高速公路隧道出口至互通立交最短距離的探討

彭廣銀

（江蘇森尚工程設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

我國幅員遼闊，地形地貌變化多樣，對于地形復雜的山區高速公路，由于地形的限制導致互通式立交的出口與隧道洞口的緩沖距離較短，雖然現在的設計中已經充分考慮，但實際設計中的設計方案均為大同小異，且事故發生也較多[1]。在隧道入口和出口處，由于隧道內外光環境的快速變化，駕駛員的視覺和心理負荷大大增加，很容易引起駕駛員的不良駕駛行為，導致交通事故的發生，而且隧道由于其特殊的環境特征，容易發生二次事故，使得事故在很短的時間內急劇擴大，造成更大的傷亡和財產損失。因此，如何能有針對性的解決此類交通事故的發生是亟待解決的重要問題。國外對于互通式立交最小間距開展較早，目前已經出臺相應的標準規范[2]。主要代表作包括：Patrick T W BroerenBroeren[3]等人以交通流特性為出發點，將隧道出口與互通段分為三部分進行分析研究，分別對隧道出口洞內外視覺適應段、駕駛員判別入口段以及分流段的最小距離進行了研究，最終確定隧道出入口與立交出入口連接段的最小長度。日本學者Narisada[4]運用眼球追蹤儀，研究了駕駛員靠近隧道口時眼部運動情況，研究結果表明，在隧道入口前一段距離處，駕駛員的注視點會集中在隧道口。我國起步較晚研究較少，主要集中在互通的通行能力、交通流特性、設計標準等方面，如《高速公路互通式立交分、合流區輔助車道長度設計標準》[5]。石小法、廖軍洪[6，7]等將實際工程與仿真模擬相結合，以駕駛員行車過程中道路的交通量、駕駛員對不同交通標志出現的反應時間等因素為研究對象，確定出隧道出口與互通短的最小間距。趙一飛[8]等從交通事故特征出發，以駕駛員出口處視覺適應時間以及駕駛員對出口標志的反應操作時間，總結計算出高速公路隧道出口與互通的極限最小間距。馮玉榮[9]基于交通流理論和仿真模擬的交通沖突技術，對互通式立交的最小間距做了研究。劉桂強[10]等提出山區高速公路隧道群復雜運營管理問題，并提出了隧道與互通式立交的協調交通控制策略。李新偉[11]等通過調研運營隧道與互通間距路段的運行速度，對其他隧道與臨近互通立交路段的運行車速進行預測，得到了一定成果。

為了保障交通安全，降低事故發生率，本文在總結和借鑒以往研究經驗的基礎上，針對隧道出口與互通段的交通安全問題，從駕駛員的視認特性的角度出發，結合生理心理狀態，通過現場試驗和室內模擬試驗分析，對交通標志和互通最小間距做了相關研究，找出影響隧道出口與互通安全的關鍵因素并制定合理可靠的交通改善措施。為隧道出口和互通路段提出改善措施，從而提高交通安全，以期為工程實際提供有益參考。

1 隧道出口與互通立交最小間距分析

考慮在條件受限下，在隧道內設置指路標志的情況，隧道出口與互通最小間距的研究分為指路標志設置在隧道內、外兩種情況進行研究。

1.1 交通標志在隧道內

駕駛員在隧道內通過交通指路標志的信息獲取，并實施操作過程，一共包括了感知階段、判斷準備階段、動作階段3 個階段。在感知階段，駕駛員在F 點發現交通標志，在R 點完成識別，到達G 點完成信息認識，這個階段稱為感知階段；之后，途經標志消失點K 和標志點M，駕駛員完成對交通標志信息的分析并判斷，在適應隧道出口段光環境變化后到達動作點E，這個過程稱為判斷準備階段；最后，在可插入點H，駕駛員判斷可插入，進行車速調整，到達車速調整點I，準備側向插入右方車道，到達橫移點J，車輛橫移入右側車道到達安全距離點T，準備進入互通下道，至此動作結束，這個過程稱為動作階段，整個過程見圖1。

圖1 隧道內駕駛獲取標志信息并實施操作過程

由圖1 可知，隧道出口與互通最小間距Sn為：

根據馮玉榮[9]研究，可插入間隙的平均等候時間tw由式（2）計算可得：

式中：t 為車輛臨界時間（s），一般取值為4 s；λ 為單位時間內平均到達率（輛/s），λ=Q/3 600，Q 為最大服務交通量（取二級服務水平）；τ 為車頭時距（指連續兩車通過車道或道路同一地點的時間間隔）最小值，一般取1.2 s。將以上數值帶入式（2），參照相關交通參數取值計算，得到如表1 所示。

表1 車道變換交通參數取值表

因此，等待間隙插入距離L1為：

在等待可插入間隙出現的時間內，車輛一直以變換車道最低車速Vh勻速行駛，直到車輛可插入，整個過程車輛行駛的距離為Vhtw。相鄰車道的車速一般不相同，相對車速為ΔV，調整時間t2為Vhtw/ΔV。根據相關研究成果，Vh為設計速度V 的0.76 倍。因此，判斷可插入間隙時間所行駛的距離L2為：

車輛在可變換車道時，駕駛員通過不斷調整車速進行變道直到變道成功，這段距離為變換車道調整距離L3，根據研究表明該段距離所需時間t3取2.5 s計算出L3為：

車輛在駕駛員對方向盤的操縱下慢慢橫移，需要一定的時間t4。根據研究結果表明，橫移的速度一般為1 m/s，高速公路道路寬度為3.75 m，橫移時間為道路寬度與橫移速度的比值，則t4為3.75 s，因此，變換車道橫移的距離L4為：

到達互通出口前的安全距離L5，車輛從外側車道到達互通匝道需要駕駛員對車輛進行操作，使得車輛能夠順利進入互通匝道口，安全距離視具體情況而定，一般情況下安全距離取100 m，即：

我國《公路隧道設計規范》（JTG D70-2—2014）指出，隧道內同向車道分界線在出口端應向洞外延伸100 m，則

1.2 交通標志在隧道外

交通標志位于隧道外的駕駛獲取標志信息和實施操作的過程和標志在隧道內的過程一致，也分為感知、判斷準備和動作三個階段，如圖2 駕駛員在F點發現交通標志，經過始讀點R、讀完點G 完成感知階段，進入判斷準備階段，直至最后動作階段的完成。

圖2 隧道外駕駛獲取標志信息并實施操作過程

根據駕駛員獲取標志信息并實施操作的整個過程梳理，要保證駕駛員讀完交通標志信息時交通標志并未消失，標志在隧道內時，見圖2，必須保證b＞c；標志在隧道外時，必須保證a＞m。交通標志在隧道外有別于隧道內，交通標志處于隧道內時，駕駛員在隧道內已經對交通標志進行了發現、識別、認讀、和理解，在隧道出口處與互通立交的小間距離主要考慮的因素主要包括車輛出隧道后駕駛員眼睛適應光變化的適應距離、內側車道換道距離以及隧道標志線的距離。相較于隧道內，交通標志在隧道外時還需考慮交通標志的發現、識別、認讀、理解過程，相對復雜。由圖2 可得，隧道出口到動作結束點p 的距離Sw：

式中：S1為出口駕駛員光環境適應距離，S2為發現點F 到動作點E 的距離，S3的取值將在下一節內容詳細闡述，S3的取值與標志在隧道內的相同，S2的取值引用相關文獻模型，S2為：

式中：V 為運行速度（km/h）；tf為標志視認反應時間（s）；H 為標志與小客車駕駛員視線的高差（m），一般取1.2 m；B 為駕駛員眼睛可視點至單懸臂的指路標志中間距離（m）；θ 為駕駛員眼睛視野的界限角度（°），相關研究表明視軸移動5°為最佳，本文θ 取值5°。

2 試驗方案設計

現場試驗主要針對在隧道出口段的眼動特性進行研究，擬通過眼動試驗采集隧道中駕駛員的眼動特性參數，該眼動儀眼動追蹤技術提供60 Hz 雙眼追蹤技術，可對駕駛員的眼動數據進行深化分析。使用時與電腦相連，操作者可采集駕駛員的屬性、執行校準、觀測實時注視軌跡并實時標注受試者的行為，獲取隧道出口段駕駛員眼動的變化規律，得到駕駛員出口明適應適應時間。駕駛員駕車分別對白馬隧道、大灣隧道、黃草嶺隧道、武隆隧道開展眼動特性試驗，利用眼動儀的眼球追蹤技術，實時跟蹤和采集駕駛員的眼動數據。試驗選取3 名駕駛員，駕駛員年齡分別為25、27、28歲，其矯正視力均在5.0 以上，駕駛員在隧道內駕車保證車速在80 km/h 左右。每條隧道進行兩次試驗，分別分路面左側和右側試驗。由于山區高速地形地貌會對光環境造成影響，駕駛員經過隧道出口明適應后瞳孔直徑穩定值不同。因此，本文選取瞳孔直徑變化比率作為駕駛員在隧道出口路段光環境適應情況的表征參數。選取試驗隧道出口前后10 s 的試驗數據進行分析研究，橫軸為時間軸，以隧道出口的時間點為零點，縱軸為瞳孔直徑變化比率。駕駛員瞳孔直徑變化比率變化正常范圍為±5%，而對于長隧道路段，隧道洞內的瞳孔直徑變化比率較大，出口（時間軸0 s 的點）后呈減小趨勢。三個駕駛員隨時間的瞳孔直徑變化比率圖以及選定點，見圖3～圖5。

圖3 駕駛員1 不同隧道出口瞳孔直徑變化比率圖

圖4 駕駛員2 不同隧道出口瞳孔直徑變化比率圖

圖5 駕駛員3 不同隧道出口瞳孔直徑變化比率圖

由圖3～圖5 可知，駕駛員在隧道內即將出洞時，瞳孔直徑變化比率波動幅度增大，出隧道后瞳孔直徑變化比率在短時間內進行了恢復，波動隨之穩定。現將各條隧道試驗所得的24 次有效明適應時間點匯總，見表2。

由表2 可知，隧道出口明適應時間主要集中在1～2.5 s內，得到本試驗隧道出口的明適應時間均值為1.782 s。國內外對隧道出口明適應的相關研究表明，駕駛員的明適應距離一般按照3 s 行程計算，與本試驗的結果相符，取值偏于安全。根據試驗結果，考慮隧道出口相關安全問題，本試驗研究明適應距離按照3 s 行程取值。

表2 隧道出口明適應時間表

3 隧道出口互通最小間距

3.1 交通標志在隧道內

交通指路標志位于隧道內時，隧道出口與互通最小間距為：

其中洞口明適應距離d 為2 s 行程，由于Sn行程較短，為簡化計算，將隧道出口互通路段視為勻速運動，本文試驗時車速為80 km/h，計算時速度V 取80 km/h。各個距離計算見表3。計算得出交通標志在隧道內的互通與出口最小間距Sn為370 m。

表3 交通標志在隧道內各區段計算表

3.2 交通標志在隧道外

交通指路標志位于隧道外時，考慮駕駛員對交通標志的視認情況，駕駛員駛出隧道出口后最不利情況為左行車右出口和右行車左出口，其反應時間均值分別為2.21 s 和2.44 s，考慮室內模擬試驗和實際情況的差異性，S2行程計算時tf取值3 s，B 取11 m，S3區段距離與交通標志位于隧道內相同，車速取80 km/h，具體計算見表4。計算得出交通標志在隧道內的互通與出口最小間距Sw為464 m。

表4 交通標志在隧道外各區段計算表

綜上所述，交通標志在隧道內時，隧道出口與互通最小間距為370 m；標志在隧道外時，最小間距為464 m，考慮實際路況的復雜性，隧道出口后駕駛員一般會提高車輛行駛速度，行程越長，速度越快。因此，交通標志在隧道內時，建議出口與互通最小間距取400 m；標志在隧道外時，最小間距為500 m。

4 結論

實際工況中，隧道內外的高度差、減光措施的設置、駕駛員的駕齡及疲勞程度等都會對明適應時間有所影響；同時隧道出口處駕駛員的加速行為等也會影響互通立交出口的設置距離。

因此，本文主要通過分析駕駛員在隧道出口與互通段獲取標志信息并實施操作過程，重點從駕駛員的視認特性的角度出發，結合生理心理狀態，在理想狀態下，通過現場試驗，探討出交通標志分別位于隧道內外時隧道出口與互通段的最小間距。主要得到以下結論：

（1）試驗以瞳孔直徑變化比率為表征參數，在隧道出口處，隧道內的瞳孔直徑變化比率波動幅度大于隧道外，出隧道后瞳孔直徑變化比率在短時間內進行恢復，隨之穩定；

（2）隧道出口明適應時間主要集中在1～2.5 s內，試驗得到隧道出口的明適應時間均值為1.782 s。

（3）當交通指路標志在隧道內時，最小間距為370 m；標志在隧道外時，最小間距為464 m。考慮隧道出口后車速的提高和行程，交通標志在隧道內時，建議出口與互通最小間距取400 m；標志在隧道外時，最小間距為500 m。