城市道路平面交叉口與隧道凈距研究

張　弛， 楊少偉，2，潘兵宏，2

(1.長安大學　公路學院，陜西　西安　710064；2.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點試驗室， 陜西　西安　710064)

?

城市道路平面交叉口與隧道凈距研究

張弛1， 楊少偉1，2，潘兵宏1，2

(1.長安大學公路學院，陜西西安710064；2.長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點試驗室， 陜西西安710064)

在山區(qū)城市，平面交叉口和隧道是城市道路的重要組成部分，其合理的凈距將直接影響城市道路構造物的設置位置和城市道路交通的運行質(zhì)量。通過對城市道路平面交叉口與隧道凈距定義的界定，分別從駕駛員在隧道出口處的“明適應”距離、駕駛員識認交通標志距離、車輛變道的行駛距離和安全駛?cè)肫矫娼徊婵诘木嚯x等方面，分析了各種影響因素，對需求距離進行了研究。建立了城市道路平面交叉口與隧道合理凈距的計算模型，并給出了不同運行速度下城市道路平面交叉口與隧道合理凈距的參考值。

交通工程；凈距；計算模型；影響因素；平面交叉口；隧道

0　引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模在逐漸擴大，城市道路也在飛速發(fā)展。

受地形條件約束，尤其是在山區(qū)城市，道路出現(xiàn)了一些平面交叉口與隧道連接的路段。我國現(xiàn)行的行業(yè)規(guī)范《城市道路交叉口設計規(guī)程》(CJJ152—2010)并沒有給出如此設置時兩者之間的設置距離，更沒有給出計算模型，給廣大設計人員帶來了困難。通過檢索國內(nèi)外文獻發(fā)現(xiàn)，目前對城市道路平面交叉口的研究成果多集中在交通組織和渠化設計，對城市隧道的研究成果則更多表現(xiàn)在施工和安全保障措施，但關于城市道路平面交叉口與隧道相連接的研究成果較少，而對城市道路平面交叉口與隧道凈距的研究還處于空白階段。為此，本文從保障車輛平穩(wěn)運行及平面交叉口的類型等條件著手，給出不同運行速度下城市道路平面交叉口與隧道合理凈距的參考值，為同類工程設計提供參考。

1　城市道路平面交叉口與隧道凈距的界定

目前，城市道路平面交叉口與隧道凈距還沒有明確定義。筆者認為：城市道路平面交叉口與隧道的凈距是二者之間的最小控制標準，指僅考慮車輛從隧道出口以正常速度離開平面交叉口所需的最小距離，或駛?cè)肫矫娼徊婵诤笠哉Ｋ俣戎了淼廊肟谒璧陌踩珳蕚渚嚯x，如圖1所示。

圖1　城市道路平面交叉口與隧道凈距示意圖Fig.1　Schematic diagram of net distance between urban road intersection and tunnel

2　城市道路平面交叉口與隧道凈距的需求分析

通過對隧道事故的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，隧道入口段的交通事故多發(fā)生于駛?cè)胨淼篮?，而隧道出口段的交通事故多發(fā)生于駛離隧道后[1]。因此，本文用平面交叉口與隧道出口凈距作為控制條件來確定城市道路平面交叉口與隧道凈距的計算模型，即隧道出口至交叉口停止線的距離。為了計算方便和簡化模型，不考慮公交車專用道和隧道出口公交站點銜接對凈距的影響，并將與隧道連接的城市道路作為主要道路進行分析。研究城市道路平面交叉口與隧道出口間凈距主要從駕駛員“明適應”距離、對交叉口標志的識別認讀距離、完成變道操作的距離和安全駛?cè)肫矫娼徊婵诘木嚯x等方面考慮。

城市道路平面交叉口與隧道出口間凈距(見圖1)的計算公式為：

(1)

式中，L為城市道路平面交叉口與隧道出口的凈距；L1為“明適應”距離；L2為識認交叉口標志的距離；L3為變換車道的距離；L4為安全駛?cè)肫矫娼徊婵诘木嚯x。

2.1城市道路平面交叉口與隧道出口凈距的需求距離2.1.1隧道出口駕駛員“明適應”的距離

由于隧道洞口前后行車環(huán)境復雜，行駛速度、路面狀況、線形條件等因素的改變，易使駕駛員因緊張出現(xiàn)操作失誤而極易導致交通事故。尤其是在車輛駛離隧道時，由于環(huán)境亮度突然增強，視覺上會感到不適，會對駕駛員的駕駛狀態(tài)和行車的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。這種現(xiàn)象被稱為“明適應”[2]。因此，在分析城市道路平面交叉口與隧道出口間凈距時，必須考慮駕駛員“明適應”的距離。其距離計算公式為：

(2)

式中，v為運行速度；t1為駕駛員“明適應”時間。

一般情況下，駕駛員在駛離隧道出口后需要1～3s的時間恢復視力，城市隧道內(nèi)外均有照明。考慮行車安全，研究城市道路平面交叉口與隧道出口距離時，t1取3s“明適應”時間進行分析。

國內(nèi)研究現(xiàn)狀的大量觀測結果表明，車輛在隧道出口段并不是一種近似于勻速運動的狀態(tài)，而表現(xiàn)為先減速后加速[3]。一般情況為出隧道前減速，出隧道后加速。根據(jù)研究成果，出隧道的加速度取0.2m/s2[4]。車輛由暗處駛?cè)朊魈帟r，出于安全考慮，取3s進行分析。由于出隧道的加速度較小且加速時間不長，可將此段時間內(nèi)車輛的行駛狀態(tài)近似于勻速狀態(tài)。

2.1.2識認交通標志需要的距離

駕駛員駕駛車輛駛離隧道進行“明適應”后，應能及時識別前方道路交叉口標志,并做出判斷和采取行動[5-6]。因此，識認交通標志的距離L2的公式為：

(3)

式中，H為標志與駕駛員視線的高差，本文取1.2m；V為運行速度；t2為駕駛員對交通標志的視認反應時間，本文取2.7s[7]；B為行車道寬度，本文按雙車道計算，取7.0m；α為駕駛員視限,駕駛員視軸移動5°時，識別標志的效果最好,故本文取α=5°進行計算[8]。

2.1.3考慮車輛變道的行駛距離

駕駛員在識認標志之后可能要進行變道等一系列駕駛操作。完整的車輛變道包括等待可插入間隙、調(diào)整行車狀態(tài)、駕駛員判斷插入的可能性和車輛橫移等過程。城市道路車輛行駛速度較低，車輛在變道時若不存在可插入間隙,可以減速甚至停車等待直至存在可插入間隙,考慮到車輛變道的最短行駛距離，故該過程僅需考慮車輛橫移完成車道變換行駛的距離。以由直行車道變道至右轉(zhuǎn)車道為例，完成這一行駛過程的距離分析如圖2所示。

圖2　車道變換示意圖(單位：m)Fig.2　Schematic diagram of lane changing(unit:m)

L3為車輛從直行車道變道至右轉(zhuǎn)車道過程中的行駛距離。該距離計算公式為：

(4)

式中，v為運行速度；t3為車輛橫移1條車道的時間。

當駕駛員做好變道準備后,即可進行車道變換。車輛橫移1條車道所需的時間為:

(5)

式中，w為行車道寬度；vj為車輛橫移速度。

根據(jù)現(xiàn)有的研究結論,車輛橫移速度vj=1m/s2[9]。當v≤60km/h，城市道路行車道寬度一般取值為3.5m[10]，故橫移時間t3為3.5s。

若該路段車道數(shù)不少于3條時，駕駛員可能需要多次(不少于兩次)的變道操作，則車輛完成變道過程行駛距離的公式為：

(6)

式中n為車輛變道次數(shù)。

2.1.4基于視距的安全駛?cè)肫矫娼徊婵诘木嚯x

車輛由隧道出口駛?cè)肫矫娼徊婵趨^(qū)域后，車輛安全駛?cè)肫矫娼徊婵诘木嚯x也是分析城市道路平面交叉口與隧道出口凈距的一個重要內(nèi)容，而平面交叉口的視距是影響平面交叉口安全的重要因素，且平面交叉口的交通控制類型決定了其視距。因此，根據(jù)《城市道路交叉口規(guī)劃規(guī)范》(GB50647—2011)并考慮實際計算需要，將與隧道出口連接的城市道路平面交叉口分為對次路車輛進行停車讓行控制的主路優(yōu)先交叉口、對次路車輛進行減速讓行控制的主路優(yōu)先交叉口、全無管制交叉口和信號控制交叉口這4種類型，進行車輛安全駛?cè)肫矫娼徊婵诰嚯x的研究。

(1)停車讓行控制交叉口

通過在次路設置停車讓行標志，保證次路上的駕駛員有充足的時間觀察主路兩側(cè)車行狀態(tài)，以完成左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或穿越主路，從而使平面交叉口通行順暢，避免過多的交通沖突。

次路駕駛員從停車位置啟動的安全視距為：

ISD=0.28vt，

(7)

式中，ISD為停車讓行控制交叉口沿主路的安全視距；v為主路車輛的行駛速度；t為次路車輛駛?cè)虢徊婵跁r的主路車輛臨界時間間隔。

從安全角度考慮，應保證所有類型車輛在駛?cè)胪＼囎屝锌刂平徊婵趨^(qū)域時均有足夠的安全視距。如表1所示。次路車輛右轉(zhuǎn)所需的主路車輛時間間隔較左轉(zhuǎn)時減少1s，且對于停車讓行控制交叉口，次路車輛左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)進入平面交叉口的規(guī)定安全視距均可保證車輛有充足的時間穿越主路。因此，車輛安全駛?cè)胪＼囎屝锌刂平徊婵诘木嚯x即為次路車輛左轉(zhuǎn)沿主路的安全視距。

表1　停車讓行控制交叉口次路車輛駛?cè)虢徊婵跁r的 主路車輛臨界時間間隔[6](單位:s)Tab.1　Critical interval time of main road vehicles forintersection that stop and control vehicles on minorroad when they entering intersection(unit:s)

注：若主路為雙向多車道，每增加1條車道，小客車的時間間隔增加0.5s，載重汽車的時間間隔增加0.7s。

(2)減速讓行控制交叉口

由于減速讓行控制交叉口屬于無信號控制交叉口，因此車輛駛?cè)霚p速讓行控制交叉口的距離即為次路車輛穿越平面交叉口時沿主路的安全視距。

①次路左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)沿主路的安全視距

次路的駕駛員從停車位置啟動的安全視距為：

ISD=0.28vt，

(8)

式中，ISD為減速控制交叉口沿主路的安全視距；v為主路車輛的行駛速度；t為次路車輛左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)至主路的車輛臨界時間間隔，如表2所示。

表2　減速讓行控制交叉口次路車輛左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時的 主路車輛臨界時間間隔[6](單位:s)Tab.2　Critical time interval for main road vehicles inslow down control of left-turn or right-turn ofvehicles on minor road(unit:s)

注：若主路為雙向多車道，每增加1條車道，小客車的時間間隔增加0.5s，載重汽車的時間間隔增加0.7s。

②次路穿越主路安全視距

次路車輛從平面交叉口決策點以一定的制動減速度減速至次要道路行駛速度的60%到達主路邊緣，然后保持該速度穿越平面交叉口。受次路減速讓行控制穿越主路的車輛所需的安全視距可通過下式計算得出：

ISD=0.28vtg，

(9)

(10)

式中，ISD為減速控制交叉口穿越主路的安全視距；tg為次路車輛以較低速度穿越主路時的主路車輛臨界時間間隔；ta為次路車輛從決策點至主路減速范圍的時間；W為穿越平面交叉口的距離；L為設計車輛長度；vc為次路車輛行駛速度。

計算結果中的時間間隔應大于減速讓行控制交叉口車輛穿越主路的時間間隔，即小客車最少為6.5s[6],故tg取6.5s。

減速讓行控制交叉口的安全視距計算結果如表3所示。

表3　減速讓行控制交叉口的安全視距Tab.3　Safe distance for slow down control intersection

根據(jù)上述討論結合表3計算結果分析，并考慮安全因素，本文取小客車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)沿主路的安全視距作為車輛進入減速讓行控制交叉口后安全駛?cè)氲木嚯x。

(3)全無管控交叉口

車輛在駛?cè)肴珶o管控交叉口區(qū)域時，一般情況下均存在沖突點，然而車輛并不會減速至零，所以車輛進入全無管控交叉口后安全駛?cè)氲木嚯x即為全無管控交叉口的安全視距，而該視距必須滿足停車視距的要求。

(4)信號控制交叉口

車輛駛?cè)胄盘柨刂平徊婵跁r，均受交通信號燈控制，交通運行行為單一，所以信號控制交叉口視距只需滿足停車視距的要求。同時也必須考慮信號控制交叉口紅燈時車輛排隊長度對其的影響，出于安全角度考慮，選取紅燈時最大車輛排隊長度進行計算。

①信號控制交叉口停車視距

停車視距可分解為反應距離和制動距離兩部分(圖3)，即：

(1)

式中，ST為停車視距；S1為反應距離；S2為制動距離；v為行駛速度；t為駕駛員反應時間，取2.5s；φ為路面與輪胎之間的附著系數(shù)，按潮濕狀態(tài)下的路面取值計算，水泥混凝土路面取0.5，瀝青混凝土路面取0.4。本文選擇瀝青混凝土路面，取0.4[10]。

圖3　停車視距示意圖Fig.3　Schematic diagram of stopping sight distance

根據(jù)式(10)計算可得出不同運行速度下的停車視距，計算結果見表4。

表4　停車視距Fig.4　Stopping distances

②信號控制燈為紅燈時的車輛最大排隊長度

信號為紅燈時交叉口車輛最大排隊長度為：

Ls=9N，

(12)

式中N為高峰時段15min內(nèi)1個信號周期的排隊車輛數(shù)，N值應根據(jù)交叉口的交通量和交通組織方式確定。不進行實地調(diào)查統(tǒng)計時可進行估算，建議取值為6輛小汽車的排隊長度，即45m[11-12]。

2.2城市道路平面交叉口與隧道凈距的分析

根據(jù)上述對駕駛員“明適應”距離、識認交通標志距離、變道行駛距離和考慮交叉口視距的安全駛?cè)刖嚯x的分析，可得到不同運行速度下城市道路平面交叉口與隧道合理凈距的參考值，見表5。

表5　城市道路平面交叉口與隧道凈距參考表(取5 m)Fig.5　Reference table of net distance between urban roadintersection and tunnel (take 5 m)

注：“變道距離”指車輛一次變道時向前行駛的距離。

3　結論

(1)通過界定城市道路平面交叉口與隧道凈距的定義，分析各種影響因素，對需求距離進行了研究，建立了城市道路平面交叉口與隧道合理凈距的計算模型，并給出了不同運行速度下城市道路平面交叉口與隧道合理凈距的參考值。

(2)在實際應用中，應結合不同的設計速度和交通控制方式，采取相應的方法來確定平面交叉口與隧道間的凈距。

(3)本文只探討了城市道路平面交叉口與隧道合理凈距的參考值。當凈距過小時，應采取的交通安全保障措施和管理方法還應進一步研究。

[1]王輝.公路隧道環(huán)境中交通事故特性分析[J].公路，2009(11):144-147.

WANGHui.AnalysisofTrafficAccidentCharacteristicsinHighwayTunnelEnvironment[J].Highway, 2009(11):144-147.

[2]劉運通.道路交通安全指南[M].北京：人民交通出版社，2004.

LIUYun-tong.RoadTrafficSafetyGuide[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress,2004.

[3]李雪玲，金年生，林淼.山區(qū)高速公路長隧道進出口段運行車速分析[J].公路與汽運，2011(4):73-75.

LIXue-ling,JINNian-hua,LINMiao.AnalysisofVehicleSpeedatPortalofLongTunnelinMountainArea[J].Highways&AutomotiveApplications, 2011(4):73-75.

[4]楊軫，郭忠印.隧道進出口車速變化研究[J].上海公路，2006(1):48-51.

YANGZhen,GUOZhong-yin.StudyonChangeofVehicleSpeedatTunnelEntranceandExit[J].ShanghaiHighways, 2006(1):48-51.

[5]JTGD82—2009，公路交通標志和標線設置規(guī)范[S].

JTGD82—2009，SpecificationforLayoutofHighwayTrafficSignsandMarkings[S].

[6]AASHTO.APolicyonGeometricDesignofHighwaysandStreets[R].Washington,D.C.:AASHTO, 2001.

[7]張伯明.交通標志漢字視認性的研究[J].公路交通科技, 1993,10(2) : 40-46.

ZHANGBo-ming.TheIdentificationoftheChineseCharactersinTrafficSigns[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment, 1993,10(2): 40-46.

[8]潘兵宏, 趙一飛, 梁孝忠.動視覺原理及其在公路線形設計中的應用[J].長安大學學報:自然科學版, 2004,24(6) : 20-24.

PANBing-hong,ZHAOYi-fei,LIANGXiao-zhong.ApplicationofDynamicVisionTheoryinHighwayAlignmentDesign[J].JournalofChang’anUniversity:NaturalScienceEdition, 2004, 24(6) : 20-24 .

[9]王瑩.城市互通立交最小間距研究[D] .南京:東南大學, 2006.

WANGYing.StudyontheMinimumDistancebetweenUrbanInterchanges[D].Nanjing:SoutheastUniversity, 2006.

[10]楊少偉.道路勘測設計[M].北京：人民交通出版社，2009.

YANGShao-wei.RoadSurveyandDesign[M].Beijing:ChinaCommunicationsPress, 2009.

[11]張?zhí)m芳，方守恩. 公路平面交叉口合理間距研究 [J].重慶交通大學學報：自然科學版，2008,27(2)：276-278.

ZHANGLan-fang,FANGShou-en.StudyontheReasonableSpacingofHighwayIntersections[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity:NaturalScienceEdition,2008, 27(2):276-278.

[12]王東柱，陳艷艷,李亞檬.基于浮動車停車點數(shù)據(jù)交叉口車輛排隊長度計算方法[J].公路交通科技,2012,29(12)：119-124.

WANGDong-zhu,CHENYan-yan,LIYan-meng.AlgorithmofVehicleQueueLengthinFrontofIntersectionBasedonFloatingCarData[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2012, 29(12):119-124.

Study on Net Distance between Urban Road Intersection and Tunnel

ZHANG Chi1， YANG Shao-wei1，2，PAN Bing-hong1，2

(1.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’anShaanxi710064,China；2.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,Xi’anShaanxi710064,China)

Inmountainouscity,intersectionandtunnelaretheimportantpartsofurbanroad,thereasonablenetdistancedirectlyaffectsthestructuresettingpositionandthetrafficoperationqualityofurbanroad.Throughthedefinitionofnetdistancebetweenurbanroadintersectionandthetunnel,differentinfluencingfactorsofdemanddistance,suchaslightadaptationdistanceofdriverattunnelexit,distanceofdrivertorecognizetrafficsign,traveldistanceoflaneschanging,anddistanceofdrivingintointersectionsafely,areanalysedrespectively.Themodelforcalculatingthereasonablenetdistancebetweenurbanroadintersectionandtunnelisestablished,andthereferencevaluesofthereasonablenetdistancefordifferentdrivingspeedsareputforward.

trafficengineering;netdistance;computationalmodel;influencingfactor;intersection;tunnel

2015-09-28

張弛(1990-)，男，河南南陽人，碩士研究生.(zhangchi_ny0377@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.021

U412.35+1

A

1002-0268(2016)10-0137-05