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

公路隧道设计中的视距与平曲线

摘要

公路隧道的设计是公路几何设计的重要组成部分。

本研究分别从驾驶行为、纵向摩擦特性、公路隧道中的道路安全三个方面与洞外公路进行了对比，从而得到了满足要求的、合理的隧道视距标准。这些标准有助于获得用于一定范围设计速度的平曲线半径。以下假设可以影响公路隧道的停车视距：（1）由于驾驶员对道路横截面边界的警觉心理而产生了较低的感知反应时间，（2）隧道表面的摩擦系数值也将影响停车视距：潮湿或干燥的路面。当把洞内公路表面设定为潮湿路面时即可得到停车视距（SSD）的设计值。洞内公路实施的、特殊的停车视距标准则明显低于洞外公路停车视距的设计值。

可以通过两个方面分析公路隧道的平曲线半径：（1）平衡分析即通过调整用于平衡离心力的超高和径向摩擦系数，使它们适用于公路隧道；（2）分析驾驶员在内车道不同位置行驶时的三种方案（沿中线行驶，靠左侧行驶，靠右侧行驶）是否满足停车视距的要求。

综上所述，安全的平曲线半径在公路隧道（和洞外公路相同）的关键影响因素是停车视距。分析表明，只有较低的设计速度（即50到60公里/小时）才能满足较小的平曲线半径的要求。驾驶员位置（靠左或靠右行驶）对平曲线半径的设计值有相当大的影响。洞内公路的平曲线半径明显小于洞外公路的半径。差异随着设计速度的增加而增加。所以路面状态（尤其是干燥的路面）和驾驶员的行为特征对停车视距和平曲线半径有着较大的影响。因此本研究的结果对车辆（乘用车）设计速度的计算是非常有用的，这个设计速度可用于交通管理和执行。

1. 背景：洞内公路与洞外公路

公路隧道的设计是公路几何设计的重要组成部分。当需要在困难的地形上、克服各种自然条件建设公路时就需要选择隧道的解决方案。隧道的解决方案减少了对环境和土地的破坏、保护了土地资源、减少了交通拥挤和空气污染。公路隧道的设计应以洞外公路的几何设计原则为基础。洞内公路和洞外公路之间的差异是由以下原因造成的：（1）施工成本的考虑；（2）照明；（3）结构要求；（4）截面的影响；（5）摩擦系数以及驾驶员进入隧道后的反应时间；（6）隧道纵向梯度上通风设计的影响；（7）除了隧道内的围护结构外，还需要定位隧道围护结构的互补组成部分：危险货物运输和信号设施（交通和消防安全指示标志）。上述问题的差异是从这几个国家(Austroads, 2009, 2010; AASHTO,2011; FHWA, 2009; RAA, 2008; PIARC, 2001, 2003, 2004, 2008;DMRB, 1999; Norway, 2004)的隧道公路设计指南、公路几何设计指导原则以及以色列最近的公路隧道工程建设实践经验得出的。

用户（司机）和运营商的观点将影响洞内公路与洞外公路的几何设计，他们的观点所存在的差异记录如下：

• 1. 差异：洞内公路与洞外公路
     1. 灯光：隧道除了入口区域外有24小时持续的灯光照明。照明计划取决于隧道的横截面、隧道长度、隧道地面和隧道不同位置的岩石属性。白天的照明计划不同于夜间。司机进入隧道后，没有了日光的照射，他们要在很短的时间内适应隧道中相对昏暗的环境，因为在这个适应过程中车辆行驶的距离会随着速度的增加而增加。出于隧道横断面的安全考虑：隧道的路面和两侧的隧道壁都应设置必要的照明设施。
     2. 公路隧道的设计需要设置以下系统（消防安全、火警探测、通风、通讯系统），这些系统在洞外公路中是不必要或不存在的，但却是隧道设计的关键。这些系统的设计依赖于隧道的横截面尺寸、隧道长度等。
     3. 在公路隧道几何设计的过程中，必须考虑发生交通事故后救援车辆、救护车和重型车辆能否及时到达。
     4. 驾驶员（尤其是新手）难以预估公路纵坡坡度。
     5. 隧道中车道两旁距离边界的区域要给驾驶员预留适当的距离，使驾驶员能够在隧道中驾驶时认清道路的线性尤其是弯道。
     6. 隧道中车道两旁距离边界的区域要给驾驶员预留适当的距离，使驾驶员能够在隧道中驾驶时认清道路的线性尤其是弯道。
     7. 不同驾驶员在公路隧道中的感知反应特性（尤其是新手）存在差异。一方面，司机很难观察并适应隧道中受限制的环境。他们感知受限而无法与开阔区域的自然环境联系起来。尽管如此，隧道具有较低的交通事故记录（Austroads, 2009; Lemke, 2000），是因为隧道相对于洞外公路而言，它的环境变化能使司机（尤其是上班族或普通司机）变得更加警觉；具体而言，洞内公路没有路边的障碍物、窄路肩以及安全设施（交通管制和防火设施）的影响。
     8. 隧道壁和横截面边界是物理障碍，在设计过程中必须考虑。重型货车（HGV）可能在隧道入口处因被判定无法通过而被限制进入。
     9. 隧道设计不适合采用交叉口和分支连接（叉）。这些几何设计成分显著增加施工成本，也可能造成驾驶员对隧道环境的感知混乱。
     10. 隧道施工由于使用了盾构机、大量的混凝土以及互补系统，所以使施工成本显著高于洞外公路。
  2. 从几何设计角度论研究的目标

运用平曲线和竖曲线是非常必要的，它可以将洞内公路与洞外公路连接起来并避开地面上的障碍物。相同的想法和几何设计原理可以用于确定公路隧道的平曲线和竖曲线半径，也可用于确定公路表面的设计速度、等效减速或摩擦因数、驾驶员的制动反应时间、离心力、超高、视距和视线。此外，在隧道出口区域设置较小的平曲线可以使驾驶员的视线在白天逐渐过渡到隧道外的明亮区域。当隧道设计平曲线采用曲率极值时应留心视距的大小，否则可能导致停车视距（SSD）过短。

目前研究的主要目标是采用合理的标准获得洞内、外公路的视距。这些标准是基于三个组成部分：公路隧道中的驾驶行为、与交通安全相关的大量文献综述、与停车视距相关的组成要素：制动反应时间（PRT）和纵向摩擦系数（FT）。

第二个目标是要得出在一定设计速度范围内的平曲线半径的设计值，这个平曲线半径是由公路隧道几何设计中的停车视距的结论得出的。

1. 公路隧道的行车安全与驾驶行为

沿着黑暗狭窄的隧道环境驾驶可能导致焦虑、不安，害怕撞上其他车辆或隧道墙壁，甚至害怕遇到其他危险的情况如火灾或隧道塌方(PIARC, 2008; Caliendo et al., 2013)。司机在隧道中驾驶时会降低他们的行驶速度，增加与隧道墙壁之间的横向距离(Caliendo et al., 2013)，这种现象可以被解释为一种提高警惕性的方式。这种驾驶行为的变化通常发生在接近隧道出入口的区域。Amundsen 和 Ranes (2000)认为驾驶员在隧道中驾驶时产生的“不安”情绪是由于隧道视线的昏暗以及对自身安全的担心所造成的。

因此驾驶员在隧道中驾驶时应提高注意力和心理承受能力(PIARC, 2008)，从而增加自己的警觉心理。

根据Lemke (2000) 、Yeung和Wong (2013)的研究表明，驾驶员在道路网中的隧道中驾驶时倾向于用较低的速度、更加小心的行驶。隧道中发生事故的风险也比洞外公路更低（大约一半），然而在隧道中发生交通事故的严重程度则更高：例如：车辆撞击隧道墙壁比撞击安全防护栏（在洞外公路中）更严重，隧道中无法使用一些救援设备如起重机(Lemke, 2000)。

• 1. 平面线形对隧道交通安全的影响

复杂的平面线形比直线线形更容易发生交通事故。因为隧道墙壁阻挡了驾驶员的视线，所以在隧道中很难预判弯道的存在(Caliendo 等人, 2013)。Swov (2009)提出可以通过增加车道两侧到隧道墙壁之间的距离（通过设立应急车道）来改善交通安全状况，较大的平曲线半径能够减小转弯时无法避免的车辆侧向偏移，而限制纵向坡度则能减少车辆速度的差异。Amundsen (2009)表明发生交通事故的概率与平曲线半径的曲率是密切相关的。见表1

表1.交通事故率和平曲线半径之间的关系(Amundsen, 2009)

表格介绍了平曲线半径与交通事故率的关系。半径越小事故率越高。一个可能的原因是小半径设计虽然满足了径向加速度的平衡要求，但却无法满足水平视距的要求。括号内的数字表示所观测的隧道总长度，单位为公里。

1. 洞内公路与洞外公路停车视距的组成要素

停车视距（SSD）是驾驶员正以设计速度或接近设计速度行驶时遇到前方障碍物而必须采取制动停车时所需要的最短行车距离。停车视距（SSD）受到平曲线和竖曲线的限制。事实上停车视距（SSD）对平曲线和竖曲线半径的影响使它成为公路几何设计过程的基础。

停车视距由两个部分组成：（1）驾驶员在反应时间内行驶的距离（2）制动过程中行驶的距离。

通过公式1可以确定停车视距：

（公式1）

在公式1中：SSD是最小停车视距（m），是设计速度（km/h），d是车辆的减速度（）, d等于纵向摩擦系数（f）乘以重力加速度（g）：,PRT是驾驶员的反应时间（s）。

公式的前提条件是地形平坦。上坡时停车视距会减小而下坡时停车视距会增加。

停车视距（SSD）公式中的两个敏感参数：反应时间（PRT）和纵向摩擦系数（）在公路隧道和开放公路中存在着潜在性的差异（如背景部分所述）。

• 1. 驾驶员的制动反应时间：研究综述

人的反应时间（PRT）可以分为两个基本组成部分(Green, 2000)：

感知反应时间（MT）：驾驶员观察到已发生的信号并做出响应所需的时间，例如驾驶员观察到一个人正在横穿公路才意识到应进行紧急制动所需的时间(Green, 2000)。这部分时间被大多数研究命名为感知反应时间(Summala,2000, 2002)。

制动反应时间：将脚从油门抬起直至踩下刹车踏板所需的时间。这部分时间被Summala (2000, 2002)命名为制动反应时间。

在洞内公路上驾驶时比在洞外公路上需要更多的注意力和精神力。然而封闭的环境可能会使一些司机产生焦虑不安的情绪和心理压力，也可能会使一些司机减速行驶或增加车辆到隧道墙壁之间的距离，通过这些方式来更加小心谨慎的驾驶。然而，尽管隧道的环境特殊，但它发生事故的概率比洞外公路更低。

根据开放道路反应时间的大量文献表明，当驾驶员观察到突发事件后平均会在0.75s-1.5s内开始制动(Green,2000)。正常的感知反应时间即驾驶员意识到需要停车时到减速刹车灯的亮起应该为1.25s。就道路安全而言，驾驶员如果能在撞车前的短时间内更快的反应则还有机会做出相应的响应(Green, 2000)。图1(Summala,2000)显示的是在一次意外状况下年轻驾驶员（18-40岁）和年老驾驶员（50-84岁）反应时间的分布情况。他们都是第一次驾驶汽车在翻过一座山顶后的道路上遇到障碍物。

图1.感应时间、响应时间和在意外状况下的PRT

分布曲线是基于Olson和Sivak (1986)的研究结果得出的。曲线表明年老司机拥有更短的运动时间（制动反应时间）从而弥补他们感知时间较慢的情况（感知反应时间）。分布曲线显示年老司机和年轻司机的反应时间最大分别约为1.75s和1.45s。Lerner（1993）也提出了相似的结论：在意外情况下（在高速行驶中遇到障碍物）年轻女性的反应时间是1.22s，而其他人则为1.40-1.65s。Summala（2000）提出在紧急情况下（大约还有4s发生碰撞），驾驶员的反应时间是1.0-1.3s而不是Green (2000)提出的1.5s，而在一般的意外情况下会低于1.0s而不是Green (2000)提出的1.25s。

图2. 反应时间和初始速度的关系

Durth和Bernhard (2000)对山顶车辆的制动性能进行了研究。司机们并没有被提前告知需要进行紧急制动即遇到突发状况。在研究实验期间封闭了路段。图2列出了反应时间作为

全文共6665字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[143763]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 利用路面状况指标预测道路剩余使用寿命外文翻译资料
• 移动荷载作用下大跨度斜拉桥动力冲击分析外文翻译资料
• 悬索桥施工阶段主索风致振动试验研究外文翻译资料
• 晶格模型的力学方面外文翻译资料
• 网格几何与水泥和混凝土的结构外文翻译资料
• 道路建设中基于局部生命周期评估研究的局限性:一个 在热拌沥青中使用熟石灰的案例研究外文翻译资料
• 运输 道路安全规划中的模糊决策支持系统外文翻译资料
• 安雷曼为桥梁设计和评估外文翻译资料
• 工程结构 半复合桥面有限元模型更新操作加速度测量外文翻译资料
• 软土地基上屈服装置的单自由度系统参数化研究外文翻译资料