基于模擬駕駛法的金家莊特長螺旋隧道行車安全性分析

王朝杰

(河北省交通規劃設計院 石家莊市 050011)

0 引言

在山區高速公路建設中，經常會受到地形及地質條件限制而展線困難的情況，此時采用螺旋隧道的展線方案進行集中升坡或降坡來克服高差、避開不良地質往往可以達到理想的效果[1～3]。公路螺旋隧道為螺旋展線中，線路部分或全部穿越山體而形成設置的隧道，近些年來，隨著我國山區公路交通事業的快速的發展，相續涌現了一些螺旋隧道(見表1)，逐步積累了一些螺旋隧道設計與施工經驗[4～7]。

表1 中國近些年建設的主要公路螺旋隧道統計表

1 工程概況

金家莊特長螺旋隧道位于河北省赤城縣，處于典型的上壩路段，左幅長4228m、右幅長4104m，為河北省首座螺旋隧道、世界最長的公路螺旋隧道。項目線路需要在7km范圍內克服高差240m，經過反復的計算分析與方案論證，路線平面采用螺旋展線方案，以半徑860m的圓曲線為主，迂回360°后高程抬升112m，其中2/3路段為金家莊特長隧道，以此來解決線路爬升難題，螺旋展線效果如圖1所示。設計過程中采用國際領先的UC-win/Road駕駛仿真平臺建立三維建模，對螺旋隧道進行駕駛模擬仿真測試[8～9]，通過對車輛運行速度、車輛車道偏移、駕駛員情緒等進行測試，評價螺旋隧道行車安全性與方案可行性。

圖1 金家莊特長螺旋隧道示意圖

2 運行速度協調性評價

螺旋隧道路段為駛入隧道洞口前200m至駛出隧道后100m，為更加真實有效地分析螺旋隧道運行速度的協調性，根據延崇高速實際路線在金家莊特長螺旋隧道路段兩端各取500m平直線路段。將全部路段按起點—終點方向劃分5個分析單元，見表2所示。

表2 路線分析單元劃分(起點—終點)

采用相鄰路段運行速度的差值進行評價，見表3所示。

表3 起點至終點方向相鄰分析單元運行速度差

由上表可得：起點終點方向路線分析單元運行速度差|Iv|大于等于10km/h的路段僅1處。大、小型車在每個分析單元上的運行速度梯度的絕對值均在10km/(h·m)以內，且相鄰分析單元運行速度差均在20km/h以內，因此無運行速度協調性不良的路段，小型車和大型車運行速度的變化趨勢具有顯著的一致性。

3 駕駛模擬仿真

3.1 運行速度分析

駕駛模擬仿真的實現方法為：首先利用UC-winRoad系統，依據地形、平面、縱面和橫斷面等資料建立三維駕駛環境模型，然后虛擬駕駛人員進入國際領先水平的八自由度駕駛模擬器開展虛擬駕駛。對隧道內車輛運行速度、車輛車道偏移、情緒變化等進行處理與分析。圖2為駕駛模擬仿真器。

圖2 駕駛模擬仿真器

采集5位駕駛人員試驗數據速度跨度主要集中在75～95km/h，但由于不同駕駛人個人感知的不同，行駛速度存在一定差異。車輛運行速度在螺旋隧道起終點的差別并不明顯，但是在隧道內部車輛速度明顯降低。

3.2 車道偏移分析

5位被試人員中有4位的車道偏移較為相近和集中,主要集中在-0.2～0.6m之間。被試4由于個人視覺感知原因,車道保持的位置穩定于車道中心線右側0.2m處,在此基礎上有左右0.3m幅度的偏移。隨著速度的增大，車道偏移略有增大。

4 隧道出口端光環境

4.1 延慶至崇禮方向

經過模擬駕駛，金家莊特長螺旋隧道出口處在每年11月至次年1月份的下午12：00—15:00時段存在陽光直射洞口的情況，而此時是駕駛人容易產生困倦、疲勞的時段。陽光直射會加劇“白洞”效應，使隧道內駕駛人無法識別隧道洞口外的路線走向和標志等交通設施。洞口受陽光直射影響典型時刻如圖3所示。

圖3 延慶至崇禮隧道出口陽光直射典型時刻(12:00)

4.2 崇禮至延慶方向

經過模擬駕駛，崇禮至延慶方向行車洞口每年11月到次年1月份上午9：10—10:40左右時段存在陽光直射在洞口的情況。陽光直射隧道洞口會對車輛形成明顯的眩光，情況嚴重時，會導致駕駛人在1～2s內無法看清事物，形成瞬間“視盲”現象。洞口受陽光直射影響典型時刻如圖4所示。

圖4 崇禮至延慶隧道出口陽光直射典型時刻(10:40)

5 駕駛人情緒

模擬駕駛環境設置為晴天、空氣可見度良好。被試人員為8名具備C1駕駛證的健康駕駛員。有隧道和無隧道實驗過程各獲得8組數據，在去除掉由于具備大量噪聲而無法使用的數據之后，保留7組有隧道的數據和6組無隧道的數據。

如圖5所示，在無隧道的情況下，駕駛人會以更大概率變化到積極的情緒中去；在有隧道的情況下，駕駛人會較晚地進入積極情緒，這表明隧道在一定程度上會影響駕駛人的駕駛情緒。

圖5 無車流時，隧道對駕駛人情緒的影響

在有車流時，如圖6所示，在有其他車輛影響的情況下駕駛員會產生更多的消極情緒。

圖6 有車流時，隧道對駕駛人情緒的影響

6 結論

金家莊螺旋隧道在大圓曲線半徑及大回轉角度下，隧道內運行速度協調性良好。模擬駕駛表明，駕駛人員車道偏移范圍小，可接受，但應注意洞口在特定時間的減光措施，且虛擬駕駛人員情緒變化波動較小，可接受。路線評價及模擬駕駛各項數據表明，該曲線半徑螺旋隧道方案可行。