隧道至互通立交小凈距路段安全分流距離計算及仿真研究

肖文興

摘要 文章以珠三角地區(qū)某長隧道出口與互通立交分流匝道之間的凈距為依托，分析了運營期間小凈距路段存在的通行效率與安全問題，構建了基于換道理論的最小凈距組成內容，計算了最小間距的一般值和極限值。總結了小凈距路段出口專用車道方案、隧道內增設提示標志方案及直行定向車道方案三種不同交通組織方案的優(yōu)缺點，并逐級增加出口交通量進行交通仿真分析。

關鍵詞 隧道；互通立交；小凈距；換道理論；安全分流方案；交通仿真

中圖分類號 U453.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0022-03

0 引言

隨著我國高速公路路網日益加密，新建道路通過互通立交接入已建高速的情況屢見不鮮，當隧道出口附近存在較大交通源需要接入時，很可能導致高速公路隧道和互通之間凈距減少。過小的凈距往往會對主線交通流產生明顯干擾，可能誘發(fā)交通事故或擁堵[1]。

隧道為封閉的特殊結構，其運行環(huán)境、識別效應和高速公路基本路段差異較大，隧道出口至相鄰互通立交出口之間需要完成明適應、標志識別、變換車道等典型過程，當二者之間的凈距無法滿足正常設置出口標志而形成小凈距路段時，就需要針對該路段的交通運行特點進行交通組織，以解決小凈距帶來的安全隱患。

1 隧道出口至互通立交小凈距問題

1.1 現狀線形和交通條件

珠三角地區(qū)某高速公路主線為雙向六車道，路基寬33.5 m，設計速度120 km/h，路線穿越山區(qū)時設置有全長約1.2 km的長隧道，隧道出口毗鄰當地一處產業(yè)園區(qū)，為重要的交通源。為保持該產業(yè)園區(qū)接入主線的交通需求，設置有一座單喇叭互通，目前尚未開通運營。隧道出口至互通出口之間的凈距為600 m，為典型的小凈距路段。

1.2 小凈距路段交通運行的安全問題

車輛出隧道后的凈距顯然不滿足相關規(guī)范中完整設置2 km、1 km、500 m出口預告標志的要求。受隧道運行環(huán)境的限制和車輛分流運行特點的影響，當凈距過小時，很容易出現安全問題，誘發(fā)交通事故。如分流影響區(qū)車輛換道產生交織，沖突加劇；出隧道加速和分流減速導致行駛速度變化大，有追尾風險；分流交通量大時造成延誤加大，甚至會由連續(xù)流變成間斷流，不符合駕駛員的期望等。對隧道與互通出口之間的最小凈距加以控制，實際上就是要確保位于最不利車道上的車輛在正常交通條件下也能從容分流進入互通出口。

2 基于換道理論的最小凈距計算

2.1 換道模型的構建

關于車輛在高速公路上的駕駛行為國內外學者進行了多方位的研究，建立了各種影響因素的模型，其中易于理解，應用較為廣泛的是車道變換理論。根據車道變換理論，出隧道后車輛最小凈距一般包含四個典型過程：明適應距離，出口標志識別反應距離，尋找相鄰車道車輛間隙及變換車道距離，最后是最外側車道至互通出口的確認距離[2]。每一段運行過程均可按照相關理論進行計算，最后得出相應設計速度下推薦的最小凈距，最小凈距計算模型如圖1所示。

2.2 明適應距離

從有利于安全的角度，研究隧道與互通立交凈距時，駕駛人的明適應時間取值為3 s。可得到駕駛人明適應距離D0的計算結果，如表1所示。

2.3 標志反應距離

視覺是駕駛員獲取道路信息的主要途徑，駕駛人對前方標志的反應距離包括識別、讀取和決策等階段所需要的距離。通常情況下，交通標志在駕駛員視線內作用時間至少要達到1.5～2.5 s才能清楚辨認相關信息并做出相應決策。

計算得到標志反應距離D1，如表2所示。

2.4 尋找可插入間隙距離

尋找可插入間隙的行為本質是尋求相鄰車道車輛之間有足夠的間距，也就是某一橫斷面上相鄰車輛達到的時間滿足相關變道行為要求。交通流理論表明，可以通過車頭時距的分布特點來表征。根據相關研究成果，高速公路車輛的車頭時距服從負指數分布，且可以進一步用位移負指數分布曲線來進行描述[3]。

計算得到可插入間隙的距離D2，如表3所示。

2.5 變換車道距離

駕駛員決定利用相鄰車道間隙后隨即開始偏離原車道，以勻減速和一定角度駛入目標車道。

計算得到尋找可插入間隙及調整車位距離D3，如表4所示。

2.6 確認距離

確認距離指車輛駛入外側車道后，在自由流狀態(tài)下確認出口匝道的安全距離，其值按3 s行程計。計算出隧道后明適應距離D4，如表5所示。

2.7 最小凈距的一般值和極限值

考慮駕駛員是否識別標志及車輛從不同初始位置換道一、二、三次后再分流駛出時，最小凈距一般值和極限值長度D5，如表6所示[4]。

3 安全分流方案比選

3.1 出口專用車道方案

出口專用車道方案是在進隧道前2 km就開始指示分流車輛進入互通立交出口專用車道，出隧道后至互通立交出口的車輛無需再換道，完成明適應和確認距離后即可從定向車道從容駛出，現狀600 m凈距完全滿足，直行車流運行過程無相鄰車道車流換道干擾。

但隧道本身通行能力就不如基本路段，直行車道3變2后通行能力壓縮嚴重，很可能在隧道內形成擁堵，而互通立交連接的產業(yè)園區(qū)作為一個重大的交通源，分流交通量增加后也容易造成單車道專用道通行能力不足，與收費站一同形成交通瓶頸，整體運行效果如同封閉一條車道施工。

經計算，當設計速度為120 km/h時，三車道高速公路隧道出口至互通立交分流漸變段起點600 m的凈距難以滿足車輛從最內側車道連續(xù)換道兩次時極限最小凈距的要求。因此，除對互通立交出口進行提前預告，使車輛出隧道前就完成出口標志的識別反應過程，明適應結束后即開始尋找可插入間隙進行換道準備之外，還應對基本路段進入之前、隧道路段及出隧道后凈距路段采取合理的限速措施，使現狀凈距能與車輛實際運行速度匹配。

根據分流車輛換道時需要利用相鄰外側車道的可插入間隙，同時考慮實際駕駛行為在出隧道后會加速行駛兩方面因素。按100 km/h實際行駛速度下換道一次需要凈距364 m，現狀600 m的凈距可以提供較大的寬容度，受大貨車遮擋的影響也較小。為了減少交通量增加后對車輛分流造成的影響，應進一步優(yōu)化組織交通，出隧道后減少分流車輛的換道次數。

因此，隧道出口至互通立交小凈距路段安全分流出口專用車道方案的總體思路主要從速度管理與控制、提前預告和減少換道次數三個方面來進行。

3.2 隧道內增設提示標志方案

隧道內增設提示標志方案的交通運行特點符合駕駛員期望，對沿線交安設施改動較小，不需要提前引導駕駛員變道，需要優(yōu)化的只是將出口標志識別的時間提前在隧道內或進隧道前完成。出隧道后的內側車道利用600 m凈距進行2次變道駛入互通立交出口。經分析研究，這600 m凈距之所以能安全駛出是建立在標準運行條件下的，當后期交通量和大型車比例增加后對運營環(huán)境的影響較大。因為交通量增加會導致車頭時距減少，大型車比例增加也會使正常換道視線受大貨車的遮擋，這些不利因素都需要更長的換道距離，容易導致來不及分流，進而誘發(fā)交通事故。

3.3 直行定向車道方案

設置主線最內側車道為直行定向車道，需要分流的車輛盡量在進隧道前根據指示靠中間和外側車道行駛。互通立交出口車輛在凈距范圍最多經過一次換道操作即可實現分流，上述計算可知標準運行狀況下換道一次需要凈距364 m即可，現狀600 m的凈距可以提供較大的寬容度，受大貨車遮擋的影響小，基本路段三條車道均可以得到較好的使用。

隨著交通量增加，后期出現無法正常變道及服務水平下降至四級時，最大服務交通量也更大，由換道引起的交通沖突相比隧道內增設提示標志方案也有較大緩解。但出口交通量增加較多時可能會對外側兩車道的直行車輛造成一定的延誤。

4 交通仿真

按凈距路段調查交通量換算可知斷面交通量2 112 pcu/h，預計互通立交開通后初始分流交通量245 pcu/h，匝道類型為單出口的單車道匝道，主線運行狀況良好。按預計分流交通量及逐級增加交通量的方式進行仿真分析，結論如下。

出口專用車道方案仿真結論：按照互通開通后預測分流交通量249 pcu/h時，主線和匝道均未出現擁堵，換道地點距離隧道入口750 m，距離提示車道標志牌250 m，即前視距離250 m開始換道時，行駛軌跡順暢。當分流車量達到920 pcu/h時，會出現不及換道導致延誤的情況，服務水平降至三級。分流車輛達到1 693 pcu/h時，進入匝道車輛出現停車現象，服務水平降四級。分流車輛達到1 761 pcu/h時，路段服務水平達到五級，出現明顯的排隊現象。

隧道內增設提示標志方案仿真結論：按照互通開通后預測分流交通量249 pcu/h時，主線和匝道均未出現擁堵，但出現車輛在小凈距路段產生交通沖突的現象。分流車輛達到555 pcu/h時會導致車輛出隧道之后無法及時變道。分流車輛達到1 567 pcu/h時，進入匝道車輛出現停車延誤現象。分流車輛達到1 636 pcu/h時，進入匝道車輛出現明顯的排隊現象。

直行定向車道方案仿真結論：按照互通開通后預測分流交通量249 pcu/h時，主線和匝道均未出現擁堵。分流車輛達到920 pcu/h時會導致車輛出隧道之后無法及時變道。分流車輛達到1 649 pcu/h時，進入匝道車輛出現停車延誤現象。分流車輛達到1 693 pcu/h時，進入匝道車輛出現排隊現象。

出口專用道方案交通仿真結果如表7所示。

5 結語

該研究為高速公路隧道出口至互通立交小凈距條件下的交通組織方式提供了較為完整的研究思路和多種解決方案。其中出口專用車道方案現狀凈距足夠且無換道需求，運行安全。但易造成隧道內通行能力不足和出口交通擁堵，造價最高。隧道內增設提示標志方案造價最小，與駕駛員期望相符，無須提前指示換道，不易產生擁堵。但需要在凈距內進行兩次換道，對交通量增長適應性不高，安全問題突出。直行定向車道方案對交通量增加的適用性較高，出隧道后僅一次換道需求，安全性較高，但出口交通量增加較多時可能會對外側兩車道的直行車輛造成一定的延誤，經交通仿真分析，該方案的綜合性能最優(yōu)。

參考文獻

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[3]王云澤， 潘兵宏， 邵陽. 互通式立交分流選擇行為概率模型研究[J]. 公路交通科技， 2014（12）： 104-109.

[4]陳荔， 張馳， 王博， 等. 隧道與互通出口小凈距路段換道可靠性研究[J]. 中國公路學報， 2022（9）： 51-65.