英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

道路隧道与公路设计中的视距与水平曲线

摘要

道路隧道的设计是高速公路几何设计的重要组成部分。

根据道路隧道驾驶行为、纵向摩擦特性和公路安全考虑的研究概况，研究实现了并获得了道路隧道与开放式道路的视距要求的合理标准。这些标准有助于产生一定的设计速度范围内的水平曲线半径的设计值。对道路隧道停车视距的评估是通过假设：（1）驾驶员因有界横截面警觉而产生较低的知觉反应时间；（2）较高的摩擦系数值取决于隧道表面条件：如潮湿或干燥的隧道。假设湿路面为理想设计的情况下，也为“隧道末端”（EOT）区域产生了停车视距（SSD）设计值。实施道路隧道视距的独特标准大大降低了设计价值。

道路隧道水平曲线半径的分析基于两个概念：（1）平衡，即通过超高度平衡离心力和调整到道路隧道的径向摩擦系数；（2）通过分析三个方案符合驾驶员的位置沿内车道停车视距的要求（内部线、中心线左手部曲线，和右手曲线）。

研究得出的结论是道路隧道中安全水平曲线半径的关键概念（如开放式道路）是停止视距。分析表明，只有最低设计速度（即50和60 km / h），平衡要求才能产生较高的水平曲线半径。而且驾驶员位置（左手或右手曲线）对水平曲线半径的设计值有相当大的影响。分析还表现出道路隧道的水平曲线半径远低于开放式道路的半径。这种差异也会随着设计速度的增加而增加。并且，隧道路面状况（特别是干隧道）和驾驶员行为特征对停车视距和水平曲线半径都有重大影响。

如果能够通过适当的交通管理和执行维护设计车辆（乘用车）的速度，我们所需求的交通安全水平就会有很大的提高结果。

1. 背景：隧道与开放的高速公路

道路隧道的设计是高速公路几何设计的重要组成部分。道路施工要沿着困难的地形，需要克服自然条件，这也是选择道路隧道替代作为解决方案的主要动机。选用道路隧道解决方案能够最大限度地减少对环境和土地的破坏，保护土地资源，减少交通拥堵和空气污染。一般来说，道路隧道的设计应基于开放高速公路的几何设计原则。隧道与公路之间的差异是由以下原因引起的：（1）施工成本考虑；（2）照明；（3）结构要求；（4）横断面影响；（5）摩擦系数和驾驶员感知反应时间调整为隧道表面性质；（6）通风设计对纵向梯度的影响；（7）除了交通结构壳层，运输危险物品和标志装置（为了交通和消防安全指导），还需要在隧道结构壳层内确定补充元素。这些差异问题是基于几个国家的道路隧道设计指南和公路几何设计指南（Austroads，2009，2010；AASHTO，2011； FHWA，2009； RAA，2008； PIARC，2001,2003,2004,2008；DMRB，1999 ；Norway，2004），以及最近在以色列建造的道路隧道项目的实践经验。

关于用户（驾驶员）和操作员观点影响隧道的几何设计与开放式道路产生主要差异如下：

1.1 差异：隧道与开放式道路

（1）照明：隧道除出入口外拥有用于24个小时永久照明。 照明方案取决于隧道对准所在的横截面，隧道长度，地面和岩石属性。 白天的照明计划也与夜间不同。司机进入隧道后，视野立即变暗，需要在很短的时间内，来让他们的眼睛适应在隧道中的相对黑暗的环境，因为在这个适应过程中行进的距离是相对于行驶速度而言的。 所以为了安全起见，隧道横截面的基本照明元件是路面和隧道壁的下部（DMRB，1999）；

（2）道路隧道的设计需要补充系统的组成部分（消防安全，火灾探测，通风，通信系统），这些系统不是关键的，也不存在于开放的道路上。但是它们对隧道设计至关重要。它们的设计取决于隧道截面尺寸和隧道长度等。

（3）在道路隧道的几何设计过程中，必须考虑到由于道路交通事故造成的救援车辆，救护车和重型车辆的可及性。

（4）驾驶员（尤其是休闲驾驶员）难以估计纵向坡度。

（5）有界横截面加剧驾驶员在沿着隧道行驶时正确估计距离的驾驶员的能力，并且特别是在水平曲线之前也识别道路对准。

（6）当驾驶员沿着隧道车道行驶、识别道路线形，尤其是在水平曲线之前时，有界的横截面恶化了其正确估计距离的能力。

（7）道路隧道驾驶员感觉反应特征（尤其是休闲驾驶员）的特点不同。一方面，驾驶员觉得很难与隧道受限制的环境相适应。他会感到闷闷不乐，因为无法连接露天地区的自然环境。尽管如此，由于司机（特别是通勤者或普通司机）在隧道变化的环境中变得更加警惕，所以隧道较开放式道路表现出更好的事故记录（Austroads，2009; Lemke，2000）；具体来说，是因为没有路边障碍，采取了较窄的路肩设计并且是制定了更加严格施工标准和安全特征（交通管制和消防安全）。

（8）隧道墙和有界横截面作为物理障碍物，在设计过程中必须要考虑。重型车辆（HGV）很可能在通过隧道段时受到限制，还有那些潜在的无法进行U型转向的机动要求。

（9）交叉口和分支连接（叉）不适用于隧道的设计。 这些几何设计元素显着增加了施工成本，并且可能会使沿着隧道坍塌环境的司机造成混乱。

（10）由于钻孔机，混凝土的数量和互补系统的使用，道路隧道的施工成本显着高于开放式公路。

1.2 几何设计视角和纸张目标

水平和垂直曲线可能是必要的，将隧道与它的接近巷道对齐，以避免在地面上的障碍物。像表面路面一样，确定道路隧道的水平和垂直曲线半径需要相同的考虑因素和几何设计要素：设计速度，等效减速度或摩擦系数，驾驶员感知反应时间，离心力，超高视距，视距和视线。此外，在隧道出口处可以保持轻微的水平曲线，以允许驾驶员在白天期间逐渐调整到隧道外的明亮处。当设计具有极端曲率的隧道时，应仔细检查视距，否则可能导致有限的停留视距（SSD）。

目前研究的主要目标是为获得道路隧道与开阔路面的距离，以此来制定出合理的标准。这些标准基于对道路隧道驾驶员行为和交通安全以及相关停车瞄准距离分量的广泛文献综述：感知反应时间（PRT）和纵向摩擦系数（）。

第二个目标是根据停车瞄准距离的结果，在道路隧道的几何设计中考虑一定范围的设计速度的水平曲线半径的设计值。

1. 道路隧道交通安全和驾驶行为

沿着隧道行驶，狭窄的狭窄环境可能会导致焦虑、不确定性，甚至会产生因为恐惧撞击其他车辆或隧道墙壁以及其他危险情况，如火灾或隧道塌落（世界路协，2008; Caliendo et al，2013）。

驾驶员在隧道中驾驶时通常会降低速度并增加其到隧道墙的横向距离（Caliendo等人，2013），这可以理解为在沿着公路隧道行驶时驾驶员会自觉提高警觉性。这种驾驶行为的变化通常在接近隧道门户时发生。Amundsen和Ranes（2000）认为，由于视野黑暗和安全问题，隧道行驶会导致一定程度的“不安”感。

因此，在隧道行驶需要补充注意力和精神工作量（世界路协，2008），从而提醒驾驶员提高警惕。

根据Lemke（2000）和Yeung and Wong（2013）的观点，当处于道路网络中的隧道部分时，小型驾驶员通常倾向于以更低的速度驾驶。

与事故发生在开放的道路的情况相比，发生在隧道的风险减少许多（大约一半）。然而，隧道事故严重程度较高：如车辆撞向隧道壁的情况相比，安全屏障（较在开放式道路）缺乏和有限的救援设备如起重机在隧道中使用条件受到限制（Lemke，2000）。

2.1水平线形对隧道交通安全的影响

复杂的水平排列比相对直线对齐容易发生更多的碰撞。 考虑到隧道墙减少了道路隧道对准的视线，司机难以估计弯道的存在（Caliendo et al，2013）。

根据Swov（2009年），道路隧道的交通安全改善可以通过增加与隧道墙之间的距离（通过创建紧急车道），如果不能防止平坦的水平半径，则在水平弯道中产生较宽的水平横向偏移，从而会限制纵向等级，导致降低速度而引起差异。Amundsen（2009）显示事故风险和水平曲率相关。表1列出了水平半径组的事故率结果。 从表中发现较小的半径会增加事故发生的概率。造成这种现象的可能原因是小半径被部分设计用于径向加速度平衡，但没有实现水平瞄准距离要求。另外，括号中的数字表示观测隧道的总长度，单位为公里。

表1：事故率与水平半径之间的关系（Amundsen，2009）

1. 道路隧道与开放式道路停车视距

SSD是驾驶员在设计速度或设计速度附近行驶时可以沿着道路前方看到障碍物并在到达静止物体之前安全停止的距离。SSD可以由垂直和水平曲线进行控制。SSD影响两条曲线的设计半径的事实使得它在几何设计过程中至关重要。

停车视距包括有两个部分：（1）驾驶员感知反应时间内行驶的距离；（2）制动过程中行驶的距离。

停车视距可以通过以下公式确定： （1）

其中SSD是最小停车视距（m），Vd是设计速度（km / h），d是乘用车的减速度（m / s2），相当于纵向摩擦系数（）乘以重力加速度 g），和PRT是驾驶员感知反应时间（s）。

公式假定的地形是水平的，相应的升坡时SSD值会降低，降坡时SSD值会下降。

SSD公式的两个敏感参数在道路隧道与开放式道路（如背景部分所述）中有预期的不同之处在于感知反应时间（PRT）和纵向摩擦系数（）。

3.1驾驶员感知反应时间：研究概况

人感知制动反应时间（PRT）可以分解为两个基本组分（Green，2000）：

心理处理时间（MT）：感知信号已经发生所需的时间，以及对响应的决定。 驾驶员检测到一个人在巷道上行驶并且制动器应该被应用的时间（Green，2000）。 大部分研究的这个组成部分都被认为是感知时间（Summala，2000,2002）。

移动时间：从踏板上抬起脚直到接触制动踏板所需的时间。这个时间也可以叫做Summala的响应时间（2000年，2002年）。

隧道行车需要比在开放式道路行驶要求有更多的关注和精神工作的负担。然而，这会导致某些驾驶员的焦虑和心理压力的封闭环境，迫使驾驶员通过降低驾驶速度和保持与隧道墙的横向距离来更加警觉和谨慎。尽管如此，由于隧道不寻常的驾驶环境，隧道内的事故发生率仍比开放式道路低。

由于隧道不寻常的驾驶环境，基于对开放道路PRT结果的广泛文献综述，令人惊讶的驾驶员将在平均1.5秒后开始制动，因为完全预期的事件只需要0.75秒（Green，2000）。 如果期望值被认为是正常的，即需要停止车辆或由于刹车灯而放慢速度，则预期的PRT为1.25秒。 在道路安全方面，司机在短时间内会更快地作出反应，至少直到仍有机会作出其他可能的回应（Green，2000）。 图。 1（Summala，2000年）显示，青年司机（18-40岁）和老年司机（50-84岁）的PRT正常分布处于惊喜状态。司机在迈过山顶之后的道路上遇到了第一个障碍。

图1.在意外情况下的感知时间、响应时间和PRT（Olson和Sivak，1986年，Summala 2000，2002年重绘）

分布图基于Olson和Sivak（1986）的结果。看起来，较老的驾驶员的移动时间较短（响应时间较短），因此可以缓解感觉时间（精神处理时间）。分配显示，老年司机的最大PRT为1.75秒，年轻司机的PRT为1.45秒。另外Lerner（1993）也显示出相似的平均PRT结果：对于年轻女性而言为1.22秒和其他组在意外的情况（如视线突然受到障碍）为1.40-1.65秒。Summala（2000）提出，在相当紧急的情况下（大约4秒的碰撞时间），未改变的司机的PRT可能是1.0-1.3秒而不是Green（2000）采用的1.5秒，在正常的意外情况下：低于1.0秒，而不是Green（2000）采用1.25秒。

Durth和Bernhard（2000）在峰顶垂直曲线上检查了制动性能。驾驶员在没有被告知所需的制动机动，即意外状况。研究实验期间，路段封闭交通。感知反应时间（PRT）作为初始速度的函数的结果如图1所示。从图中观察到的数据点的趋势，可以确定PRT值较低值为0.6s。图2显示了初始速度从75公里/小时增长到105公里/小时时PRT的减少。观测数据点的上界图（第95百分位数）表示初始速度为75公里/小时是，PRT为1.85秒；而初始速度为105公里/小时，PRT为0.8秒。这意味着随着初始速度的增加，驾驶员会变得越来越紧张。 Durth提出2.0 s作为停止叹号

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[140369]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word