張秀松

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津300392）

隧道內(nèi)縱坡設置采用單向坡還是人字坡的爭議由來已久，從國內(nèi)工程實踐來看，兩種情況均普遍存在。單向坡隧道的行駛舒適性和營運通風效率占優(yōu)，但存在施工期逆坡排水、出渣的問題，人字坡隧道則反之；而關于兩者交通安全性的差異，業(yè)內(nèi)認識不足。國內(nèi)外相關研究也止步于基礎理論，而未結(jié)合實際事故資料對隧道內(nèi)單向坡和人字坡的安全性進行過系統(tǒng)研究。

由于隧道內(nèi)平面線形通常較好，駕駛員對坡度的感知比在一般路段敏感[1]，因此隧道內(nèi)縱斷面線形對安全性的影響就顯得尤為突出。Chris Lee等[2]利用多倫多嘉丁納高速公路連續(xù)13月的事故資料和采集到的沿線交通數(shù)據(jù)，通過仿真揭示了交通事故風險主要來自于車速的離散。Oh C等[3]分析了實時交通數(shù)據(jù)和歷史事故資料，提出減小速度離散性可降低事故概率，對安全有利。Yingying Xing等[4]利用Vissim仿真技術(shù)研究了長大隧道內(nèi)交通流特性與縱坡、坡長之間的關系并借此對公路隧道的交通安全進行評價，但未與交通事故建立聯(lián)系。

本文運用仿真技術(shù)研究隧道內(nèi)不同縱斷面條件下的交通流特性，分析縱斷面對隧道內(nèi)交通安全的影響機理并通過實際事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)加以驗證，最終揭示隧道內(nèi)不同縱斷面線形對交通安全的影響。為排除隧道出入口環(huán)境變化的干擾，研究對象為長度＞1 000 m的長隧道和特長隧道，所定義的“隧道內(nèi)”是指隧道入口后250 m至隧道出口前250 m的區(qū)域。

1 仿真模型的建立

1.1 參數(shù)標定與驗證

運用Vissim軟件建立高速公路隧道內(nèi)交通流微觀仿真模型，借鑒國內(nèi)學者對高速公路隧道仿真模型參數(shù)的標定結(jié)果并用實際調(diào)查得到的隧道內(nèi)交通流參數(shù)對仿真結(jié)果加以驗證。見圖1。

圖1 模型參數(shù)

劉震[5]對駕駛員期望速度進行了專門研究，給出了不同設計速度和不同道路條件下的期望速度。本文根據(jù)國內(nèi)車輛載重情況和動力性能，對車重和功率等參數(shù)進行了調(diào)整。見圖2。

現(xiàn)利用貓貍嶺隧道內(nèi)實測行駛速度與仿真結(jié)果進行對比，以檢驗所設定模型參數(shù)的合理性。仿真結(jié)果與實際情況誤差最大為8.5%，平均誤差為4.6%。仿真結(jié)果大致均勻分布在實際值兩側(cè)，無系統(tǒng)誤差，模型參數(shù)的取值基本符合實際。見表1。

表1 實測速度與仿真結(jié)果對比

1.2 基于交通流特性的隧道內(nèi)交通安全評價指標

林榮團[6]研究了高速公路尾隨相撞事故機理，指出在“車速”和“車距”兩個條件的共同制約下，才不致發(fā)生尾隨相撞事故。車輛變道則意味著相鄰車道前后車距發(fā)生突變，導致“車距條件”突然被破壞；楊柳[7]和王濤[8]分別研究了變道行為與前后車速差的相關性，交通流微觀參數(shù)中的車均變道次數(shù)可在一定程度上反映前后車速差水平?？紤]到記錄車輛變道行為在實際調(diào)查中更具可操作性，本文采用車均變道次數(shù)這一指標評價隧道內(nèi)交通安全性。

2 單向坡隧道安全性分析

2.1 對交通流特性的影響

對長度1 000～5 000 m的隧道在不同坡度情況下的交通流進行仿真。隧道縱坡度變化范圍為-3%～3%，變化步長為0.5%，對每種長度和縱坡條件下的隧道進行5次重復試驗，記錄各種情況下的車均公里變道次數(shù)。見圖3。

圖3 車均公里變道次數(shù)與隧道縱坡坡度關系

不同長度隧道的車均公里變道次數(shù)與縱坡坡度之間呈現(xiàn)相似規(guī)律：下坡坡度對車輛變道頻率基本無影響；上坡坡度越大，車輛變道越頻繁，坡度超過2.0%時，變道頻率急劇升高，坡度超過2.0%后，隧道長度越大，車輛對坡度的增大越敏感。這是因為上坡路段，大型車速度降低，小型車變道超越大型車的動機更加強烈。上坡坡度越大，大型車速度降低越明顯，小型車變道超車頻率越高。

2.2 對交通安全的影響

調(diào)查了我國東部某省10條共559.2 km高速公路中包含的169座隧道（雙向總計），得到隧道內(nèi)17 132條事故記錄。為排除進入隧道前連續(xù)長上下坡的影響，選取入口前平均坡度＜2%的單向坡隧道作為樣本，研究隧道內(nèi)事故率與縱坡坡度關系，對隧道內(nèi)事故機理作進一步分析。

隨著縱坡坡度的增大，隧道內(nèi)事故率升高，上坡對安全更不利：事故率隨上坡坡度變化的斜率比下坡更大且相同坡度的情況下，上坡事故率明顯高于下坡。隧道內(nèi)下坡坡度超過-2.0%、上坡坡度超過1.5%時，事故率開始明顯升高；坡度在-2.0%～1.5%時，事故率處在較低水平。見圖4。

圖4 隧道內(nèi)縱坡坡度與事故率關系

結(jié)合隧道內(nèi)縱坡對交通流的影響，可以發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)上坡事故率的變化與變道頻率的規(guī)律是一致的，兩者可以互相印證。說明隧道內(nèi)上坡發(fā)生事故主要為大型車速降低，小型車變道頻率增加導致的。

隧道內(nèi)為下坡時，事故率隨坡度的增大而緩慢升高，在坡度超過-2.0%時，事故率才開始明顯升高。此時發(fā)生事故的主要原因是車速因下坡而增大，車輛制動距離明顯延長。

3 人字坡隧道安全性分析

人字坡半段為上坡、后半段為下坡，在分析其安全性時，假設其上坡坡度與下坡坡度值相同且長度對稱。

3.1 交通流特性

對長度1 000～5 000 m、坡度0.5%～3%的對稱人字坡隧道交通流特性進行仿真。隧道縱坡坡度超過1.5%時，車輛變道頻率隨坡度的增大而明顯升高。隧道長度越大，車輛對坡度的增大越敏感。見圖5。

圖5 人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率與坡度關系

分別研究人字坡隧道上坡路段和下坡路段的交通流特性，設置對照組。在相同交通量和交通組成條件下，上坡路段與對照組的交通流仿真結(jié)果無明顯差異，說明上坡路段的交通流特性并不受其后下坡路段的影響；下坡路段的交通流特性則與對照組明顯不同：坡度超過1.5%時，車輛變道頻率明顯高于單下坡路段且隨坡度的增大明顯升高。見圖6和圖7。

圖6 路段仿真試驗對照組設計

圖7 人字坡隧道交通流特性

這是因為大型車在人字坡隧道上坡路段行駛時，車速會逐漸降低并在坡頂位置降至最低并以較低的初始速度駛?cè)胂缕侣范危笮蛙囁俣冉档驮矫黠@，小型車變道超車的動機越強烈。由此可以推斷，人字坡隧道內(nèi)上坡路段越接近坡頂變道頻率越高，下坡路段也受此影響在坡頂附近變道頻率有所升高。

為驗證這一猜想，以坡度3%、長度5 000 m的人字坡隧道為例，仿真記錄隧道內(nèi)各區(qū)段的變道頻率。上坡路段，隨著大型車速度的降低，車輛變道頻率逐漸升高并在坡頂附近達到最大值；駛過坡頂一段距離速度恢復后，變道頻率又迅速降至較低水平。見圖8。

圖8 人字坡隧道各區(qū)域變道頻率分布

3.2 交通安全性

統(tǒng)計坡度與隧道內(nèi)相對事故率關系，在坡度超過1.5%時，事故率明顯升高。見圖9。

圖9 人字坡隧道縱坡坡度與事故率關系

以貓貍嶺隧道為例，每500 m劃分為一個區(qū)間，統(tǒng)計人字坡隧道內(nèi)事故的空間分布，分布規(guī)律與變道頻率分布規(guī)律基本一致：上坡路段隨著大型車速度的降低，變道頻率升高，事故率也隨之升高；下坡路段起點附近受上坡車速降低的影響，車輛變道頻率有所升高，事故率也隨之升高，駛過一段距離速度恢復后，變道頻率和事故率又迅速降至較低水平。人字坡隧道坡頂附近的事故率最高。見圖10。

圖10 人字坡隧道內(nèi)事故空間分布

4 安全性對比分析

4.1 交通流特性

對長度1 000～5 000 m、坡度0.5%～3%的對稱人字坡隧道和相同情況下的單向坡隧道交通流特性進行仿真。坡度＜2.0%時，人字坡隧道與單向上坡隧道差異并不明顯；坡度超過2.0%時，單向上坡隧道內(nèi)車輛變道頻率開始明顯高于人字坡隧道。人字坡隧道與單向下坡隧道的交通流差異顯著：坡度超過1.5%時，人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率開始明顯大于單向下坡隧道，隨著縱坡坡度的增大，兩者差距愈加明顯。見圖11。

圖11 交通流特性對比

實際工程中，往往隧道右線和左線縱坡坡度相近、符號相反，即一側(cè)為上坡、另一側(cè)為下坡。為使結(jié)果具有可比性，對長度1 000～5 000 m、坡度0.5%～3%的對稱人字坡隧道和相同條件下單向坡隧道的右線和左線分別進行交通流仿真并對兩者車輛變道頻率取平均值。對于長度為1 000～3 000 m的隧道，無論縱坡大小，人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率均大于單向坡隧道；對于長度＞3 000 m的特長隧道，坡度＜1.5%時，人字坡與單向坡隧道內(nèi)車輛變道頻率無明顯差異，坡度＞1.5%時，人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率大于單向坡隧道。見圖12。

圖12 人字坡與單向坡隧道左右線雙向交通流特性綜合對比

4.2 交通安全性對比

調(diào)查統(tǒng)計單向坡和人字坡隧道的左右線雙向平均事故率。坡度＞1.5%時，人字坡隧道事故率明顯高于單向坡隧道。見圖13。

圖13 人字坡與單向坡隧道左右線雙向平均事故率對比

結(jié)合兩種縱斷面類型隧道交通流特性研究結(jié)果可以認為：對于長度為1 000～3 000 m的隧道，單向坡的安全性比人字坡好；長度＞3000 m的特長隧道，坡度＜1.5%時，單向坡和人字坡的安全性無明顯差異，坡度＞1.5%時，單向坡的安全性比人字坡好。

5 結(jié)語

1）單向坡隧道內(nèi)下坡對車輛變道頻率基本無影響；上坡坡度越大，車輛變道越頻繁，坡度超過2.0%時，變道頻率急劇升高。隧道長度越大，車輛對坡度的增大越敏感。

2）隧道內(nèi)坡度越大，事故率越高，上坡對安全更不利。單向坡隧道內(nèi)坡度-2.0%～1.5%時，事故率處于較低水平，超過這一區(qū)間事故率開始明顯升高。單向坡隧道內(nèi)上坡發(fā)生事故的主要原因是變道頻率的增加，下坡發(fā)生事故的主要原因為車速的增大和車輛制動距離的延長。

3）人字坡隧道坡度超過1.5%時，事故率明顯升高。人字坡坡頂附近的車輛變道頻率和事故率最高，向兩側(cè)逐漸降低，下坡一側(cè)很快降低至較低水平。這是因為上坡路段越靠近坡頂大型車速度降低越明顯，下坡路段靠近坡頂區(qū)域大型車速度還未恢復。

4）對于長隧道和中隧道，人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率和事故率均高于單向坡。對于特長隧道，坡度＜1.5%時，人字坡與單向坡隧道內(nèi)車輛變道頻率和事故率無明顯差異；坡度＞1.5%時，人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率和事故率均高于單向坡。