基于运行速度的城市隧道出口与地面道路平交口理想衔接距离研究

刘计顺, 陈海军, 张聚文

(中铁隧道勘察设计研究院有限公司, 广东 广州 511458)

0 引言

随着我国城市化进程的快速推进,发展用地节约化、效率快速化、空间景观化的交通方式逐渐成为城市建设者的首选,城市隧道在下穿江河湖海等重要建(构)筑物时具有独特的优势。城市隧道可使隧道进出口2点之间的交通与地面形成立交模式,消除慢行交通、极端天气等不利条件影响,使区间交通流快捷化,减少道路的占用时间。

在实现隧道交通快捷化的同时,将交通压力集中至隧道进出口附近的地面道路平交口位置,近道路平交口城市隧道与地面道路的衔接也随之成为城市道路交通亟须解决的问题,城市隧道出口距离地面道路平交口的合理距离及隧道进出口与地面道路的衔接措施直接关系到整个城市路网的交通通行效率及交通安全。针对城市隧道出口与下游平交口合理距离的研究多集中在对建成隧道出口处的数据统计归纳,交通优化措施的研究多集中在隧道运营过程中问题的解决[1-3]。由于城市隧道项目存在差异性,目前的研究成果对项目建设前相关技术参数的指导不充分,同时城市隧道实施过程中某些情况下简单地套用相关规范指标也是不合理的[4]。因此,项目前期基于项目差异性针对城市隧道出口与地面道路平交口的理想距离进行研究十分必要,在指导规划、设计的同时也有利于辩证地理解规范要求,尽量将问题解决在建成前,以便更好地发挥城市隧道的快捷作用。

本文依托衢州荷一路过江隧道工程,从交通安全角度出发,采用运行速度并结合驾驶员角度分别建立隧道出口距地面道路平交口安全距离计算模型,采用信号交叉车辆排队长度SIANAL94模型建立隧道出口距地面道路平交口衔接理想距离计算模型,通过以上2种隧道出口距地面道路平交口距离的计算,在项目设计阶段对技术参数、交通优化措施提供指导,使隧道出口与地面道路平交口衔接距离与隧道埋深、最大纵坡等限制因素达到平衡,以期为城市隧道出口衔接的规划、设计、管理提供参考。

1 工程概况

荷一路过江隧道工程位于衢州市中心城常山港和江山港汇流处,距上游现状双港大桥约1.1 km、下游现状衢江大桥约0.7 km。本隧道是连接衢州中心区组团与西区组团的城市次干路,设计速度50 km/h,主线为双向4车道。工程西接双岭南路,由西北方向至东南方向下穿常山港支汊、严家淤岛、衢江后,东接荷一路,线路全长2.163 km,隧道进出口接线道路与九华中大道、新元路2条城市主干路平交。隧道采用矿山法、围堰明挖、明挖法多工法施工,隧道段总长1 869.1 m。其中,矿山法段长383.8 m,明挖暗埋段长1 095.3 m,围堰明挖段长111.5 m,敞口段长278.5 m。隧道各洞口设置长约30 m、局部为镂空遮阳棚建筑,以达到光线过渡消除“黑洞效应”的目的。本隧道进出口处各方向特征年交通量预测见表1。隧道出口处平交口各方向交通流均比较均衡,隧道出口与地面道路衔接设计应考虑车道均衡布设,交叉口转向交通量分配如图1所示。

表1 特征年交通量预测结果

图1 特征年项目区域交叉口转向交通量分配图(单位: pcu/d)

受本隧道建设条件影响,经综合比选,采用明挖、常山港支汊围堰明挖、过江段矿山暗挖法施工,而两岸接线道路平交口距离堤岸仅400～500 m,接线条件受隧道过江段埋深、最大纵坡等因素影响较大。因此,如何平衡隧道最小埋深与隧道出口至地面道路平交口距离,提高隧道出口与地面道路交通衔接效率成为本隧道设计的主要难点之一。

2 隧道出口距地面道路平交口距离

2.1 隧道出口安全距离

将驾驶员由隧道驶出、发现平交口交通状况采取紧急制动措施在平交口前停车的这段距离定义为隧道出口距地面道路平交口安全距离S安。从驾驶员角度考虑,S安主要由隧道光线明适应距离和停车距离组成。车辆行驶具有较强的跟驰性、连续性[5]。若前车采取制动措施,后车也会同时采取制动措施,因此为简化计算模型,S安暂不考虑平交口前车辆排队长度。

2.1.1 隧道光线明适应距离

将驾驶员由隧道封闭段暗环境至隧道外明环境的适应距离定义为隧道光线明适应距离S适。影响隧道光线明适应距离的主要因素有驾驶员出洞行驶速度及大脑视觉适应时长。

2.1.1.1 计算车速取值

我国道路工程采用的设计速度又称为计算行车速度,是指当气候条件良好、交通密度小、汽车运行只受道路本身条件等影响时,具有中等驾驶技术的驾驶员保持安全顺适行驶的最大行驶速度,相关规范以其作为基础参数,也作为设计行业的最低设计标准规定值。在道路实际运营过程中,不同车辆驾驶员由于获取外界信息存在差异、车辆状况不同等原因造成实际行驶速度的差异,通常情况下选取测定速度累计分布曲线第85百分位对应速度值作为运行速度[6-8]。国外研究表明,当计算行车速度在80 km/h以下时,运行速度一般比设计速度高10 km/h,国内研究观测结果也基本证实了这一点[9],因此,本文拟选取运行速度v85作为计算车速。为验证项目所在地驾驶习惯是否满足相关研究结论的运行速度要求,以及本项目选取运行速度v85作为计算车速的合理性、有效性及一致性,选择项目所在地水亭门隧道进行隧道出口处行驶速度进行实际观测分析,共采集有效数据1 428 个,以差值5 km/h为速度区间分别绘制车速频率分布及车速累计频率分布图,如图2和图3所示。

图2 车速频率分布图

图3 车速累计频率分布图

由观测结果可以看出,隧道出口运行速度大多比设计速度(40 km/h)稍高,其中第85百分位对应运行速度v85=48.6 km/h,基本与国外研究成果相符。

因此,设计过程中计算车速取值选取第85百分位对应运行速度与实际更接近、更安全,本项目选取运行车速60 km/h(设计车速50 km/h)作为线形参数控制指标的计算车速。

2.1.1.2 隧道光线明适应时长

驾驶员在驾驶过程中80%左右的信息通过视觉系统获取[1],而视觉系统输入窗口主要是瞳孔,通过隧道进出口时的明暗光线变化会让驾驶员瞳孔面积发生改变,产生视觉震荡现象,这种现象普遍存在且影响驾驶安全[2]。视觉震荡是指: 通过隧道进出口时,由于剧烈的光线变化,导致驾驶员瞳孔面积急剧变化而超出视觉适应能力,瞳孔难以准确聚焦使视网膜无法清晰成像,产生瞬间盲期的现象[2]。在此,本文以换算视觉震荡时长为基础,同时参考国内相关现场实测数据进行修正,计取隧道出口光线明适应时长。

为评估驾驶员行驶过程中因明暗光线变化产生视觉震荡的承受能力,以视觉舒适度作为评价指标,具体如表2所示。

表2 隧道进出口视觉舒适度评价指标[2]

驾驶员进出隧道洞口时,当换算视觉震荡持续时长大于1 s,会感觉很不舒适,产生较大的视觉震荡现象,这对驾驶员信息感知能力造成较大影响,严重影响交通安全。根据实测研究表明[2],白天驾驶员进出隧道换算视觉震荡持续时长普遍较长,隧道进口换算视觉震荡持续时长基本小于等于1.5 s,隧道出口换算视觉震荡持续时长基本小于等于1.2 s。视觉震荡时长是从驾驶员安全角度满足光线过渡的最小时长,实际驾驶过程中还会伴随心理及其他生理的调整。国内多位学者通过对高速公路隧道现场的实测数据研究表明,驾驶员隧道出口的光线明适应时长都小于2.0 s[10-11]。

因此,以换算视觉震荡时长为基础,对实测数据进行修正后,本文取驾驶员视觉适应时长为2.0 s。

2.1.1.3 隧道光线明适应距离计算

根据以上分析,隧道光线明适应距离S适主要由运行速度与光线明适应时长计算得到。即

S适=v85×tc。

(1)

式中:v85为运行速度;tc为隧道光线明适应时长,根据2.1.1.2节论述,取2.0 s。

2.1.2 停车视距

停车视距是指同一车道上车辆行驶时遇到前方障碍物而采取制动停车所需的最短行车距离。其影响因素主要有反应时长、制动时长及行驶速度。

停车视距的计算同样选用运行速度v85作为计算速度,停车视距由反应距离、制动距离及安全距离计算得到[12],即

Ss=Sr+Sb+Sa。

(2)

式中:Ss为停车视距,m;Sr为反应距离,m;Sb为制动距离,m;Sa为安全距离,m。

(3)

式中:t为反应时长,取1.2 s;βs为安全因数,取1.2;μs为路面摩擦因数,取0.4;i为道路纵坡,上坡为“+”,下坡为“-”,平交口附近最大纵坡一般不大于2.5%[12]。

2.1.3 隧道出口安全距离计算

根据以上分析,隧道出口安全距离

S安=S适+Ss。

(4)

由式(1)—(4)计算得到不同运行速度下隧道出口安全距离S安如表3所示。由表可知,由隧道洞门位置运行速度计算所得的隧道出口安全距离基本为停车视距的1.5倍。

由隧道光线适应距离和停车视距计算所得的隧道出口安全距离适用于无敞口段构造的城市隧道。对于有敞口段构造的城市下穿隧道,一般都会设置挡光棚等洞门建构筑物,隧道光线适应过程会在洞门附近完成,隧道安全距离从接地点位置开始算起。因此,安全前提下,极限条件下的隧道出口与地面道路平交口距离应分为2种: 1)对于无敞口段构造的城市隧道,出口与平交口距离不应小于1.5倍停车视距; 2)对于有敞口段构造的城市隧道,可放宽至1倍停车视距。

表3 隧道出口安全距离S安计算表

2.2 隧道出口距地面道路平交口理想距离

隧道出口安全距离是保证交通安全的最低要求,而实际驾驶过程中会伴随着识别驾驶方向、转换车道、减速排队等多个过程。因此,将驾驶员由隧道驶出、在平交口前根据交通组织状况较为从容地完成光线明适应、识别驾驶方向、转换车道、减速排队等过程的行驶距离定义为隧道出口距离地面道路平交口理想距离S理。

2.2.1 行驶方向反应距离

驾驶员驶出洞口后发现标志牌并识别完成,即将作出变道反应的行驶距离定义为行驶方向反应距离Sf。对于有敞口段构造的城市下穿隧道,理想的状态是: 驾驶员驶出洞口完成光线明适应后,行驶方向标志牌即刻出现在驾驶员视线范围内,并在驶达接地点前完成识别,为变道做好准备。交叉口指路标志牌与隧道接地点理想距离计算模型如图4所示。为保证驾驶员驶出洞口完成光线明适应过程后即刻发现标志牌,交叉口指路标志牌与隧道接地点理想距离L计算过程如式(5)—(12)所示。

H3=H1/cosi。

(5)

式中:H3为驾驶员视线在接地点距地面高度,m;H1为驾驶员视线高度,m,取1.2 m[13]; 设计速度为50 km/h情况下城市地下道路最大纵坡i为6%,本计算取6%。

(6)

Sf=L1+L2。

(7)

式(6)—(7)中:L1为驾驶员距离隧道路面的水平距离,m;L2为驾驶员水平方向与隧道路基交点距离接地点水平距离,m。

L1=H1/sini。

(8)

图4 交叉口指路标志牌与隧道接地点理想距离计算模型

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

驾驶员水平方向与隧道路基交点距离接地点垂直距离

Sfsini-H1。

(9)

(10)

(11)

式(10)—(11)中α1为隧道敞口段纵坡方向与驾驶员视角范围下边缘线夹角,(°)。

L=Hb/tanα2=Hb/tan(i-α1)。

(12)

式中:Hb为交叉口指路标志牌距路面净高,m;α2为驾驶员视角范围下边缘线与接线道路夹角,(°)。

为简化计算,将计算模型作以下假设:

1) 不考虑接线道路与水平方向夹角,本项目接线道路纵坡为-0.3%情况下水平夹角仅为0.17°;

2) 不考虑接地点纵坡竖曲线;

3) 洞门位置结构埋深按照1 m考虑,根据本项目隧道设计情况隧道限界高度取4.5 m,限界距结构顶部净高取0.8 m,结构厚度取0.8 m,按此情况下隧道洞门距接地点水平距离为118.3 m;

4)设计速度为50 km/h的情况下城市地下道路最大纵坡为6%,本计算按最不利工况取纵坡6%;

5)标志牌净高按照5 m考虑[14]。

根据上节内容,驾驶员驶出洞门后光线明适应距离

S适=v85×tc。

(13)

式中tc根据2.1.1节论述,取2.0 s。

结合简化情况,由式(7)—(12)可得在不同运行速度下交叉口指路标志牌与隧道接地点理想距离,计算结果如表4所示。

表4 交叉口指路标志牌与隧道接地点理想距离计算表

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

设计速度v/(km/h)运行速度v85/(km/h)隧道光线明适应时长tc/s行驶方向反应距离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

根据表4计算结果,可得出如下结论:

1)根据相关研究[4,15],一般情况下驾驶员完成标志牌识别过程的时长约为2.5 s;对于有敞口段的城市隧道,理想状态下驾驶员驶出洞口完成光线明适应后,Sf应大于标志牌识别距离2.5 s ×v85,即驾驶员应在行驶至隧道接地点前完成识别行驶方向,为进入平交口选择合适的行车道做准备。

2)隧道出口车道数量增多是在接地点以后,从交通组织效率考虑,交叉口指示方向标志牌距离隧道接地点应小于等于L,可使驾驶员提早发现和准备。

2.2.2 车道转换距离

选择“圆形运行轨迹换道模型”[15]作为本文计算模型(见图5),将车辆换掉行驶轨迹简化为连续反向圆曲线轨迹。将车辆完成车道转变的完整过程中的行驶距离定义为车道转换距离Sy,计算过程如式(14)—(17)所示。

(14)

式中:R为曲线行车轨迹半径,m;μ为横向力系数,取0.15[12];ih为横断面横坡,取±2%[12]。

图5 圆形运行轨迹换道模型

(15)

式中: 圆弧切线长度X为行车轨迹偏移量,m;α为圆弧对应角度。

圆弧加线长度

(16)

车道转换距离

式中:R1、R2分别为行驶轨迹简化的第1个和第2个圆曲线半径,m;α1、α2分别为行驶轨迹简化的第1个和第2个圆弧对应角度;T1、T2分别为行驶轨迹简化的第1个和第2个圆弧切线长度,m。

由式(14)、(15)、(17)可得不同运行速度下车道转换距离,如表5所示。

表5 车道转换距离计算表

2.2.3 车辆排队长度

目前常用的平交口车道车辆排队长度计算模型有SYNCHRO3、SIANAL94等,根据研究表明SIANAL94计算模型与实测数据匹配性最高[16],因此本文选用SIANAL94计算模型计算单左转车道情况下的车辆排队长度。计算过程如式(18)—(21)所示。

(18)

qn=υ/3 600。

(19)

式(18)—(19)中:n为第n个信号灯周期;Qn为排队车辆数;qn为车辆到达率;tn为第n个信号灯周期内红灯时长,参考隧道周边路况,暂取120 s;υ为设计小时交通流量,pcu/h;F为平交口服务水平。

υ=A×K。

(20)

式中:A为预测年度年平均单向日交通量,ved/d,本项目最大左转日交通量为883 ved/d;K为设计小时交通流量系数,为选定时位的小时交通量与年平均日交通量比值,取16%[17]。

左转车道车辆排队长度

Ls=QnLi。

(21)

式中Li为单位车辆排队占用长度,m,由于本隧道禁止通行货车,服务对象主要为小汽车,因此小车长度取1.5倍7.6 m[18]。

由于饱和周期车辆排队长度涉及参数较多,而且本项目为新建项目,尚不清楚平交口服务水平情况。根据调研隧道出入口周边过江隧道平交口服务水平情况,排队车辆基本可在1个红绿灯周期驶出,因此现阶段暂不考虑过饱和周期车辆排队情况。结合式(18)—(21),非饱和周期情况下单左转车道排队车辆数为9.4,按10辆算,车辆排队长度为76 m。

2.3 隧道出口距地面道路平交口距离的确定

根据以上分析,基于驾驶员角度的运行速度,隧道出口距离地面道路平交口的理想距离分为2种情况。

1)针对无敞口段构造的城市隧道,隧道出口距离地面道路平交口的理想距离

S理=S适+Sf+Sy+max[Ls,Sb]。

(22)

2)针对有敞口段结构的城市隧道,驾驶员可在敞口段完成光线明适应、标志识别过程,隧道出口距离地面道路平交口的理想距离是指隧道接地点距离地面道路平交口的理想距离,计算公式为:

S理=Sy+max[Ls,Sb]。

(23)

本项目作为过江隧道,驾驶员可在敞口段完成光线明适应、标志识别过程,驾驶员在到达隧道接地点后仅需完成变道、减速排队过程即可。隧道接地点距地面道路平交口的理想距离应按照情况2)中的式(23)计算,根据交通量预测情况,计算在仅有1条左转车道情况下隧道接地点距地面道路平交口的理想距离为156 m,基本上达到2.5倍停车视距。但是本项目受过江段埋深、最大纵坡等限制,接地点距平交口距离达到理想距离有困难,需采取其他措施。

3 接线优化措施

从设计角度可进行以下接线优化措施:

1)在隧道大于3.5%的纵坡下坡段,在隧道洞口前设置4道横向减速标线及限速50 km/h的标记; 在平面曲线段设置纵向减速标线;在隧道洞内增设电子LED限速标志; 在隧道洞口设置测速设施完善交警执法。通过以上措施对驾驶员进行多维度多批次提醒,控制行车速度不超过设计速度50 km/h。

2)增加左转车道数量,减少车辆排队长度。根据道路红线宽度情况优化车道布置,设置2个左转车道,隧道出口车道形成“2左转+2直行+1右转车道”布局,优化后设置2个左转车道,车辆排队长度可由76 m减小至38 m。车道数优化前后示意如图6所示。

3)合理调整行车轨迹偏移量,减少车道转换距离。将平交口进口车道宽度调整为3 m,调整后车辆变化2个车道的轨迹偏移量减小为5.5 m,由式(14)、(15)、(17)可得车道转换距离为53.8 m。行车轨迹偏移量优化前及优化后示意如图7所示。

(a) 优化前

(b) 优化后

(a) 行车轨迹偏移量优化前

(b) 行车轨迹偏移量优化后

4)合理设置平交口指引标志,交叉口指示方向标志牌距离隧道接地点小于等于理想距离,保证驾驶员在隧道敞开段即刻发现识别标志牌,以提前准备变道。交叉口指示方向标志牌布置如图8所示。

5)利用交通护栏将隧道出口衔接车道与地面道路辅道隔离,以消除辅道交通对隧道出口交通干扰,并采用灯控方式对各方向交通进行组织管理。

通过以上措施,本项目接地点距地面道路平交口理想距离可优化至92 m,即驾驶员在平交口前根据交通组织状况可较为从容地完成光线明适应、识别驾驶方向、转换车道、减速排队等过程。本项目取100 m作为隧道接地点距地面道路平交口的最小设计指标。

4 结论与讨论

本文基于驾驶员角度从运行速度出发讨论了隧道出口距地面道路平交口的安全距离和隧道出口距地面道路平交口的理想距离,可得出如下结论:

1)《城市地下道路工程设计规范》规定的地下道路接地点与下游地面道路平交口的距离基本与隧道出口距地面道路平交口的安全距离一致,规范规定值仅为满足交通安全情况下的最小要求。但对于无敞口段构造的城市隧道,隧道出口距地面道路平交口距离是以洞门位置算起,驾驶员出隧道后需完成光线明适应、情况识别、停车等过程,困难情况下隧道出口距灯控平交口距离不能按照规范最小值1倍停车视距,不应小于1.5倍停车视距。

2)条件允许时,应以隧道出口距地面道路平交口的理想距离作为设计控制指标,且应考虑项目各向交通流量情况,满足各行驶方向的车辆排队长度需求。

3)以大于设计速度的运行速度作为控制指标对交通安全更为有利,项目设计时应尽量采用。

虽然受限于新建项目,尚不清楚平交口服务水平情况,且考虑饱和周期状态下滞留车辆因素较为困难,但多数情况下排队车辆基本可在一个红绿灯周期驶出。本文基于驾驶员角度从运行速度出发建立的隧道出口距地面道路平交口安全距离和隧道出口距地面道路平交口理想距离计算模型可帮助广大规划、设计人员更好地理解相关规范规定,指导项目设计合理基于项目实际情况选取技术参数,尽量在建设前期解决问题,避免在城市隧道建成后造成拥堵,更好实现城市隧道的交通快捷化功能。

在本文讨论及项目设计过程中,产生了一些思考,例如隧道出口车道数量的增加势必会增加平交口人行道横通道的通行时长,红灯时间延长会影响平交口车辆通行效率。在愈加凸显“以人为本”交通设计理念的今天,将人行过街需求和平交口车行需求相结合以求达到交通组织高效率的研究基本缺失,将平交口过街人行数量预测与车流交通预测统筹考虑,并建立平交口交通评价模型来指导设计,这是广大工程科技人员亟须努力的方向。