隧道至互通立交小净距路段安全分流距离计算及仿真研究

肖文兴

摘要 文章以珠三角地区某长隧道出口与互通立交分流匝道之间的净距为依托，分析了运营期间小净距路段存在的通行效率与安全问题，构建了基于换道理论的最小净距组成内容，计算了最小间距的一般值和极限值。总结了小净距路段出口专用车道方案、隧道内增设提示标志方案及直行定向车道方案三种不同交通组织方案的优缺点，并逐级增加出口交通量进行交通仿真分析。

关键词 隧道；互通立交；小净距；换道理论；安全分流方案；交通仿真

中图分类号 U453.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0022-03

0 引言

随着我国高速公路路网日益加密，新建道路通过互通立交接入已建高速的情况屡见不鲜，当隧道出口附近存在较大交通源需要接入时，很可能导致高速公路隧道和互通之间净距减少。过小的净距往往会对主线交通流产生明显干扰，可能诱发交通事故或拥堵[1]。

隧道为封闭的特殊结构，其运行环境、识别效应和高速公路基本路段差异较大，隧道出口至相邻互通立交出口之间需要完成明适应、标志识别、变换车道等典型过程，当二者之间的净距无法满足正常设置出口标志而形成小净距路段时，就需要针对该路段的交通运行特点进行交通组织，以解决小净距带来的安全隐患。

1 隧道出口至互通立交小净距问题

1.1 现状线形和交通条件

珠三角地区某高速公路主线为双向六车道，路基宽33.5 m，设计速度120 km/h，路线穿越山区时设置有全长约1.2 km的长隧道，隧道出口毗邻当地一处产业园区，为重要的交通源。为保持该产业园区接入主线的交通需求，设置有一座单喇叭互通，目前尚未开通运营。隧道出口至互通出口之间的净距为600 m，为典型的小净距路段。

1.2 小净距路段交通运行的安全问题

车辆出隧道后的净距显然不满足相关规范中完整设置2 km、1 km、500 m出口预告标志的要求。受隧道运行环境的限制和车辆分流运行特点的影响，当净距过小时，很容易出现安全问题，诱发交通事故。如分流影响区车辆换道产生交织，冲突加剧；出隧道加速和分流减速导致行驶速度变化大，有追尾风险；分流交通量大时造成延误加大，甚至会由连续流变成间断流，不符合驾驶员的期望等。对隧道与互通出口之间的最小净距加以控制，实际上就是要确保位于最不利车道上的车辆在正常交通条件下也能从容分流进入互通出口。

2 基于换道理论的最小净距计算

2.1 换道模型的构建

关于车辆在高速公路上的驾驶行为国内外学者进行了多方位的研究，建立了各种影响因素的模型，其中易于理解，应用较为广泛的是车道变换理论。根据车道变换理论，出隧道后车辆最小净距一般包含四个典型过程：明适应距离，出口标志识别反应距离，寻找相邻车道车辆间隙及变换车道距离，最后是最外侧车道至互通出口的确认距离[2]。每一段运行过程均可按照相关理论进行计算，最后得出相应设计速度下推荐的最小净距，最小净距计算模型如图1所示。

2.2 明适应距离

从有利于安全的角度，研究隧道与互通立交净距时，驾驶人的明适应时间取值为3 s。可得到驾驶人明适应距离D0的计算结果，如表1所示。

2.3 标志反应距离

视觉是驾驶员获取道路信息的主要途径，驾驶人对前方标志的反应距离包括识别、读取和决策等阶段所需要的距离。通常情况下，交通标志在驾驶员视线内作用时间至少要达到1.5～2.5 s才能清楚辨认相关信息并做出相应决策。

计算得到标志反应距离D1，如表2所示。

2.4 寻找可插入间隙距离

寻找可插入间隙的行为本质是寻求相邻车道车辆之间有足够的间距，也就是某一横断面上相邻车辆达到的时间满足相关变道行为要求。交通流理论表明，可以通过车头时距的分布特点来表征。根据相关研究成果，高速公路车辆的车头时距服从负指数分布，且可以进一步用位移负指数分布曲线来进行描述[3]。

计算得到可插入间隙的距离D2，如表3所示。

2.5 变换车道距离

驾驶员决定利用相邻车道间隙后随即开始偏离原车道，以匀减速和一定角度驶入目標车道。

计算得到寻找可插入间隙及调整车位距离D3，如表4所示。

2.6 确认距离

确认距离指车辆驶入外侧车道后，在自由流状态下确认出口匝道的安全距离，其值按3 s行程计。计算出隧道后明适应距离D4，如表5所示。

2.7 最小净距的一般值和极限值

考虑驾驶员是否识别标志及车辆从不同初始位置换道一、二、三次后再分流驶出时，最小净距一般值和极限值长度D5，如表6所示[4]。

3 安全分流方案比选

3.1 出口专用车道方案

出口专用车道方案是在进隧道前2 km就开始指示分流车辆进入互通立交出口专用车道，出隧道后至互通立交出口的车辆无需再换道，完成明适应和确认距离后即可从定向车道从容驶出，现状600 m净距完全满足，直行车流运行过程无相邻车道车流换道干扰。

但隧道本身通行能力就不如基本路段，直行车道3变2后通行能力压缩严重，很可能在隧道内形成拥堵，而互通立交连接的产业园区作为一个重大的交通源，分流交通量增加后也容易造成单车道专用道通行能力不足，与收费站一同形成交通瓶颈，整体运行效果如同封闭一条车道施工。

经计算，当设计速度为120 km/h时，三车道高速公路隧道出口至互通立交分流渐变段起点600 m的净距难以满足车辆从最内侧车道连续换道两次时极限最小净距的要求。因此，除对互通立交出口进行提前预告，使车辆出隧道前就完成出口标志的识别反应过程，明适应结束后即开始寻找可插入间隙进行换道准备之外，还应对基本路段进入之前、隧道路段及出隧道后净距路段采取合理的限速措施，使现状净距能与车辆实际运行速度匹配。

根据分流车辆换道时需要利用相邻外侧车道的可插入间隙，同时考虑实际驾驶行为在出隧道后会加速行驶两方面因素。按100 km/h实际行驶速度下换道一次需要净距364 m，现状600 m的净距可以提供较大的宽容度，受大货车遮挡的影响也较小。为了减少交通量增加后对车辆分流造成的影响，应进一步优化组织交通，出隧道后减少分流车辆的换道次数。

因此，隧道出口至互通立交小净距路段安全分流出口专用车道方案的总体思路主要从速度管理与控制、提前预告和减少换道次数三个方面来进行。

3.2 隧道内增设提示标志方案

隧道内增设提示标志方案的交通运行特点符合驾驶员期望，对沿线交安设施改动较小，不需要提前引导驾驶员变道，需要优化的只是将出口标志识别的时间提前在隧道内或进隧道前完成。出隧道后的内侧车道利用600 m净距进行2次变道驶入互通立交出口。经分析研究，这600 m净距之所以能安全驶出是建立在标准运行条件下的，当后期交通量和大型车比例增加后对运营环境的影响较大。因为交通量增加会导致车头时距减少，大型车比例增加也会使正常换道视线受大货车的遮挡，这些不利因素都需要更长的换道距离，容易导致来不及分流，进而诱发交通事故。

3.3 直行定向车道方案

设置主线最内侧车道为直行定向车道，需要分流的车辆尽量在进隧道前根据指示靠中间和外侧车道行驶。互通立交出口车辆在净距范围最多经过一次换道操作即可实现分流，上述计算可知标准运行状况下换道一次需要净距364 m即可，现状600 m的净距可以提供较大的宽容度，受大货车遮挡的影响小，基本路段三条车道均可以得到较好的使用。

随着交通量增加，后期出现无法正常变道及服务水平下降至四级时，最大服务交通量也更大，由换道引起的交通冲突相比隧道内增设提示标志方案也有较大缓解。但出口交通量增加较多时可能会对外侧两车道的直行车辆造成一定的延误。

4 交通仿真

按净距路段调查交通量换算可知断面交通量2 112 pcu/h，预计互通立交开通后初始分流交通量245 pcu/h，匝道类型为单出口的单车道匝道，主线运行状况良好。按预计分流交通量及逐级增加交通量的方式进行仿真分析，结论如下。

出口专用车道方案仿真结论：按照互通开通后预测分流交通量249 pcu/h时，主线和匝道均未出现拥堵，换道地点距离隧道入口750 m，距离提示车道标志牌250 m，即前视距离250 m开始换道时，行驶轨迹顺畅。当分流车量达到920 pcu/h时，会出现不及换道导致延误的情况，服务水平降至三级。分流车辆达到1 693 pcu/h时，进入匝道车辆出现停车现象，服务水平降四级。分流车辆达到1 761 pcu/h时，路段服务水平达到五级，出现明显的排队现象。

隧道内增设提示标志方案仿真结论：按照互通开通后预测分流交通量249 pcu/h时，主线和匝道均未出现拥堵，但出现车辆在小净距路段产生交通冲突的现象。分流车辆达到555 pcu/h时会导致车辆出隧道之后无法及时变道。分流车辆达到1 567 pcu/h时，进入匝道车辆出现停车延误现象。分流车辆达到1 636 pcu/h时，进入匝道车辆出现明显的排队现象。

直行定向车道方案仿真结论：按照互通开通后预测分流交通量249 pcu/h时，主线和匝道均未出现拥堵。分流车辆达到920 pcu/h时会导致车辆出隧道之后无法及时变道。分流车辆达到1 649 pcu/h时，进入匝道车辆出现停车延误现象。分流车辆达到1 693 pcu/h时，进入匝道车辆出现排隊现象。

出口专用道方案交通仿真结果如表7所示。

5 结语

该研究为高速公路隧道出口至互通立交小净距条件下的交通组织方式提供了较为完整的研究思路和多种解决方案。其中出口专用车道方案现状净距足够且无换道需求，运行安全。但易造成隧道内通行能力不足和出口交通拥堵，造价最高。隧道内增设提示标志方案造价最小，与驾驶员期望相符，无须提前指示换道，不易产生拥堵。但需要在净距内进行两次换道，对交通量增长适应性不高，安全问题突出。直行定向车道方案对交通量增加的适用性较高，出隧道后仅一次换道需求，安全性较高，但出口交通量增加较多时可能会对外侧两车道的直行车辆造成一定的延误，经交通仿真分析，该方案的综合性能最优。

参考文献

[1]安欣， 孙毅， 李涛， 等. 高速公路隧道出口与互通出口最小净距研究[J]. 公路交通科技， 2021（9）： 132-140.

[2]陈瑾. 高速公路互通式立交出口和入口设置相关技术指标研究[D]. 西安：长安大学， 2017.

[3]王云泽， 潘兵宏， 邵阳. 互通式立交分流选择行为概率模型研究[J]. 公路交通科技， 2014（12）： 104-109.

[4]陈荔， 张驰， 王博， 等. 隧道与互通出口小净距路段换道可靠性研究[J]. 中国公路学报， 2022（9）： 51-65.