高速公路隧道出口路段占道作業(yè)交通組織方法研究

劉 卓，賴清明

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

1 概述

運營實踐表明，受到環(huán)境特殊性影響，隧道路段是運營安全風險較高的路段，而隧道出入口路段則是隧道的高風險點，占道施工作業(yè)時風險更高。目前我國公路養(yǎng)護安全作業(yè)規(guī)程[1][2]對高速公路養(yǎng)護施工時的隧道入口交通組織設(shè)施提出了明確規(guī)定，但對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)，實踐中相應情形的交通組織隨意性大，風險極高，一旦發(fā)生事故，極易引發(fā)嚴重交通事故。

目前關(guān)于隧道出入口路段的運營安全研究較多。如杜志剛[3-4]等首先提出了防止視覺震蕩持續(xù)時間過長的隧道進出口行車速度值(≤85 km/h)，停車視距應比現(xiàn)行規(guī)范增加20～30 m；然后從減少視覺震蕩不利影響角度，提出了在隧道內(nèi)限速分別為60、80 km/h時出口交通標志至隧道口安全距離。丁光明[5]等采用眼動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間、注視次數(shù)、掃視幅度指標變化規(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適應的角度提出了城市隧道出口的安全長度。王婷[8]等提出了通過改變路側(cè)、路面標志標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)計的角度，提出了隧道出入口行道樹設(shè)置間距和減光段設(shè)置長度。朱可寧[11]等采用眼動儀采集和分析了高速公路特長隧道出口段駕駛?cè)艘曈X負荷變化規(guī)律。歐陽江湖[12]等提出了在不同運行速度下隧道與主線收費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營安全研究，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“白洞效應”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)指導和安全監(jiān)管實踐提供指導。

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(見圖1)，將首先經(jīng)歷視覺震蕩期(時間記為t0)，之后依次是覺察占道施工標志及大致工況的存在(時間記為t1)、讀取標志信息(時間記為t2)、判斷決策(時間記為t3)，然后行駛在前方被占用車道車輛采取變道避讓操作(時間記為t4)。此外，洞外距離隧道出口100 m范圍為實線，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試分析

在確定各行駛過程距離時，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)進行出口路段車速現(xiàn)場測試，試驗采用MC5600氣壓管式車輛分型統(tǒng)計系統(tǒng)，并輔以雷達測速儀，主要測量洞內(nèi)距出洞口66 m(3 s行程)、出洞口、洞外距出洞口(6 s)3處特征斷面運行車速，統(tǒng)計結(jié)果如圖2?？梢钥闯觯瑹o論平均車速(Vavg)還是85%分位車速(V85)，在隧道出口均經(jīng)歷了一個先小幅下降又有明顯上升的過程，V85速度值接近限速值，距洞口6 s行程點V85(分別為81.6、82.7 km/h)已高于限速值，這與駕駛員經(jīng)過長時間隧道駕駛后急于提速行駛有關(guān)，且隧道越長，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測

2.3 駕駛員心理特性調(diào)查分析

為此，在詳細介紹作業(yè)區(qū)交通組織設(shè)施基礎(chǔ)上，對15名駕齡超過3 a、技術(shù)嫻熟、駕駛習慣良好的專業(yè)駕駛員進行問卷調(diào)查，讓其對占道施工引導標志和錐桶設(shè)置重要性進行判斷，結(jié)果表明：a.所有駕駛員均認為在隧道出口路段將經(jīng)歷一個視覺不舒適階段(即視覺震蕩)，之后會進行標志的辨認，當前方被占道時，一般會期望在錐桶壓道開始前便完成車道切換。b.所有駕駛員均認為車道變少標志(見圖3)和錐桶壓縮車道起點(上游過渡區(qū)起點)極為重要，直接關(guān)系到操作行為，會重點關(guān)注。c.93%的駕駛員認為施工標志和限速標志會關(guān)注，但一般不會嚴格按照施工限速標志的限速值行駛，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，重點分析車道變窄警告標志和上游過渡區(qū)起點設(shè)置位置，進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)變少標志

3 基于視認安全的車道變少標志設(shè)置位置分析

不同車速條件下，標志必須位于駕駛員的視錐范圍內(nèi)才能被有效辨認，為保證視認安全，駕駛員需在標志消失于正常視野前完成對標志信息的讀取，同時考慮到隧道出口的視覺震蕩問題，車道變少標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為白洞效應導致的視覺震蕩時間,s，按文獻的試驗結(jié)果取0.85 s，按我國2014年版公路工程技術(shù)標準，適應時間為1～3 s，綜合考慮，取1.0 s；t1為發(fā)現(xiàn)與覺察標志時間,s，取0.4 s；t2為讀取標志內(nèi)容的時間，s，取2.0 s；Ldis為駕駛員視野內(nèi)標志剛消失時(即消失點)車輛距標志的距離,m，按下列公式計算：

(2)

其中，hsign為標志中心點距地面高度,m，取標志下緣凈空+1/2標志高，車道變少標志下緣凈空一般約2.5 m，高1.5 m，因此取3.25 m;hdriver為駕駛員視高,m，相對于大型車，小型車對前方的視認更加困難，因此按規(guī)范取小型車視高1.2 m；Δs為標志中心點距駕駛員視點的側(cè)向距離,m，與道路橫斷面及標志設(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、標志位于路側(cè)情形(內(nèi)側(cè)車道車速更高、且標志消失距離更大)進行分析，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標志寬；α0為標志縱向消失在視野范圍內(nèi)時視線與道路中心線夾角在道路縱斷面的投影角度(°)，根據(jù)人機工程學理論，取值不大于8°;β0為標志側(cè)向消失在視野范圍內(nèi)時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算值/m取整/m計算值/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渡區(qū)起點設(shè)置分析

在高速公路隧道入口或者隧道中間路段，我國養(yǎng)護作業(yè)安全規(guī)程要求車道變少標志在距離1/4警告區(qū)長度便開始設(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到375、300 m。實際操作過程中一般難以實現(xiàn)，這主要是因為養(yǎng)護作業(yè)規(guī)程對隧道出口段作業(yè)未作明確要求，作業(yè)人員在實際操作過程往往較為隨意。為此，以下將結(jié)合駕駛員在隧道出口段的駕駛特性，分析車道變少標志與上游過渡區(qū)起點設(shè)置最短距離，即前置距離(S2)。

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

(4)

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

(5)

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

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)定流計算值/m取整/m計算值/m取整/m計算值/m取整/m計算值/m取整/m10022322534835020921033433590198200310310184185296300801721752722751581602582607014615023423513213522022060120120195195106110181185說明:自由流、穩(wěn)定流分別代表最大小時車流量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)置上游過渡區(qū)(長度記為Ls)與緩沖區(qū)(Lh)，結(jié)合前述分析，基于視認安全與變道安全的作業(yè)區(qū)起點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為上游過渡區(qū)長度,m；Lh為緩沖區(qū)長度,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?，限速值對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

計算值取整后得到的Smin見表3。

5.2 隧道出口路段占道作業(yè)交通組織

為保障視認安全與變道安全，作業(yè)區(qū)起點須與隧道出口與應保持一定距離，即S應達到一定的標準。顯然，當S小于Smin時，不滿足保障視認與變道安全需要；當S值長度達到一定標準時(Smax)，可在保證標志正常視認情況下(第一塊標志距離隧道出口距離不小于S1)的同時，再依次設(shè)置限速與車道變窄標志，則按普通路段進行交通組織即可。結(jié)合規(guī)范要求，Smax按式(8)計算。

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行交通組織時的最小S值,m；Lj為警告區(qū)長度,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，并提出相應的交通組織方法：

a.情形一：當S

b.情形二：當Smin≤S

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

5.3 實例分析

湖南省取消省界收費站項目需在南山寨隧道(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，左洞長度分別為705、824、1 235 m，所在高速設(shè)計時速均為100 km/h，隧道限速均為80 km/h。3處作業(yè)點(分別記為作業(yè)點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，高峰小時系數(shù)取0.09，對應的高峰小時交通量分別為568、678、667 pcu/h。為保障作業(yè)安全，對其合理的出口路段交通組織方式進行分析。

根據(jù)前述標準，作業(yè)點1和作業(yè)點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)點位于隧道內(nèi)進行交通組織。作業(yè)點1和作業(yè)點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將上游過渡區(qū)設(shè)置于隧道入口前，隧道2按路段養(yǎng)護作業(yè)控制區(qū)布置，隧道入口處增設(shè)施工標志。作業(yè)點3距隧道出口距離顯然大于Smin，按前述公式計算得到的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)的出口路段開展作業(yè)，相應地，按保障視認安全和變道安全確定車道變窄標志和過渡區(qū)起點設(shè)置位置，并設(shè)置其它控制區(qū)，同時在隧道入口前增設(shè)車道變窄施工標志，并標注“隧道出口占道施工”的輔助說明。其余按養(yǎng)護作業(yè)規(guī)程規(guī)定執(zhí)行。

上述方案應用于現(xiàn)場交通組織，通過實地觀測，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，無頻發(fā)制動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、制動多等狀況不同，說明提出的相關(guān)交通組織方法是科學合理的。

5 結(jié)論

研究了基于視認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震蕩的基礎(chǔ)上，結(jié)合標志覺察與內(nèi)容讀取需要與視認特性分析，提出了基于視認安全的隧道出口段車道變窄標志合理布設(shè)位置標準。

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

c.基于綜合保障視認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種標準，并提出了相應的交通組織方法，最后通過實例驗證了其科學性。