张 弛1， 杨少伟1，2，潘兵宏1，2
(1.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点试验室， 陕西 西安 710064)
摘要：在山区城市，平面交叉口和隧道是城市道路的重要组成部分，其合理的净距将直接影响城市道路构造物的设置位置和城市道路交通的运行质量。通过对城市道路平面交叉口与隧道净距定义的界定，分别从驾驶员在隧道出口处的“明适应”距离、驾驶员识认交通标志距离、车辆变道的行驶距离和安全驶入平面交叉口的距离等方面，分析了各种影响因素，对需求距离进行了研究。建立了城市道路平面交叉口与隧道合理净距的计算模型，并给出了不同运行速度下城市道路平面交叉口与隧道合理净距的参考值。
关键词：交通工程；净距；计算模型；影响因素；平面交叉口；隧道
随着我国经济的快速发展，城市规模在逐渐扩大，城市道路也在飞速发展。
受地形条件约束，尤其是在山区城市，道路出现了一些平面交叉口与隧道连接的路段。我国现行的行业规范《城市道路交叉口设计规程》(CJJ152—2010)并没有给出如此设置时两者之间的设置距离，更没有给出计算模型，给广大设计人员带来了困难。通过检索国内外文献发现，目前对城市道路平面交叉口的研究成果多集中在交通组织和渠化设计，对城市隧道的研究成果则更多表现在施工和安全保障措施，但关于城市道路平面交叉口与隧道相连接的研究成果较少，而对城市道路平面交叉口与隧道净距的研究还处于空白阶段。为此，本文从保障车辆平稳运行及平面交叉口的类型等条件着手，给出不同运行速度下城市道路平面交叉口与隧道合理净距的参考值，为同类工程设计提供参考。
目前，城市道路平面交叉口与隧道净距还没有明确定义。笔者认为：城市道路平面交叉口与隧道的净距是二者之间的最小控制标准，指仅考虑车辆从隧道出口以正常速度离开平面交叉口所需的最小距离，或驶入平面交叉口后以正常速度至隧道入口所需的安全准备距离，如图1所示。
图1 城市道路平面交叉口与隧道净距示意图
Fig.1 Schematic diagram of net distance between urban road intersection and tunnel
通过对隧道事故的统计分析发现，隧道入口段的交通事故多发生于驶入隧道后，而隧道出口段的交通事故多发生于驶离隧道后[1]。因此，本文用平面交叉口与隧道出口净距作为控制条件来确定城市道路平面交叉口与隧道净距的计算模型，即隧道出口至交叉口停止线的距离。为了计算方便和简化模型，不考虑公交车专用道和隧道出口公交站点衔接对净距的影响，并将与隧道连接的城市道路作为主要道路进行分析。研究城市道路平面交叉口与隧道出口间净距主要从驾驶员“明适应”距离、对交叉口标志的识别认读距离、完成变道操作的距离和安全驶入平面交叉口的距离等方面考虑。
城市道路平面交叉口与隧道出口间净距(见图1)的计算公式为：
(1)
式中，L为城市道路平面交叉口与隧道出口的净距；L1为“明适应”距离；L2为识认交叉口标志的距离；L3为变换车道的距离；L4为安全驶入平面交叉口的距离。
2.1 城市道路平面交叉口与隧道出口净距的需求距离2.1.1 隧道出口驾驶员“明适应”的距离
由于隧道洞口前后行车环境复杂，行驶速度、路面状况、线形条件等因素的改变，易使驾驶员因紧张出现操作失误而极易导致交通事故。尤其是在车辆驶离隧道时，由于环境亮度突然增强，视觉上会感到不适，会对驾驶员的驾驶状态和行车的稳定性产生较大影响。这种现象被称为“明适应”[2]。因此，在分析城市道路平面交叉口与隧道出口间净距时，必须考虑驾驶员“明适应”的距离。其距离计算公式为：
(2)
式中，v为运行速度；t1为驾驶员“明适应”时间。
一般情况下，驾驶员在驶离隧道出口后需要1～3 s的时间恢复视力，城市隧道内外均有照明。考虑行车安全，研究城市道路平面交叉口与隧道出口距离时，t1取3 s“明适应”时间进行分析。
国内研究现状的大量观测结果表明，车辆在隧道出口段并不是一种近似于匀速运动的状态，而表现为先减速后加速[3]。一般情况为出隧道前减速，出隧道后加速。根据研究成果，出隧道的加速度取0.2 m/s2 [4]。车辆由暗处驶入明处时，出于安全考虑，取3 s进行分析。由于出隧道的加速度较小且加速时间不长，可将此段时间内车辆的行驶状态近似于匀速状态。
2.1.2 识认交通标志需要的距离
驾驶员驾驶车辆驶离隧道进行“明适应”后，应能及时识别前方道路交叉口标志,并做出判断和采取行动[5-6]。因此，识认交通标志的距离L2的公式为：
(3)
式中，H为标志与驾驶员视线的高差，本文取1.2 m；V为运行速度；t2为驾驶员对交通标志的视认反应时间，本文取2.7 s [7]；B为行车道宽度，本文按双车道计算，取7.0 m；α为驾驶员视限,驾驶员视轴移动5°时，识别标志的效果最好,故本文取α=5°进行计算[8]。
2.1.3 考虑车辆变道的行驶距离
驾驶员在识认标志之后可能要进行变道等一系列驾驶操作。完整的车辆变道包括等待可插入间隙、调整行车状态、驾驶员判断插入的可能性和车辆横移等过程。城市道路车辆行驶速度较低，车辆在变道时若不存在可插入间隙,可以减速甚至停车等待直至存在可插入间隙,考虑到车辆变道的最短行驶距离，故该过程仅需考虑车辆横移完成车道变换行驶的距离。以由直行车道变道至右转车道为例，完成这一行驶过程的距离分析如图2所示。
图2 车道变换示意图(单位：m)
Fig.2 Schematic diagram of lane changing(unit:m)
L3为车辆从直行车道变道至右转车道过程中的行驶距离。该距离计算公式为：
(4)
式中，v为运行速度；t3为车辆横移1条车道的时间。
当驾驶员做好变道准备后,即可进行车道变换。车辆横移1条车道所需的时间为:
(5)
式中，w为行车道宽度；vj为车辆横移速度。
根据现有的研究结论,车辆横移速度vj=1 m/s2 [9]。当v≤60 km/h，城市道路行车道宽度一般取值为3.5 m[10]，故横移时间t3为3.5 s。
若该路段车道数不少于3条时，驾驶员可能需要多次(不少于两次)的变道操作，则车辆完成变道过程行驶距离的公式为：
(6)
式中n为车辆变道次数。
2.1.4 基于视距的安全驶入平面交叉口的距离
车辆由隧道出口驶入平面交叉口区域后，车辆安全驶入平面交叉口的距离也是分析城市道路平面交叉口与隧道出口净距的一个重要内容，而平面交叉口的视距是影响平面交叉口安全的重要因素，且平面交叉口的交通控制类型决定了其视距。因此，根据《城市道路交叉口规划规范》(GB 50647—2011)并考虑实际计算需要，将与隧道出口连接的城市道路平面交叉口分为对次路车辆进行停车让行控制的主路优先交叉口、对次路车辆进行减速让行控制的主路优先交叉口、全无管制交叉口和信号控制交叉口这4种类型，进行车辆安全驶入平面交叉口距离的研究。
(1)停车让行控制交叉口
通过在次路设置停车让行标志，保证次路上的驾驶员有充足的时间观察主路两侧车行状态，以完成左转、右转或穿越主路，从而使平面交叉口通行顺畅，避免过多的交通冲突。
次路驾驶员从停车位置启动的安全视距为：
ISD=0.28vt，
(7)
式中，ISD为停车让行控制交叉口沿主路的安全视距；v为主路车辆的行驶速度；t为次路车辆驶入交叉口时的主路车辆临界时间间隔。
从安全角度考虑，应保证所有类型车辆在驶入停车让行控制交叉口区域时均有足够的安全视距。如表1所示。次路车辆右转所需的主路车辆时间间隔较左转时减少1 s，且对于停车让行控制交叉口，次路车辆左转或右转进入平面交叉口的规定安全视距均可保证车辆有充足的时间穿越主路。因此，车辆安全驶入停车让行控制交叉口的距离即为次路车辆左转沿主路的安全视距。
表1 停车让行控制交叉口次路车辆驶入交叉口时的 主路车辆临界时间间隔[6](单位:s)
Tab.1 Critical interval time of main road vehicles forintersection that stop and control vehicles on minorroad when they entering intersection(unit:s)
临界间隔小客车载重货车鞍式列车支路左转7.59.511.5支路右转6.58.510.5支路直行———
注：若主路为双向多车道，每增加1条车道，小客车的时间间隔增加0.5 s，载重汽车的时间间隔增加0.7 s。
(2)减速让行控制交叉口
由于减速让行控制交叉口属于无信号控制交叉口，因此车辆驶入减速让行控制交叉口的距离即为次路车辆穿越平面交叉口时沿主路的安全视距。
①次路左转或右转沿主路的安全视距
次路的驾驶员从停车位置启动的安全视距为：
ISD=0.28vt，
(8)
式中，ISD为减速控制交叉口沿主路的安全视距；v为主路车辆的行驶速度；t为次路车辆左转或右转至主路的车辆临界时间间隔，如表2所示。
表2 减速让行控制交叉口次路车辆左转或右转时的 主路车辆临界时间间隔[6](单位:s)
Tab.2 Critical time interval for main road vehicles inslow down control of left-turn or right-turn ofvehicles on minor road(unit:s)
临界间隔小客车载重货车鞍式列车支路左转或右转8.010.012.0
注：若主路为双向多车道，每增加1条车道，小客车的时间间隔增加0.5 s，载重汽车的时间间隔增加0.7 s。
②次路穿越主路安全视距
次路车辆从平面交叉口决策点以一定的制动减速度减速至次要道路行驶速度的60%到达主路边缘，然后保持该速度穿越平面交叉口。受次路减速让行控制穿越主路的车辆所需的安全视距可通过下式计算得出：
ISD=0.28vtg，
(9)
(10)
式中，ISD为减速控制交叉口穿越主路的安全视距；tg为次路车辆以较低速度穿越主路时的主路车辆临界时间间隔；ta为次路车辆从决策点至主路减速范围的时间；W为穿越平面交叉口的距离；L为设计车辆长度；vc为次路车辆行驶速度。
计算结果中的时间间隔应大于减速让行控制交叉口车辆穿越主路的时间间隔，即小客车最少为6.5 s[6],故tg取6.5 s。
减速让行控制交叉口的安全视距计算结果如表3所示。
表3 减速让行控制交叉口的安全视距
Tab.3 Safe distance for slow down control intersection
运行速度/(km·h-1)60504030次路小客车左、右转沿主路安全视距/m1351159070次路小客车穿越主路沿主路安全视距/m110957555
根据上述讨论结合表3计算结果分析，并考虑安全因素，本文取小客车左转或右转沿主路的安全视距作为车辆进入减速让行控制交叉口后安全驶入的距离。
(3)全无管控交叉口
车辆在驶入全无管控交叉口区域时，一般情况下均存在冲突点，然而车辆并不会减速至零，所以车辆进入全无管控交叉口后安全驶入的距离即为全无管控交叉口的安全视距，而该视距必须满足停车视距的要求。
(4)信号控制交叉口
车辆驶入信号控制交叉口时，均受交通信号灯控制，交通运行行为单一，所以信号控制交叉口视距只需满足停车视距的要求。同时也必须考虑信号控制交叉口红灯时车辆排队长度对其的影响，出于安全角度考虑，选取红灯时最大车辆排队长度进行计算。
①信号控制交叉口停车视距
停车视距可分解为反应距离和制动距离两部分(图3)，即：
(1)
式中，ST为停车视距；S1为反应距离；S2为制动距离；v为行驶速度；t为驾驶员反应时间，取2.5 s；φ为路面与轮胎之间的附着系数，按潮湿状态下的路面取值计算，水泥混凝土路面取0.5，沥青混凝土路面取0.4。本文选择沥青混凝土路面，取0.4[10]。
图3 停车视距示意图
Fig.3 Schematic diagram of stopping sight distance
根据式(10)计算可得出不同运行速度下的停车视距，计算结果见表4。
表4 停车视距
Fig.4 Stopping distances
运行速度/(km·h-1)60504030停车视距/m78604430
②信号控制灯为红灯时的车辆最大排队长度
信号为红灯时交叉口车辆最大排队长度为：
Ls=9N，
(12)
式中N为高峰时段15 min内1个信号周期的排队车辆数，N值应根据交叉口的交通量和交通组织方式确定。不进行实地调查统计时可进行估算，建议取值为6辆小汽车的排队长度，即45 m[11-12]。
2.2 城市道路平面交叉口与隧道净距的分析
根据上述对驾驶员“明适应”距离、识认交通标志距离、变道行驶距离和考虑交叉口视距的安全驶入距离的分析，可得到不同运行速度下城市道路平面交叉口与隧道合理净距的参考值，见表5。
表5 城市道路平面交叉口与隧道净距参考表(取5 m)
Fig.5 Reference table of net distance between urban roadintersection and tunnel (take 5 m)
运行速度/(km·h-1)“明适应”距离/m识认交通标志距离/m变道距离/m安全驶入平面交叉口的距离/m停车让行减速让行信号控制全无管控6050806013013512590504575501051151057040356540859090503025603065707530
注：“变道距离”指车辆一次变道时向前行驶的距离。
(1)通过界定城市道路平面交叉口与隧道净距的定义，分析各种影响因素，对需求距离进行了研究，建立了城市道路平面交叉口与隧道合理净距的计算模型，并给出了不同运行速度下城市道路平面交叉口与隧道合理净距的参考值。
(2)在实际应用中，应结合不同的设计速度和交通控制方式，采取相应的方法来确定平面交叉口与隧道间的净距。
(3)本文只探讨了城市道路平面交叉口与隧道合理净距的参考值。当净距过小时，应采取的交通安全保障措施和管理方法还应进一步研究。
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ZHANG Chi1， YANG Shao-wei1，2，PAN Bing-hong1，2
(1.School of Highway, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064, China；2.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Xi’an Shaanxi 710064, China)
Abstract：In mountainous city, intersection and tunnel are the important parts of urban road, the reasonable net distance directly affects the structure setting position and the traffic operation quality of urban road. Through the definition of net distance between urban road intersection and the tunnel, different influencing factors of demand distance, such as light adaptation distance of driver at tunnel exit, distance of driver to recognize traffic sign, travel distance of lanes changing, and distance of driving into intersection safely, are analysed respectively. The model for calculating the reasonable net distance between urban road intersection and tunnel is established, and the reference values of the reasonable net distance for different driving speeds are put forward.
Key words：traffic engineering; net distance; computational model; influencing factor; intersection; tunnel
References：
收稿日期：2015-09-28
作者简介：张弛(1990-)，男，河南南阳人，硕士研究生.(zhangchi_ny0377@163.com)
doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.021
中图分类号：U412.35+1
文献标识码：A
文章编号：1002-0268(2016)10-0137-05
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