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公路隧道交通安全问题及设计概述
1研究背景：隧道与开放公路
公路隧道的设计在维护公路安全、高速公路设计中是一个重要的组成部分。对于复杂地形路段道路建设，需要包括克服自然条件,是为公路隧道选择一个灵活解决方案的主要动机。公路隧道的解决方案使得 对环境和土地的破坏最小化,保护土地资源,减少交通拥堵和空气污染。一般而言,公路隧道的设计应该基于开放公路几何设计原则。
然而,在公路隧道的事故发生概率比露天的公路部分较低，虽然碰撞损伤的严重性更高和死亡的可能性更大,尤其是火灾事故，这是由于封闭环境和热量和烟的扩张[1,2]。
隧道和开放的道路之间的差异通常是由以下几方面造成：(1)建设成本的考虑;(2)照明;(3)结构要求;(4)交织路段的影响;(5)摩擦系数和司机感知反应时间调整到隧道环境;(6)在纵向梯度通风设计的影响;和(7)隧道信封内的需要定位互补元素除了交通信封、危险货物运输、信号装置(用于交通和消防安全指导)。
影响隧道和开放道路设计的主要差异对用户(司机)和运营商的影响主要有以下几点。
1.1照明问题
除了入口区，隧道为24小时永久照明。照明方案取决于横断面、隧道长度、和隧道转换地段的土质和岩石性质。白天的照明计划与夜间不同。白天，驾驶员进入隧道后，立即有一个短时间调整他们的眼睛适应隧道内部相对黑暗的环境。其原因是在这个适应过程中行驶的距离与行驶速度有关。从日光到隧道内的昏暗环境，人眼的适应过程缓慢，因此需要在隧道入口和过渡区逐步减少隧道照明(图1)[3])。同样,从隧道离开进入日光环境之前逐渐增强隧道照明。具体来说,阈值区(隧道的出口)是整个隧道隧道照明的最高水平,过渡区提供了一个通往隧道内部的照明逐步减少的区域。阈值区域的照明使得司机在隧道行驶途中(访问区)能够在停车视距前识别障碍物。出于安全原因，隧道横截面的基本照明元素是路面和隧道墙壁的下部[3]。
1.2其他差异:隧道与开放道路
1)公路隧道的设计需要互补系统的组件(消防安全、火灾探测、通风、通讯系统),这并不重要/或在开放的道路并不存在。这些组件对隧道设计是至关重要的，其设计取决于隧道横截面尺寸、隧道长度等。
2)由于交通事故（意外）的发生，救援车辆、救护车和重型车辆的可及性必须考虑在公路隧道的几何设计过程中。
3)有界截面减弱了驾驶员沿隧道车道行驶过程中估计他或她在隧道内部多远的能力[4],同时也减弱了识别道路线形，尤其是水平曲线的能力。其原因是封闭和黑暗环境(5、6)和由于隧道内壁造成的估计弯曲的难度[7]。
4)在隧道中，驾驶员的感知反应特性(特别是休闲的驾驶员)是不同的。一方面,司机很难与隧道的限制环境相适应。他们可能会感到受限，无法开放地区的自然环境相连接。尽管如此,隧道比开放的道路有着更好的事故记录(6、8、9、10),因为驾驶员(尤其是上班族或普通驾驶员)对隧道的自然环境变化变得更加警觉。隧道自然环境典型的独特特点,与开放的高速公路相反,没有路边障碍以及狭窄的路肩,不同的建设标准,和额外的安全功能(交通控制和消防安全)。
5)隧道的墙壁和有界的横截面是物理障碍,在设计过程中必须考虑。重型车辆(HGV)穿过隧道部分时可能会受到限制,包括可能无法执行机动调头。
6)在隧道设计中，十字路口和分支连接(叉)是不可取的。这些几何设计元素会使施工成本显著增加,也可能使司机在隧道封闭环境中行驶时产生混淆。
7)由于钻孔机的使用,混凝土的数量和辅助系统，隧道的建设成本明显高于开放公路。
2.公路隧道中交通安全和驾驶员行为
行驶在隧道黑暗狭窄的环境中可能会导致驾驶员产生焦虑、不确定性,甚至害怕撞上另一辆车或者隧道墙壁/或其他危险情况,如火灾或隧道坍塌(4、7)。驾驶员在隧道中行驶时通常会降低车速，增加与隧道墙壁的横向距离[7],这可以解释为沿隧道驾驶时会增加警觉性。驾驶员这种行为变化通常发生在接近隧道入口处。阿蒙森和瑞恩[11]认为由于黑暗和安全顾虑，在隧道中驾驶会使驾驶员产生“不安”感。
因此,在隧道中驾驶需要集中注意力和心理负担[4],从而使司机提高警惕。
2.1过渡区域和速度变化
隧道中的过渡区域是危险地段。驾驶员以高速度接近隧道会承担更高的事故风险。在1.1部分中提到，当车辆行经隧道,驾驶员接近隧道入口时通常会减慢车速以适应弱光条件(黑洞)。进入隧道后,驾驶员会减速至低于开放道路的行驶速度。这些速度的大幅波动对交通安全造成负面影响[12]。
2.2公路隧道事故:定义和范围
隧道事故或隧道交通事故发生在两个或两个以上的车辆发生碰撞或当一个车辆撞击物体如隧道墙、交通标志等时(单个车辆事故)。由于车辆事故,火灾和无明火的烟雾事故（SWF)也包含在了隧道事故(事故)的范围内。大多数隧道火灾和SWF事故都是由于车辆碰撞造成的[13],而不是车辆技术问题。大多数研究认为，当其造成死亡、严重伤害或轻微伤害时，即为隧道交通事故。这些研究中的事故率是指造成伤害(轻微或严重)和死亡的交通事故，严重的事故率是指涉及严重伤害和死亡的事故。
2.2.1公路隧道中的追尾事故
在2006 - 2008年间，基于新加坡CTE隧道信息，追尾事故类别约占交通事故总体的70%[14],基于中国的上虞——三门高速公路的数据，追尾事故类别约占交通事故总体的75%[15]上,基于陆等人的论文，追尾事故类别约占交通事故总体的80%[12]。根据警方调查[12]，隧道事故往往是由驾驶员激进的车道变化和高速度造成,从而导致追尾事故的发生。
2.2.2公路隧道中的火灾事故
隧道中的火灾事故产生热量、烟雾和有毒气体，这可能会使司机和隧道内人员在疏散过程中造成生命损失。火灾也必然会由隧道临时关闭从而导致交通延误。
此外，由火灾产生的高温还可能对结构和设施造成破坏。因此,与交通碰撞事故不同，隧道中火灾事故与其造成的经济损失相联系，同样与交通堵塞和损坏隧道组件相关[16]。在这些研究中的火灾事故是指导致受伤和死亡或损坏的隧道中发生的火灾事故。因此，火灾事故率是指涉及受伤和死亡或只有损坏(没有受伤)的火灾事故。
2.3隧道区域事故率的概述
阿蒙森和瑞恩[11]指出在隧道的入口区域事故率更高，而驾驶员继续驾驶进入隧道内部后事故率降低。在第一个50米之外的隧道洞口(区域1)事故率最高,为每公里0.30百万辆车；在隧道内的第一个50米(区域2)为每公里0.23百万辆车；在隧道内接下来的100米(区域3)为每公里0.16百万辆车，在隧道内的中段(区域4)为每公里0.10百万辆车。在单向隧道中，区域1的事故率更大，其分布是区域1、2、3、4分别为0.36、0.16、0.16、0.10。图2为典型的隧道区示意图。
同样,根据努斯鲍姆所提到的[17]，隧道入口前和隧道出口后（包括出入口）的失事率比隧道内部区域更高。此外，莱姆基[8]指出隧道出入口附近的事故率可能高于隧道内因为“视觉环境突然改变”而发生的事故比例[8]。研究新加坡高速公路隧道的杨和王[18]还发现，发生在隧道内部区域的道路交通事故(RTC)占比最低，而出入口区域占比最高。作者通过这一发现推断，已经通过过渡区进入隧道内部的驾驶员在驾驶中更有经验并更加谨慎。在开放的道路和隧道之间，驾驶员的行为冲突和知觉差异的相互作用可以解释过渡区域事故率最高的原因，即隧道以外的250米和隧道内部的250米[18]。
与之相比，中国高速公路隧道的另一项研究[1]显示，在隧道出入口和隧道的前100米（隧道入口）事故率明显下降，而与之前的研究相比，隧道内部的事故率有所增加，这项研究以隧道入口区域的优越照明来解释这些现象。中国高速公路隧道的主要安全问题是高比例的追尾事故（R–E）（与隧道内部的其他事故类型比如马等人[1]举例的与固定物的碰撞、擦边碰撞、翻转等相比，追尾占60%）。主要是由于无法维持与前车的安全距离，特别是在隧道内部。潜在的原因可能是与挪威的隧道相比我国的驾驶速度更高，明显视距不足，而这需要更高的设计车速和不必要的驾驶不适及焦虑。事故率较高的区域分别为：区域1（隧道入口前100米）：0.56；区域2（隧道内的第一个100米）：0.53；区域3（隧道内接下来的300米的）：0.58；区域4（隧道中段）：0.45。这些相当高的事故率是基于事故记录计算所得，其中包括伤害事故和非伤害事故。在这个数据库的大多数伤害事故属于轻伤。
根据努斯鲍姆[17]的研究,隧道事故最常见的原因是缺乏警惕性(特别是在双向隧道)，另一个原因是“错误的驾驶行为”,如无法与前面的车辆保持安全距离(尤其是超速之前和在隧道的入口区域)和“道路设计和布局的误解”[17]。
表1描述了根据一些研究所得到的沿隧道区域的事故率分布比较（隧道内部的区域2–4和隧道入口前区域1）。为了解隧道内部每个区域的安全水平，表1中最低的线表示平均事故率值。以每公里百万辆车为单位的事故率量化了隧道的交通量和隧道长度（总行驶距离）的影响。因此，这些单位表示的事故率平均值可以大致描绘隧道中段和隧道边缘区之间的差异。
阿蒙森[ 11,10]和马等人[1]关于隧道内部（区域2–4）事故率的比较如表2所示。区域1（50米以外的隧道入口）的事故数量也包含其中。虽然表1显示事故率（每百万车公里的事故数）在隧道的入口区域（区域2、3）较高，但表2显示区域4（隧道内部区域）的事故数绝对值最大，因为它涵盖了较长的距离（主隧道区）。总体而言，区域1有着隧道最高事故率，但区域4有着最多事故次数。
图3显示了不同国家高速公路网在2010、2011、2012年的事故率。由此产生的平均崩溃事故率是0.345。根据表1显示，这个数值与隧道区域1（隧道入口以外的50–100m）的平均事故率近似。由此看来，隧道区域1（在隧道入口前）的事故率与发达国家的道路平均事故率相关。该数据集包括造成受伤和伤亡的道路交通事故（以色列中央统计局[ 20 ]从IRTAD数据库 [ 21 ]分析所得）。
2.4公路隧道内的驾驶行为
莱姆基[8]、杨和王[18]指出，当隧道在道理网只占很小一部分时,驾驶员机一般倾向于开车更小心些并以较低的速度行驶。隧道内的事故风险与开放道路比较相对较低（约一半），然而，隧道事故的伤害程度更为严重，例如，车辆碰撞事故的情况下，隧道闭与安全屏障（开放的道路上）相比，以及在隧道中的救援设备如起重机[8]受限的可行性。
然而由于“突然改变视觉环境”，靠近隧道进出口的事故率可能会高于隧道内部的事故率(莱姆基[8],表1,DMRB[3])。
铃木[22]指出提高公路隧道事故风险的几个因素:邻近隧道墙壁的距离，有限的视距,在隧道或临近隧道中合并或驶出车道,以及照明条件。封闭环境即“隧道围岩和隧道顶板”[22]可以引发驾驶员的焦虑情绪。同时,隧道环境可能导致一些驾驶员放慢车速和避免超车操作，降低了交通流量均匀性和连续性，同时驾驶员警觉性减弱，从而对道路安全产生了负面影响。因为风险因素至少有一部分同时作用，所以可能很难指定导致车辆事故发生的主要原因[22]。赵等人[23]测量了驾驶员在隧道行驶时的瞳孔和心率变化，得出的结论是在隧道环境中，驾驶员感到紧张，这对道路交通安全产生了负面影响，因此建议改善隧道内照明设施以减少由于隧道内的特殊环境造成的紧张感和由此产生的心理需求。
小村子里等人[24]指出，在长隧道内驾驶造成司机心理压力和不适，建议拓宽右肩，从而提供高度可见的距离信息导向设备。同时，升级交通控制设备可能会提高驾驶员警觉性、减轻心理负担和降低事故风险。
瓦施兹等人[5]提出，车载信息显示设备可有效地为在隧道中行驶的驾驶员提供确切的数据和控制感，从而减少焦虑、无聊、疲劳和警觉，这些在隧道封闭、黑暗和单调的驾驶环境被认为是常见的情绪。只要提供的信息准确牢靠，不对驾驶员造成干扰，车载信息显示设备提高了隧道安全。
2.5垂直和水平对齐对隧道交通安全的影响
公路几何设计与交通元素,这些元素是影响车辆碰撞及其严重程度的潜在因素(除了驾驶行为的原因)，可以是平均每日交通量、HGV、水平曲率和梯度。
在相对陡峭的纵坡上,重型车辆通常会降低车速；因此，客车和卡车之间的提速差异会增加交通事故发生的概率[7]。阿蒙森和瑞恩[11]指出，海底隧道的垂直曲率突变使得驾驶员进入隧道后“不安”感剧增。
复杂的水平路线比相对直线更容易发生交通事故。考虑到公路隧道的隧道墙壁阻碍了视线的路径，驾驶员很难估计弯曲的存在[7]。铃木[22]指出，改善公路隧道的交通安全可能可以通过增加隧道墙壁的距离(通过创建应急车道)完成，从而限制了纵坡的速度差异(例如为重型车辆提供单独车道或指导重型车辆行驶其他路线)，如果无法阻止，则使水平半径平坦，并在水平弯曲面上产生较大的水平侧向偏移量。同时导致驾驶超载和混淆、合并或驶离车道的交织区，在隧道的内部和出入口处都应当避免。卡尔维等人[24]指出，当驾驶员在隧道中行驶时会显著降低车速以及增加离右侧墙壁的横向距离。阿蒙森[10]表明，事故风险和横向曲率相联系，表3展示了水平半径分组的事故率（每百万车公里的事故数）结果。较小的半径会增加事故率，原因之一可能是小半径是为平衡径向加速度而设计的，但不符合水平视距地要求。因此，最小半径组（150米以下）的事故率明显高于其他半径组。括号中的数字表明了所观察到的隧道的总长度，此数据集代表区域2-4。
2.6道路路面状况对行车安全的影响
阿蒙森[10]表明，大多数隧道事故发生在干燥的路面条件下。表4给出了隧道地表条件和隧道内道路交通事故之间的关系(包括区域2 - 4)。三分之二的事故发生在路面条件干燥的情况下，
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