劉 卓，賴清明

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.交通運(yùn)輸安全應(yīng)急信息保障技術(shù)及設(shè)備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心(長(zhǎng)沙)，湖南 長(zhǎng)沙 410015；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 概述

運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，受到環(huán)境特殊性影響，隧道路段是運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)較高的路段，而隧道出入口路段則是隧道的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，占道施工作業(yè)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)更高。目前我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)安全作業(yè)規(guī)程[1][2]對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)施工時(shí)的隧道入口交通組織設(shè)施提出了明確規(guī)定，但對(duì)隧道出口路段占道施工作業(yè)缺少要求，這就意味著交通組織單位和安全監(jiān)管單位均缺少安全施工依據(jù)，實(shí)踐中相應(yīng)情形的交通組織隨意性大，風(fēng)險(xiǎn)極高，一旦發(fā)生事故，極易引發(fā)嚴(yán)重交通事故。

目前關(guān)于隧道出入口路段的運(yùn)營(yíng)安全研究較多。如杜志剛[3-4]等首先提出了防止視覺(jué)震蕩持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的隧道進(jìn)出口行車速度值(≤85 km/h)，停車視距應(yīng)比現(xiàn)行規(guī)范增加20～30 m；然后從減少視覺(jué)震蕩不利影響角度，提出了在隧道內(nèi)限速分別為60、80 km/h時(shí)出口交通標(biāo)志至隧道口安全距離。丁光明[5]等采用眼動(dòng)儀采集分析了隧道出口前后200 m范圍的的駕駛?cè)俗⒁晻r(shí)間、注視次數(shù)、掃視幅度指標(biāo)變化規(guī)律。汪鋒[6]分析了隧道與立交之間的交通條件和距離需求。徐曉丹[7]等從駕駛?cè)艘曈X(jué)適應(yīng)的角度提出了城市隧道出口的安全長(zhǎng)度。王婷[8]等提出了通過(guò)改變路側(cè)、路面標(biāo)志標(biāo)線及彩色瀝青逆反射性以改善光環(huán)境、防止隧道出口感知速度過(guò)低的方法。閻瑩[9]等分析了隧道群環(huán)境光照度、隧道縱深與駕駛?cè)送酌娣e的相關(guān)關(guān)系，提出改善隧道群路段環(huán)境光照度的推薦值。章坤鵬[10]從公路景觀綠化設(shè)計(jì)的角度，提出了隧道出入口行道樹(shù)設(shè)置間距和減光段設(shè)置長(zhǎng)度。朱可寧[11]等采用眼動(dòng)儀采集和分析了高速公路特長(zhǎng)隧道出口段駕駛?cè)艘曈X(jué)負(fù)荷變化規(guī)律。歐陽(yáng)江湖[12]等提出了在不同運(yùn)行速度下隧道與主線收費(fèi)站最小凈距的推薦值。

可以看出，已有研究集中在非占道施工條件下的運(yùn)營(yíng)安全研究，缺乏基于安全考量的隧道出口段交通組織研究，考慮到夜間無(wú)“白洞效應(yīng)”不利影響、一般不允許夜間占道作業(yè)等因素，為此，本文將研究探討隧道出口路段日間合理交通組織方法，為作業(yè)指導(dǎo)和安全監(jiān)管實(shí)踐提供指導(dǎo)。

2 隧道出口路段行車特性分析

2.1 隧道出口占道作業(yè)路段行駛過(guò)程分析

與行經(jīng)占道作業(yè)的普通路段不同，駕駛員駛出隧道出口后(見(jiàn)圖1)，將首先經(jīng)歷視覺(jué)震蕩期(時(shí)間記為t0)，之后依次是覺(jué)察占道施工標(biāo)志及大致工況的存在(時(shí)間記為t1)、讀取標(biāo)志信息(時(shí)間記為t2)、判斷決策(時(shí)間記為t3)，然后行駛在前方被占用車道車輛采取變道避讓操作(時(shí)間記為t4)。此外，洞外距離隧道出口100 m范圍為實(shí)線，不允許隨意變換車道。在分析合理的交通組織方式前，除分析行駛過(guò)程外，以下還將分析隧道出口路段車速特性和駕駛員心理特性。

圖1 隧道出口路段信息獲取與避讓操作

2.2 隧道出口路段車速特性測(cè)試分析

在確定各行駛過(guò)程距離時(shí)，車速值是極為關(guān)鍵的參數(shù)。為此，選取湖南省兩處典型隧道——雪峰山隧道和龍馬田隧道(隧道限速值均為80 km/h)進(jìn)行出口路段車速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，試驗(yàn)采用MC5600氣壓管式車輛分型統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，并輔以雷達(dá)測(cè)速儀，主要測(cè)量洞內(nèi)距出洞口66 m(3 s行程)、出洞口、洞外距出洞口(6 s)3處特征斷面運(yùn)行車速，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2。可以看出，無(wú)論平均車速(Vavg)還是85%分位車速(V85)，在隧道出口均經(jīng)歷了一個(gè)先小幅下降又有明顯上升的過(guò)程，V85速度值接近限速值，距洞口6 s行程點(diǎn)V85(分別為81.6、82.7 km/h)已高于限速值，這與駕駛員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間隧道駕駛后急于提速行駛有關(guān)，且隧道越長(zhǎng)，這種加速行為越明顯，因此后續(xù)分析的車速取值不小于隧道限速值。

圖2 隧道出口路段車速實(shí)測(cè)

2.3 駕駛員心理特性調(diào)查分析

為此，在詳細(xì)介紹作業(yè)區(qū)交通組織設(shè)施基礎(chǔ)上，對(duì)15名駕齡超過(guò)3 a、技術(shù)嫻熟、駕駛習(xí)慣良好的專業(yè)駕駛員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，讓其對(duì)占道施工引導(dǎo)標(biāo)志和錐桶設(shè)置重要性進(jìn)行判斷，結(jié)果表明：a.所有駕駛員均認(rèn)為在隧道出口路段將經(jīng)歷一個(gè)視覺(jué)不舒適階段(即視覺(jué)震蕩)，之后會(huì)進(jìn)行標(biāo)志的辨認(rèn)，當(dāng)前方被占道時(shí)，一般會(huì)期望在錐桶壓道開(kāi)始前便完成車道切換。b.所有駕駛員均認(rèn)為車道變少標(biāo)志(見(jiàn)圖3)和錐桶壓縮車道起點(diǎn)(上游過(guò)渡區(qū)起點(diǎn))極為重要，直接關(guān)系到操作行為，會(huì)重點(diǎn)關(guān)注。c.93%的駕駛員認(rèn)為施工標(biāo)志和限速標(biāo)志會(huì)關(guān)注，但一般不會(huì)嚴(yán)格按照施工限速標(biāo)志的限速值行駛，期望車速為正常限速值。因此，本文結(jié)合駕駛員在隧道出口路段的駕駛行為特性，重點(diǎn)分析車道變窄警告標(biāo)志和上游過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)設(shè)置位置，進(jìn)而得出隧道出口路段合理的交通組織方法。

圖3 典型車道數(shù)變少標(biāo)志

3 基于視認(rèn)安全的車道變少標(biāo)志設(shè)置位置分析

不同車速條件下，標(biāo)志必須位于駕駛員的視錐范圍內(nèi)才能被有效辨認(rèn)，為保證視認(rèn)安全，駕駛員需在標(biāo)志消失于正常視野前完成對(duì)標(biāo)志信息的讀取，同時(shí)考慮到隧道出口的視覺(jué)震蕩問(wèn)題，車道變少標(biāo)志距隧道出口的距離S1(m)需滿足如下條件：

(1)

式中：V為車輛行駛速度,km/h;t0為白洞效應(yīng)導(dǎo)致的視覺(jué)震蕩時(shí)間,s，按文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果取0.85 s，按我國(guó)2014年版公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，適應(yīng)時(shí)間為1～3 s，綜合考慮，取1.0 s；t1為發(fā)現(xiàn)與覺(jué)察標(biāo)志時(shí)間,s，取0.4 s；t2為讀取標(biāo)志內(nèi)容的時(shí)間，s，取2.0 s；Ldis為駕駛員視野內(nèi)標(biāo)志剛消失時(shí)(即消失點(diǎn))車輛距標(biāo)志的距離,m，按下列公式計(jì)算：

(2)

其中，hsign為標(biāo)志中心點(diǎn)距地面高度,m，取標(biāo)志下緣凈空+1/2標(biāo)志高，車道變少標(biāo)志下緣凈空一般約2.5 m，高1.5 m，因此取3.25 m;hdriver為駕駛員視高,m，相對(duì)于大型車，小型車對(duì)前方的視認(rèn)更加困難，因此按規(guī)范取小型車視高1.2 m；Δs為標(biāo)志中心點(diǎn)距駕駛員視點(diǎn)的側(cè)向距離,m，與道路橫斷面及標(biāo)志設(shè)置在中分帶還是設(shè)置在路側(cè)等因素有關(guān)，出于安全考慮，取車輛位于超車道、標(biāo)志位于路側(cè)情形(內(nèi)側(cè)車道車速更高、且標(biāo)志消失距離更大)進(jìn)行分析，取3/2車道寬(單向兩車道)或5/2車道寬(單向三車道)+硬路肩寬+1/2標(biāo)志寬；α0為標(biāo)志縱向消失在視野范圍內(nèi)時(shí)視線與道路中心線夾角在道路縱斷面的投影角度(°)，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，取值不大于8°;β0為標(biāo)志側(cè)向消失在視野范圍內(nèi)時(shí)視線與道路中心線夾角在道路平面上的投影角度(°)，取值不大于15°。

綜合式(1)、式(2)可得出：

根據(jù)式(3)，得出的最小S1值見(jiàn)表1。

表1 最小S1值Table1 MinimumvalueofS1隧道限速值/(km·h-1)單向兩車道單向三車道計(jì)算值/m取整/m計(jì)算值/m取整/m100124.0125138.014090114.9115128.913080105.9105119.91207096.9100110.91106087.890101.8100

4 基于變道安全的上游過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)設(shè)置分析

在高速公路隧道入口或者隧道中間路段，我國(guó)養(yǎng)護(hù)作業(yè)安全規(guī)程要求車道變少標(biāo)志在距離1/4警告區(qū)長(zhǎng)度便開(kāi)始設(shè)置，結(jié)合警告區(qū)基本要求，則即使在小流量路段，限速分別為100、80 km/h，最小前置距離也需分別達(dá)到375、300 m。實(shí)際操作過(guò)程中一般難以實(shí)現(xiàn)，這主要是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)作業(yè)規(guī)程對(duì)隧道出口段作業(yè)未作明確要求，作業(yè)人員在實(shí)際操作過(guò)程往往較為隨意。為此，以下將結(jié)合駕駛員在隧道出口段的駕駛特性，分析車道變少標(biāo)志與上游過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)設(shè)置最短距離，即前置距離(S2)。

駕駛員在標(biāo)志信息讀取完后便進(jìn)入到判斷決策和操作階段，考慮最不利的情況，即行駛至消失點(diǎn)才讀取完信息，根據(jù)前述駕駛員期望在車道壓縮起點(diǎn)前完成變道避讓的特性，車道變少標(biāo)志與上游過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)設(shè)置的最短距離S2應(yīng)滿足：

(4)

式中：t3為判斷決策的時(shí)間,s，取2.0 s；t4為完成單條車道變道避讓的時(shí)間，完整的1次變道主要包括等待可插入間隙(耗時(shí)記為t41)、調(diào)整行車狀態(tài)(t42)和車輛橫移(t43)等過(guò)程，按式(5)計(jì)算：

(5)

根據(jù)已有研究，等待可插入間隙時(shí)間與交通流量大小相關(guān)，當(dāng)流量較小(自有流)時(shí)，取1.5 s;當(dāng)流量較大(穩(wěn)定流)時(shí)，平均等待的可插入間隙時(shí)間為5～7 s，取6 s。調(diào)整行車狀態(tài)時(shí)間(車位車速)一般取2 s；車輛橫向移動(dòng)時(shí)間與橫移速度vh有關(guān)，小型車變道時(shí)間略短于大型車，但區(qū)別不大，統(tǒng)一按橫移速度1.0 m/s計(jì)算，取3.75 s。值得注意的是，當(dāng)實(shí)行橫移變道操作前，如車輛尚位于實(shí)線分界線范圍內(nèi)(距離隧道出口100 m范圍)，則相應(yīng)行駛至實(shí)線分界線結(jié)束后再進(jìn)行變道。

表2 最小S2值Table2 MinimumvalueofS2隧道限速值/(km·h-1)單向兩車道單向三車道自由流穩(wěn)定流自由流穩(wěn)定流計(jì)算值/m取整/m計(jì)算值/m取整/m計(jì)算值/m取整/m計(jì)算值/m取整/m10022322534835020921033433590198200310310184185296300801721752722751581602582607014615023423513213522022060120120195195106110181185說(shuō)明:自由流、穩(wěn)定流分別代表最大小時(shí)車流量q≤750pcu/(h·ln)、750

5 隧道出口路段占道作業(yè)交通組織方法

5.1 基于視認(rèn)安全與變道安全的作業(yè)區(qū)距隧道出口距離分析

為保障安全，作業(yè)區(qū)前需設(shè)置上游過(guò)渡區(qū)(長(zhǎng)度記為L(zhǎng)s)與緩沖區(qū)(Lh)，結(jié)合前述分析，基于視認(rèn)安全與變道安全的作業(yè)區(qū)起點(diǎn)距隧道出口距離最小值(即最短距離)Smin：

Smin=S1+S2+Ls+Lh

(6)

Ls= 0.625Vw

(7)

式中：LS為上游過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度,m；Lh為緩沖區(qū)長(zhǎng)度,m，根據(jù)限速值按規(guī)范取值；w為封閉車道寬度，m。S1、S2分別取表1和表2中數(shù)值，結(jié)果如圖4?？梢钥闯觯匏僦祵?duì)S值影響最大，其次是交通流狀態(tài)，限速和交通流相同條件下的S值基本一致。

圖4 不同限速與交通流狀態(tài)下的S值

計(jì)算值取整后得到的Smin見(jiàn)表3。

5.2 隧道出口路段占道作業(yè)交通組織

為保障視認(rèn)安全與變道安全，作業(yè)區(qū)起點(diǎn)須與隧道出口與應(yīng)保持一定距離，即S應(yīng)達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。顯然，當(dāng)S小于Smin時(shí)，不滿足保障視認(rèn)與變道安全需要；當(dāng)S值長(zhǎng)度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(Smax)，可在保證標(biāo)志正常視認(rèn)情況下(第一塊標(biāo)志距離隧道出口距離不小于S1)的同時(shí)，再依次設(shè)置限速與車道變窄標(biāo)志，則按普通路段進(jìn)行交通組織即可。結(jié)合規(guī)范要求，Smax按式(8)計(jì)算。

表3 SminTable3 MinimumvalueofS隧道限速值/(km·h-1)單向兩車道或單向三車道自由流/m穩(wěn)定流/m10071083090650760805906907052060060430510

Smax=S1+Lj/2+Ls+Lh

(8)

式中：Smax為洞外可按普通路段進(jìn)行交通組織時(shí)的最小S值,m；Lj為警告區(qū)長(zhǎng)度,m，按規(guī)范取值，限于篇幅，不再累述；其它同上。

綜上所述，根據(jù)S值將高速公路隧道出口路段占道作業(yè)劃分為3種情形，并提出相應(yīng)的交通組織方法：

a.情形一：當(dāng)S

b.情形二：當(dāng)Smin≤S

c.情形三：當(dāng)S≥Smax時(shí)，視為在隧道通行環(huán)境對(duì)出口路段作業(yè)的影響已可基本忽略，按普通路段占道作業(yè)規(guī)定進(jìn)行交通組織，依次設(shè)置各控制區(qū)和交通標(biāo)志。

5.3 實(shí)例分析

湖南省取消省界收費(fèi)站項(xiàng)目需在南山寨隧道(隧道1)、龍形山隧道(隧道2)以及騎龍山隧道(隧道3)的左幅出口路段占道作業(yè)，均為單向兩車道，左洞長(zhǎng)度分別為705、824、1 235 m，所在高速設(shè)計(jì)時(shí)速均為100 km/h，隧道限速均為80 km/h。3處作業(yè)點(diǎn)(分別記為作業(yè)點(diǎn)1～3)距離隧道出口為306、470、1 020 m，單向日均交通量分別為12 613、15 073、14 833 pcu/h，高峰小時(shí)系數(shù)取0.09，對(duì)應(yīng)的高峰小時(shí)交通量分別為568、678、667 pcu/h。為保障作業(yè)安全，對(duì)其合理的出口路段交通組織方式進(jìn)行分析。

根據(jù)前述標(biāo)準(zhǔn)，作業(yè)點(diǎn)1和作業(yè)點(diǎn)2距隧道出口距離值均小于自由流條件下的Smin值，因此，按作業(yè)點(diǎn)位于隧道內(nèi)進(jìn)行交通組織。作業(yè)點(diǎn)1和作業(yè)點(diǎn)2距離隧道入口的距離分別為1 011、1 294 m，分為接近1 000 m和大于1 000 m，因此，隧道1將上游過(guò)渡區(qū)設(shè)置于隧道入口前，隧道2按路段養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)布置，隧道入口處增設(shè)施工標(biāo)志。作業(yè)點(diǎn)3距隧道出口距離顯然大于Smin，按前述公式計(jì)算得到的Smax為1 145 m，即S值介于Smin與Smax之間，視為在受隧道影響范圍內(nèi)的出口路段開(kāi)展作業(yè)，相應(yīng)地，按保障視認(rèn)安全和變道安全確定車道變窄標(biāo)志和過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)設(shè)置位置，并設(shè)置其它控制區(qū)，同時(shí)在隧道入口前增設(shè)車道變窄施工標(biāo)志，并標(biāo)注“隧道出口占道施工”的輔助說(shuō)明。其余按養(yǎng)護(hù)作業(yè)規(guī)程規(guī)定執(zhí)行。

上述方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)交通組織，通過(guò)實(shí)地觀測(cè)，占道作業(yè)期間，隧道及作業(yè)區(qū)路段交通流通行流暢有序，無(wú)頻發(fā)制動(dòng)和緊急避讓等不安全現(xiàn)象，未發(fā)生刮擦和追尾等交通事故，有效保障了作業(yè)期間的交通安全，這與以往隧道出口路段占道施工經(jīng)常出現(xiàn)交通沖突多、制動(dòng)多等狀況不同，說(shuō)明提出的相關(guān)交通組織方法是科學(xué)合理的。

5 結(jié)論

研究了基于視認(rèn)安全和變道安全的高速公路隧道出口路段合理交通組織方案，為隧道出口占道作業(yè)交通組織與安全監(jiān)管提供了依據(jù)。得到的主要結(jié)論如下：

a.在考慮駕駛員在隧道出口視覺(jué)震蕩的基礎(chǔ)上，結(jié)合標(biāo)志覺(jué)察與內(nèi)容讀取需要與視認(rèn)特性分析，提出了基于視認(rèn)安全的隧道出口段車道變窄標(biāo)志合理布設(shè)位置標(biāo)準(zhǔn)。

b.充分考慮判斷決策、等待可插入間隙、調(diào)整行車狀態(tài)、車輛橫移等過(guò)程，提出了基于變道安全的隧道出口段上游過(guò)渡區(qū)起點(diǎn)合理設(shè)置位置標(biāo)準(zhǔn)。

c.基于綜合保障視認(rèn)安全與變道安全需要，將占道作業(yè)區(qū)距隧道出口距離劃分為3種標(biāo)準(zhǔn)，并提出了相應(yīng)的交通組織方法，最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了其科學(xué)性。