高速公路隧道出口與收費站最小間距研究

謝陳峰

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510507）

?

高速公路隧道出口與收費站最小間距研究

謝陳峰

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510507）

摘要：對隧道出口與收費站間距方面的研究進(jìn)行補充和細(xì)化，對于建設(shè)條件受限情況下的高速公路設(shè)計指標(biāo)的選擇具有重要意義。文中針對高速公路隧道出口與收費站距離較近的情況，利用數(shù)據(jù)分析、仿真技術(shù)等方法，從交通安全、運行速度、駕駛員反應(yīng)時間和車輛操作時間需求等角度，對公路隧道出口與收費站間距值進(jìn)行定量分析，提出了高速公路隧道出口與收費站的最小間距推薦值。

關(guān)鍵詞：交通安全；高速公路；隧道出口；收費站；最小間距

當(dāng)隧道出口與收費站間距過小時，車輛駛出隧道后進(jìn)入收費站前駕駛員需對大量道路信息作出判斷，受隧道特殊環(huán)境和“白洞”效應(yīng)的影響，容易使駕駛員產(chǎn)生緊張和急躁情緒，進(jìn)而導(dǎo)致突然變換車道和急剎車等影響正常行車的駕駛行為，嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致交通事故，影響收費站和隧道的正常運營。而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對公路隧道出口與收費站最小間距未作出詳細(xì)的規(guī)定和要求，無法滿足公路設(shè)計及營運需求，有必要進(jìn)行補充和細(xì)化。

1　隧道出口至收費站駕駛過程分析

由于隧道內(nèi)不允許變換車道，針對人工半自動收費（Manual Ton Collection，MTC）和電子不停車收費（Electronic Ton Collection，ETC）車輛在隧道出口與收費站之間的運行狀況分以下3種情況進(jìn)行分析：

（1）隧道之前各種車型已完成換道，MTC車輛已換至外側(cè)車道。

（2）隧道之前正常行駛，隧道敞開段設(shè)置預(yù)告標(biāo)志，敞開段允許換道。

（3）隧道之前正常行駛，隧道敞開段設(shè)置預(yù)告標(biāo)志，敞開段不允許換道。

1.1情況1：隧道之前各種車型已完成換道，MTC

車輛已換至外側(cè)車道

圖1　情況1下車輛的運行過程

在隧道之前已完成換道的車輛，在進(jìn)入隧道后的行駛過程（見圖1）主要為：站標(biāo)志后，各種車型的車輛需決策選擇目標(biāo)收費車道，并為此進(jìn)行相關(guān)駕駛準(zhǔn)備。

（3）減速階段。確認(rèn)前方收費站后，駕駛員減速通過收費站，其中ETC車輛減速至ETC車道的允許速度，MTC車輛減速至停車。

1.2情況2：隧道之前正常行駛，隧道敞開段設(shè)置

預(yù)告標(biāo)志，敞開段允許換道

該情況下車輛的運行過程見圖2。

圖2　情況2下車輛的運行過程

1.2.1明適應(yīng)、預(yù)告標(biāo)志視認(rèn)和決策反應(yīng)階段

隧道敞開段的明適應(yīng)階段、收費站預(yù)告標(biāo)志視認(rèn)階段、決策反應(yīng)階段的情況與1.1節(jié)相同。

1.2.2調(diào)整換道階段

該階段主要考慮MTC車輛最不利駕駛情況，即MTC車輛行駛在最內(nèi)側(cè)車道時需換至最外側(cè)車道才能進(jìn)行收費。ETC收費車輛只需在該車道進(jìn)行減速或從最外側(cè)車道換至相鄰車道。另外，需假設(shè)車輛A在當(dāng)前車道上的行駛速度不低于目標(biāo)車道車速。

（1）若tBC（B車和C車保持安全距離對應(yīng)的時

（1）隧道敞開段的明適應(yīng)階段和收費站預(yù)告標(biāo)志視認(rèn)階段。

（2）決策反應(yīng)階段。當(dāng)駕駛員視認(rèn)到前方收費間）、tAC、tAB足夠大，如圖3所示，當(dāng)車輛A與目標(biāo)車道前后車間距都滿足時，車輛A一般直接換道，不需要任何等待和減速過程。

圖3　換道車輛示意圖（tBC、tAC、tAB足夠大）

（2）若tBC足夠大、tAC小，如圖4所示，當(dāng)車輛A與目標(biāo)車道的前車間距滿足，但與后車的間距不能滿足時，有兩種可能：1）在交通量較小的情況下，車輛不易受當(dāng)前車道前車的影響，加速條件滿足，車輛A加速使tAC足夠，然后匯入目標(biāo)車道。2）A車減速等待接下來足夠的tAX（C車后的一輛或多輛車后的安全距離對應(yīng)的時間），然后匯入或擠道匯入，此時需計算等待時間。交通量較大時或較保守的駕駛員一般會選擇該種方式。

圖4　換道車輛示意圖（tBC足夠大、tAC?。?/p>

（3）若tBC足夠大、tAB小，如圖5所示，當(dāng)車輛A與目標(biāo)車道的后車間距滿足，但與前車的間距不能滿足時，同樣有兩種可能：1）車輛A加速超過車輛B，并使tAB足夠，但要保證車輛A不受當(dāng)前車道前車及目標(biāo)車道車輛B前方車輛的影響。這種選擇比較冒險，一般只有在交通量較小時才允許。2）A車減速，調(diào)整其與B、C車輛的位置，保證tAC和tAB足夠，并匯入到車輛B、C之間。

圖5　換道車輛示意圖（tBC足夠大、tAB?。?/p>

（4）若tBC不夠，如圖6所示，當(dāng)目標(biāo)車道的前后兩輛車間距不能滿足，即車輛A不能匯入車輛B、C之間時，存在兩種情況：1）車輛A加速超過車輛B，并使tAB足夠，與前述tBC足夠大、tAB小時的第1種情形相同。2）A車減速（勻速）等待接下來足夠的tAX，然后進(jìn)行匯入或擠道匯入，此時需計算等待時間。交通量較大時或較保守的駕駛員一般會作該選擇。

圖6　換道車輛示意圖（tBC不夠）

綜上所述，強制性換道過程中，按勻速或減速等待可接受的匯入間隙尋找可接受間隙。實際運行過程中不同車道存在速度差，調(diào)整過程中部分車輛會經(jīng)過一個微弱的減速過程，尤其是交通量較大時，一般經(jīng)發(fā)動機減速減至合適的換道車速。

1.2.3收費車道確認(rèn)階段

該階段主要是各類型收費車輛確認(rèn)各自的收費車道。

1.2.4減速階段

在確認(rèn)收費車道后，駕駛員減速才能通過收費站，其中ETC車輛減速至ETC車道的允許速度，MTC車輛減速至停車。

1.3情況3：隧道之前正常行駛，隧道敞開段設(shè)置

預(yù)告標(biāo)志，敞開段不允許換道

該情況下車輛的運行過程見圖7。

圖7　情況3下車輛的運行過程

（1）隧道明適應(yīng)、標(biāo)志視認(rèn)階段。該過程與1.1節(jié)相同。

（2）減速階段。視認(rèn)到前方收費站預(yù)告標(biāo)志后，車輛提前減速。

（3）隧道后換道階段。由于隧道敞開段不允許換道，該階段主要考慮最內(nèi)側(cè)車道MTC車輛換至最外側(cè)車道的需求距離。

（4）收費車道確認(rèn)。該階段主要考慮換道后車輛確認(rèn)收費車道。

（5）減速階段。在確認(rèn)收費車道后，駕駛員減速通過收費站，其中ETC車輛減速至ETC車道的允許速度，MTC車輛減速至停車。

2　參數(shù)標(biāo)定與距離計算

2.1交通量

根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》，高速公路在二級服務(wù)水平、不同行駛速度狀態(tài)下一條車道的設(shè)計通行能力見表1。

表1　高速公路一條車道的設(shè)計通行能力

考慮到開通初期車流量較小的情況、高速公路的設(shè)計通行能力及車輛在收費站開始排隊的情形，分別按自由流和設(shè)計交通量進(jìn)行計算。

2.2速度

隧道出口與收費站之間距離較近，運行速度取80或60 km/h進(jìn)行計算。

2.3隧道出口明適應(yīng)距離

研究隧道出口與隧道的間距時，駕駛?cè)说拿鬟m應(yīng)時間取3 s進(jìn)行分析，所需的明適應(yīng)距離見表2。

表2　不同速度對應(yīng)的明適應(yīng)距離

2.4標(biāo)志判讀距離

不同行駛速度下高速公路標(biāo)志的最小視認(rèn)距離見表3。

表3　不同速度下高速公路標(biāo)志的最小視認(rèn)距離

2.5決策反應(yīng)距離

決策反應(yīng)距離按下式計算：

式中：v1為最內(nèi)側(cè)車道行車速度；t反為駕駛員決策反應(yīng)時間。

該決策反應(yīng)為駕駛員看到前方收費車道布置后，判斷自身車輛是否有ETC裝置，決策下一步的駕駛行為，屬于復(fù)雜反應(yīng)過程。參照AASHTO（美國國家高速公路和交通運輸協(xié)會）的相關(guān)要求，取決策反應(yīng)時間為2.5 s。

2.6調(diào)整等待距離

調(diào)整等待距離按下式計算：

式中：v1為車道車速；v換為換道車速，一般為0.76v1；a為減速度；t等為等待目標(biāo)車頭間隙所需要的時間，由目標(biāo)車道的車頭時距分布、交通量、可接受車頭時距等因素決定。

2.6.1調(diào)整過程

當(dāng)交通量較大、各車道車速差較大時，換道前會經(jīng)過一個微弱的減速過程，一般經(jīng)發(fā)動機減速減至合適的換道車速，減速度取1 m/s2。當(dāng)各車道車速差較小時，車輛通過微弱的減速或加速調(diào)整自己的位置，調(diào)整時間取3 s。

2.6.2車頭時距分布

目前較成熟和較有代表性的車頭時距分布模型主要有3種。

（1）車流量很低，車輛之間基本上相互獨立時，車頭時距是隨機的，其概率一般服從負(fù)指數(shù)分布或移位負(fù)指數(shù)分布：

式中：P（h＞t）為車頭時距大于t的概率；Q為交通流平均小時流量；t為所選定的時間間隔。

（2）車流量很大，接近于通行能力時，車頭時距值基本上認(rèn)為是恒定的，t=3 600/Q。

（3）交通流量介于上述兩種情況之間，部分車輛獨立行駛，另外一些車輛相互影響，車頭時距分布模型符合K階Erlang分布模型：

式中：λ為來車強度，λ=1/M；K=M2/D；M、D分別為采集的車頭時距的均值和方差。

最小的可接受的車頭時距稱為臨界間隙，記為t0。當(dāng)車頭時距小于t0時，車輛不能合流進(jìn)入目標(biāo)車道；當(dāng)車頭時距大于t0時，目標(biāo)車輛可合流進(jìn)入目標(biāo)車道。由車頭時距的分布可計算主線的任一車頭時距h大于t0的概率P為：

拒絕概率P0為：

根據(jù)現(xiàn)場實地觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)研究成果，針對高速公路的情況，主線3條車道服從二階（K=2）Erlang分布，即：

拒絕匯入的概率為：

經(jīng)過對大量調(diào)查數(shù)據(jù)的處理分析，交織段2條車道車頭時距在合流區(qū)鼻前為移位負(fù)指數(shù)分布。移位負(fù)指數(shù)分布能較好地反映高速公路分流區(qū)斷面車頭時距的分布規(guī)律，其表達(dá)式為：

式中：Δt為最小車頭時距。

交織段2條車道拒絕匯入的概率為：

2.6.3可接受車頭時距

根據(jù)相關(guān)研究成果，兩連續(xù)車輛間的可接受車頭時距一般取4 s。

2.7車道轉(zhuǎn)移距離

車道轉(zhuǎn)移距離按下式計算：

式中：t轉(zhuǎn)為車輛橫移時間。

車輛橫移速度J=1 m/s，高速公路車道寬度為3.75 m，所以一般取橫移時間t轉(zhuǎn)為3.75 s。

2.8收費車道確認(rèn)距離

收費車道確認(rèn)距離按下式計算：

式中：v交為收費車道的車速。

收費車道確認(rèn)距離是指所有車速在確定安全時的停車距離。借鑒AASHTO的相關(guān)規(guī)定，反應(yīng)時間取2.5 s。

2.9減速距離

減速距離按下式計算：

借鑒AASHTO的推薦值，減速度取2 m/s2。

3　計算結(jié)果

綜上所述，分別對3種情況下隧道出口與收費站最小間距進(jìn)行分析計算，得到隧道出口與收費站最小間距推薦值（見表4）。

表4　隧道出口與收費站最小間距推薦值

4　結(jié)語

該文從高速公路建設(shè)特征和工程實際出發(fā)，利用數(shù)據(jù)分析和仿真技術(shù)，從交通安全、運行速度、通行能力、駕駛員反應(yīng)時間和車輛操作時間需求等角度，對隧道洞口與互通出口最小間距進(jìn)行分析，綜合考慮定量分析結(jié)果和相關(guān)研究成果，提出了運行速度80、60 km/h下自由流和達(dá)到設(shè)計交通量條件下的最小間距要求。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 孫明玲，趙源.雙車道高速公路隧道與互通式立交出口最小間距分析［J］.公路，2014（7）.

［2］ JTG D20-2006，公路路線設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ 任福田，劉小明，榮建.交通工程學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］ 李文權(quán)，王煒，周榮貴.高速公路合流區(qū)1車道車頭時距分布特征［J］.公路交通科技，2003，20（1）.

［5］ 王少飛，李偉聰，林志，等.三車道高速公路隧道出口與互通式立交最小間距研究［J］.公路交通科技，2013，30 （6）.

［6］ 侯常明，郎海鵬，張蕾.高速公路隧道口車頭時距分布研究［J］.公路與汽運，2009（6）.

［7］ 廖軍洪，王芳，鄔洪波，等.高速公路互通立交與隧道最小間距研究［J］.公路，2012（1）.

［8］ 裴玉龍，高晗.城市快速路匝道連接段車頭時距分布模型［J］.交通與計算機，2007，25（5）.

［9］ 趙一飛，陳敏，潘兵宏.隧道與互通式立交出口最小間距需求分析［J］.長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，31 （3）.

［10］ 趙曉翠，楊峰，鄧寶.高速公路互通立交分流區(qū)車頭時距分布［J］.公路交通科技，2012，29（2）.

中圖分類號：U491.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0038-04

收稿日期：2015-11-28