极大帮助。《指南》未明确规定公路隧道入口前需设置可变信息板。部分高速公路隧道虽有设置，但存在一些问题：

1)可变信息板尺寸过小、视认距离短(如图3(a)所示)，并多为路侧单悬臂结构，容易被大型车辆遮挡。可变信息板离隧道入口洞门过近，给驾驶员预留的反应时间不足。

2)可变信息板信息内容不合理，包括一些公益性广告、宣传口号等，并非隧道交通管理所急需。

2.1.2 改善对策

1)可变信息板一般设在离洞门超过200 m(根据《公路工程技术标准》[21]，在100 km/h速度下，货车停车视距为180 m，出于安全考虑取200 m)的距离，推荐采用如图3(b)所示门架式结构的可变信息板，字体较大，且不被其他交通标志和车辆遮挡，可视距离应超过500 m。

2)可变信息板应保证其能发布可变限速、交通事故、隧道运行状态(封闭、施工)等信息，提前预告隧道内交通信息，减轻驾驶任务。

3)可变信息板适用于高速公路隧道群、长大隧道前设置。

(a) 小字体可变信息板

(b) 门架式可变信息板

2.2 标志信息设置

2.2.1 典型问题

部分隧道入口交通标志缺少，对驾驶人因驾驶任务的考量，可能会造成视认反应时间不足和驾驶任务过载，主要体现在4个方面：

1)标志尺寸小，视认困难。车辆在隧道入口区域超速较普遍，同时隧道入口接近段处设置的交通标志大多按照隧道内限速60～80 km/h设置，标志尺寸过小，导致交通信息尺寸小，不能给驾驶员提供足够的视认反应时间，导致驾驶员视认困难。

2)多个信息组合，缺乏分层。《指南》提出在隧道入口前应设置隧道开灯标志，可以与隧道信息标志合并设置。实际上，隧道入口区域存在大量标志信息合并设置的情况，如图4所示。开灯警告标志和限速标志经常会与其他标志混合设置，没有主次之分，增加了驾驶任务。驾驶员难以及时发现、认读标志，不能及时做出开灯、减速等操作，对交通安全极为不利。

(a)

(b)

3)非急需信息存在，诱发分心驾驶。隧道入口区域的事故多发段提醒标志、保持车距标志、地名标志、限高限宽标志等，与隧道路段驾驶行为相关性较低，并非急需，容易干扰重要信息的视认，并诱发分心驾驶。

4)信息逻辑性差，不符合驾驶习惯。隧道开灯警告标志，往往没有明确开远光灯还是近光灯，也没有明确“先开灯后进隧道”的逻辑关系。同时，信息标志设置离洞口过近，给驾驶员提供的操作反应时间不够。

2.2.2 改善对策

1)按照运营车速设置大尺寸交通标志。通常在隧道入口区域的交通标志可以依据隧道外正常运营车速(高速公路超过100 km/h)设置更大尺寸的标志，提高交通标志的可视性，提升驾驶员的视认反应时间。

2)按照驾驶任务需要将交通标志分级，限速标志>开灯警告标志>禁止超车标志>隧道信息标志，并尽量设置在不同的位置上，同一断面标志数量不宜超过2个。

3)少设非重要交通信息。重要程度较低的事故多发段提醒标志、保持车距警告标志等，建议少设、不设，或者设置在道路的其余路段，减轻隧道入口区域驾驶任务。

4)图文结合，提升标志的遵从度。对于重要隧道，警告标志可采用图形与文字结合的方式，如采用“先开灯后进隧”的辅助文字，明确开灯和进入隧道的先后逻辑顺序，提醒车辆提前打开车灯，以满足我国交通安全法对机动车行车的要求(我国交通安全法提到机动车在夜间没有路灯、照明不良或者遇有雾、雨、雪、沙尘、冰雹等低能见度情况下行驶时，应当开启前照灯、示廓灯和后位灯，但同方向行驶的后车与前车近距离行驶时，不得使用远光灯[22])。驾驶员在夜间隧道入口前应开远光灯或近光灯行驶。因此，建议在高速公路自由流条件下开远光灯，低等级公路隧道双向行驶时开近光灯。同时，建议对隧道开灯警示标志、限速标志、禁止变道超车标志采用右侧低位设置，并采取竖向条形设置，使其不容易侵入道路建筑界限，并且设置更大的辅助性标志字体，便于驾驶员识认，如图5所示。

(a) 隧道开灯警告标志

(b) 禁止变道超车标志

5)《指南》提到隧道入口前应设置隧道开灯警告标志，限速标志宜设置在隧道入口前100～200 m处。但标志牌与洞门的距离和标志牌之间的距离需要考虑驾驶任务原则，以减轻驾驶负荷，优化隧道入口区域的驾驶信息诱导。针对驾驶员进入隧道的过程进行驾驶任务分析：了解前方隧道基本运营情况，是否有交通事件(可变信息板)—明确限速值，对车辆进行减速(限速标志，或与可变信息板同一断面设置)—打开车灯(隧道开灯警告标志)—保持车道(禁止变道超车标志)—了解隧道名称及长度(隧道信息标志)—进入隧道，如图6所示。

图6 基于驾驶任务的隧道入口标志布局图

2.3 视线诱导设施设置

2.3.1 典型问题

目前很多隧道工程的视线诱导设施的种类、组合布设方案、设施色彩及间距等均存在较大的差异，且隧道入口区域视线诱导信息不连续，主要分为以下3个方面：

1)《指南》对于洞门立面标记仅要求高度不小于2.5 m，但对于其材质并无要求，导致长期运营条件下隧道洞门轮廓显著性差，驾驶员难以看清隧道洞门轮廓。

2)隧道入口处内外视觉环境突变。驾驶员进入隧道时，空间、亮度、参照物剧烈过渡，驾驶员很难及时调整车辆的速度和位置，进而超速或偏离车道。同时，《指南》提出隧道入口护栏与隧道检修道内侧搭接，也会导致隧道洞口视线诱导过渡突然，加剧这一现象的发生。

3)诱导信息设置间距不合理。《指南》提到在特长隧道、长隧道以及无照明的二级及二级以下公路隧道，隧道反光轮廓带按不小于100 m间距设置，但是在限速60～80 km/h的高速公路隧道路段，并不能起到控制车辆间距的作用。《中华人民共和国道路交通安全法实施条例》[22]要求，机动车在高速公路上行驶车速低于100 km/h时，最小距离不得少于50 m。驾驶员若在不小于100 m设置间距的反光轮廓带的环境下，难以凭借周边参照物来保持与前后车不少于50 m的车距。

2.3.2 改善对策

1)洞门设置环形立面标记，提高隧道入口轮廓可视性。建议在洞门设置环形立面标记，需要延伸到洞顶，以明确隧道洞门竖向路权、横向路权。洞门立面标记采用铝背基Ⅳ类反光膜，确保耐久性与可视性，确保在识别视距(约300 m)之外能够看到。

2)设置中频警示型线形诱导标，提升速度感。可以在隧道入口区域设置一些中频信息，如在隧道入口前识别视距(约300 m)范围设置黄黑相间警示型线形诱导标，设置间距为1～2 s行程(25 m/道或50 m/道)，可以对隧道内的反光轮廓带、洞门等参照起到很好的过渡作用，同时压缩视区，有利于驾驶员提前适应隧道内的环境，并起到保持车距的作用。

3)采用高频柔性警示柱，提高隧道入口视觉过渡的连续性。可以在入口两侧护栏与道路边线之间设置高密度柔性警示柱，采用荧光黄绿反光膜，设置范围由隧道外3 s行程到隧道内3 s行程，其高度不小于130 cm，高于护栏和小车的高度，确保不被小型车辆遮挡，且能遮住护栏，保证较远识别视距范围内的可视性。采用荧光黄绿色，能确保在黄昏和黎明时段光环境较差的情况下的高逆反射系数。隧道入口区域的柔性警示柱，能保障隧道入口区域的线形诱导的连续性、一致性，避免护栏对驾驶员产生不良诱导。同时，在柔性警示柱开始路段需设置多个防撞桶，避免车辆从车道边线与护栏之间插入行驶，减少车辆撞上洞门的可能性。

4)缩短隧道反光轮廓带间距，提高空间感和距离感。隧道内部限速一般为60～80 km/h，车距应大于50 m，因此，隧道入口区域反光轮廓带间距可取50 m，便于驾驶员参考反光轮廓带间距，判断与前车的距离。

针对以上高速公路隧道入口区域视线诱导问题，主要通过完善相应视线诱导设施进行改善，其改善对策整理如表4所示，改善后的隧道入口透视图如图7所示。

表4 高速公路隧道入口区域视线诱导设施设置改善对策

图7 高速公路隧道入口视线诱导设施设置透视图

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

3 高速公路隧道入口区域交通工程设施改善效果评价

基于路权、驾驶人因和驾驶任务原则，结合《指南》现行要求，对高速公路隧道入口区域交通工程设施改善效果进行评价，整理如表5所示。

表5 高速公路隧道入口区域交通工程设施改善效果评价

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

评价原则改善前(现行)改善后空间路权道路中心线、边线磨损会导致道路轮廓不清,路权不清晰、不明确; 洞门轮廓显著性差,视认距离短设置突起路标、洞门立面标记、柔性警示柱、防撞桶等视线诱导设施,提升道路及洞门轮廓感,明确横向路权和纵向路权驾驶人因标志尺寸小,可视距离短; 隧道内外视觉环境突变,参照物少,容易产生视错觉增大标志尺寸,增设洞门大尺度环形立面标记,加密隧道内大尺度反光轮廓带,提高信息标志视认性; 通过警示型线形诱导标压缩视区,让驾驶员提前适应隧道内的环境;通过多频信息组合,减少视错觉驾驶任务过多标志集中,干扰信息多,感知反应时间不足,驾驶负荷高保留必需标志,精简非必需标志,基于驾驶任务确定标志设置排序,符合驾驶预期