縱坡設(shè)置對(duì)高速公路長(zhǎng)大隧道安全性影響分析

張秀松

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津300392）

隧道內(nèi)縱坡設(shè)置采用單向坡還是人字坡的爭(zhēng)議由來(lái)已久，從國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐來(lái)看，兩種情況均普遍存在。單向坡隧道的行駛舒適性和營(yíng)運(yùn)通風(fēng)效率占優(yōu)，但存在施工期逆坡排水、出渣的問(wèn)題，人字坡隧道則反之；而關(guān)于兩者交通安全性的差異，業(yè)內(nèi)認(rèn)識(shí)不足。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究也止步于基礎(chǔ)理論，而未結(jié)合實(shí)際事故資料對(duì)隧道內(nèi)單向坡和人字坡的安全性進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究。

由于隧道內(nèi)平面線形通常較好，駕駛員對(duì)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(duì)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(guò)仿真揭示了交通事故風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自于車速的離散。Oh C等[3]分析了實(shí)時(shí)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(duì)安全有利。Yingying Xing等[4]利用Vissim仿真技術(shù)研究了長(zhǎng)大隧道內(nèi)交通流特性與縱坡、坡長(zhǎng)之間的關(guān)系并借此對(duì)公路隧道的交通安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，但未與交通事故建立聯(lián)系。

本文運(yùn)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(duì)隧道內(nèi)交通安全的影響機(jī)理并通過(guò)實(shí)際事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證，最終揭示隧道內(nèi)不同縱斷面線形對(duì)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(duì)象為長(zhǎng)度＞1 000 m的長(zhǎng)隧道和特長(zhǎng)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(biāo)定與驗(yàn)證

運(yùn)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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高速公路隧道仿真模型參數(shù)的標(biāo)定結(jié)果并用實(shí)際調(diào)查得到的隧道內(nèi)交通流參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果加以驗(yàn)證。見(jiàn)圖1。

圖1 模型參數(shù)

劉震[5]對(duì)駕駛員期望速度進(jìn)行了專門研究，給出了不同設(shè)計(jì)速度和不同道路條件下的期望速度。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)車輛載重情況和動(dòng)力性能，對(duì)車重和功率等參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。見(jiàn)圖2。

現(xiàn)利用貓貍嶺隧道內(nèi)實(shí)測(cè)行駛速度與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以檢驗(yàn)所設(shè)定模型參數(shù)的合理性。仿真結(jié)果與實(shí)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(shí)際值兩側(cè)，無(wú)系統(tǒng)誤差，模型參數(shù)的取值基本符合實(shí)際。見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)速度與仿真結(jié)果對(duì)比

1.2 基于交通流特性的隧道內(nèi)交通安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

林榮團(tuán)[6]研究了高速公路尾隨相撞事故機(jī)理，指出在“車速”和“車距”兩個(gè)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(dǎo)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(guān)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。考慮到記錄車輛變道行為在實(shí)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(biāo)評(píng)價(jià)隧道內(nèi)交通安全性。

2 單向坡隧道安全性分析

2.1 對(duì)交通流特性的影響

對(duì)長(zhǎng)度1 000～5 000 m的隧道在不同坡度情況下的交通流進(jìn)行仿真。隧道縱坡度變化范圍為-3%～3%，變化步長(zhǎng)為0.5%，對(duì)每種長(zhǎng)度和縱坡條件下的隧道進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，記錄各種情況下的車均公里變道次數(shù)。見(jiàn)圖3。

圖3 車均公里變道次數(shù)與隧道縱坡坡度關(guān)系

不同長(zhǎng)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(duì)車輛變道頻率基本無(wú)影響；上坡坡度越大，車輛變道越頻繁，坡度超過(guò)2.0%時(shí)，變道頻率急劇升高，坡度超過(guò)2.0%后，隧道長(zhǎng)度越大，車輛對(duì)坡度的增大越敏感。這是因?yàn)樯掀侣范危笮蛙囁俣冉档停⌒蛙囎兊莱酱笮蛙嚨膭?dòng)機(jī)更加強(qiáng)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(duì)交通安全的影響

調(diào)查了我國(guó)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(jì)），得到隧道內(nèi)17 132條事故記錄。為排除進(jìn)入隧道前連續(xù)長(zhǎng)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(guān)系，對(duì)隧道內(nèi)事故機(jī)理作進(jìn)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(duì)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(guò)-2.0%、上坡坡度超過(guò)1.5%時(shí)，事故率開始明顯升高；坡度在-2.0%～1.5%時(shí)，事故率處在較低水平。見(jiàn)圖4。

圖4 隧道內(nèi)縱坡坡度與事故率關(guān)系

結(jié)合隧道內(nèi)縱坡對(duì)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(shuō)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(dǎo)致的。

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

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(shí)，假設(shè)其上坡坡度與下坡坡度值相同且長(zhǎng)度對(duì)稱。

3.1 交通流特性

對(duì)長(zhǎng)度1 000～5 000 m、坡度0.5%～3%的對(duì)稱人字坡隧道交通流特性進(jìn)行仿真。隧道縱坡坡度超過(guò)1.5%時(shí)，車輛變道頻率隨坡度的增大而明顯升高。隧道長(zhǎng)度越大，車輛對(duì)坡度的增大越敏感。見(jiàn)圖5。

圖5 人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率與坡度關(guān)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(shè)置對(duì)照組。在相同交通量和交通組成條件下，上坡路段與對(duì)照組的交通流仿真結(jié)果無(wú)明顯差異，說(shuō)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(duì)照組明顯不同：坡度超過(guò)1.5%時(shí)，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(jiàn)圖6和圖7。

圖6 路段仿真試驗(yàn)對(duì)照組設(shè)計(jì)

圖7 人字坡隧道交通流特性

這是因?yàn)榇笮蛙囋谌俗制滤淼郎掀侣范涡旭倳r(shí)，車速會(huì)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(dòng)機(jī)越強(qiáng)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(yàn)證這一猜想，以坡度3%、長(zhǎng)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(dá)到最大值；駛過(guò)坡頂一段距離速度恢復(fù)后，變道頻率又迅速降至較低水平。見(jiàn)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(jì)坡度與隧道內(nèi)相對(duì)事故率關(guān)系，在坡度超過(guò)1.5%時(shí)，事故率明顯升高。見(jiàn)圖9。

圖9 人字坡隧道縱坡坡度與事故率關(guān)系

以貓貍嶺隧道為例，每500 m劃分為一個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(guò)一段距離速度恢復(fù)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(jiàn)圖10。

圖10 人字坡隧道內(nèi)事故空間分布

4 安全性對(duì)比分析

4.1 交通流特性

對(duì)長(zhǎng)度1 000～5 000 m、坡度0.5%～3%的對(duì)稱人字坡隧道和相同情況下的單向坡隧道交通流特性進(jìn)行仿真。坡度＜2.0%時(shí)，人字坡隧道與單向上坡隧道差異并不明顯；坡度超過(guò)2.0%時(shí)，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(guò)1.5%時(shí)，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(jiàn)圖11。

圖11 交通流特性對(duì)比

實(shí)際工程中，往往隧道右線和左線縱坡坡度相近、符號(hào)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(duì)長(zhǎng)度1 000～5 000 m、坡度0.5%～3%的對(duì)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(jìn)行交通流仿真并對(duì)兩者車輛變道頻率取平均值。對(duì)于長(zhǎng)度為1 000～3 000 m的隧道，無(wú)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(duì)于長(zhǎng)度＞3 000 m的特長(zhǎng)隧道，坡度＜1.5%時(shí)，人字坡與單向坡隧道內(nèi)車輛變道頻率無(wú)明顯差異，坡度＞1.5%時(shí)，人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率大于單向坡隧道。見(jiàn)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(duì)比

4.2 交通安全性對(duì)比

調(diào)查統(tǒng)計(jì)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(shí)，人字坡隧道事故率明顯高于單向坡隧道。見(jiàn)圖13。

圖13 人字坡與單向坡隧道左右線雙向平均事故率對(duì)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(rèn)為：對(duì)于長(zhǎng)度為1 000～3 000 m的隧道，單向坡的安全性比人字坡好；長(zhǎng)度＞3000 m的特長(zhǎng)隧道，坡度＜1.5%時(shí)，單向坡和人字坡的安全性無(wú)明顯差異，坡度＞1.5%時(shí)，單向坡的安全性比人字坡好。

5 結(jié)語(yǔ)

1）單向坡隧道內(nèi)下坡對(duì)車輛變道頻率基本無(wú)影響；上坡坡度越大，車輛變道越頻繁，坡度超過(guò)2.0%時(shí)，變道頻率急劇升高。隧道長(zhǎng)度越大，車輛對(duì)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(duì)安全更不利。單向坡隧道內(nèi)坡度-2.0%～1.5%時(shí)，事故率處于較低水平，超過(guò)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?yàn)檐囁俚脑龃蠛蛙囕v制動(dòng)距離的延長(zhǎng)。

3）人字坡隧道坡度超過(guò)1.5%時(shí)，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?yàn)樯掀侣范卧娇拷马敶笮蛙囁俣冉档驮矫黠@，下坡路段靠近坡頂區(qū)域大型車速度還未恢復(fù)。

4）對(duì)于長(zhǎng)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(duì)于特長(zhǎng)隧道，坡度＜1.5%時(shí)，人字坡與單向坡隧道內(nèi)車輛變道頻率和事故率無(wú)明顯差異；坡度＞1.5%時(shí)，人字坡隧道內(nèi)車輛變道頻率和事故率均高于單向坡。