基于运行速度的城市隧道出口与地面道路平交口理想衔接距离研究.pdf
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1、引用格式:刘计顺,陈海军,张聚文.基于运行速度的城市隧道出口与地面道路平交口理想衔接距离研究J.隧道建设(中英文),2023,43(8):1387.LIU Jishun,CHEN Haijun,ZHANG Juwen.Ideal connecting distance between exit of urban tunnel and road intersection based on running speedJ.Tunnel Construction,2023,43(8):1387.收稿日期:2022-11-28;修回日期:2023-05-15第一作者简介:刘计顺(1989),男,山东滕州
2、人,2017 年毕业于西南交通大学,岩土工程专业,硕士,工程师,主要从事公路及城市道路设计工作。E-mail:liujishun1989 。基于运行速度的城市隧道出口与地面道路平交口理想衔接距离研究刘计顺,陈海军,张聚文(中铁隧道勘察设计研究院有限公司,广东 广州 511458)摘要:隧道出口与地面道路衔接受诸多条件限制,目前相关规范给出的相应指标在某些条件下偏小,项目实际设计中简单套用相关规范指标不甚合理。依托衢州荷一路过江隧道工程,结合驾驶员角度基于运行速度建立隧道出口距地面道路平交口安全距离计算模型。城市地下道路工程设计规范要求的隧道接地点与下游道路平交口距离与本文提出的隧道出口距地面道
3、路平交口安全距离一致,基本适用于有敞口段构造的城市隧道。对于无敞口段构造的城市隧道而言,困难情况下隧道出口距灯控平交口距离不能按照规范最小值1 倍停车视距,应不小于1.5 倍停车视距。此外,从驾驶员舒适度角度考虑,采用 SIANAL94平交口车辆排队长度模型建立理想的隧道出口距地面道路平交口距离计算模型,得出当单车道车辆排队长度过长时相关规范指标不再适用,设计中应对有无敞口段的城市隧道区别处理,结合各向交通量车辆排队长度、车道数等计算项目所需的实际距离。最后,在衢州荷一路过江隧道工程设计过程中有针对性地提出优化衔接措施。关键词:城市隧道;平交口;运行速度;安全距离;SIANAL94计算模型;理
4、想距离DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.08.013文章编号:2096-4498(2023)08-1387-09中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):I Id de ea al l C Co on nn ne ec ct ti in ng g D Di is st ta an nc ce e B Be et tw we ee en n E Ex xi it t o of f U Ur rb ba an n T Tu un nn ne el l a an nd d R Ro oa ad d I In nt te er rs
5、se ec ct ti io on n B Ba as se ed d o on n R Ru un nn ni in ng g S Sp pe ee ed dLIU Jishun,CHEN Haijun,ZHANG Juwen(China Railway Tunnel Consultants Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,Guangdong,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:Various conditions can restrict the connection between tunnel exits and surface roads
6、.Moreover,under certain conditions during the actual design of projects,the corresponding indexes given by relevant regulations are not rational.Therefore,a case study is conducted on the river-crossing tunnel of the Heyi road in Quzhou,China.Based on the running speed from the aspect of drivers,a c
7、alculation model is established for the safety distance between the tunnel exit and the road intersection.The index requirements of the distance between the tunnel-ground connection point and the downstream road intersection in the Code for Design of Urban Underground Road Engineering are consistent
8、 with the safety distance between the tunnel exit and the road intersection proposed in this study,which is suitable for urban tunnels with open-section structures.For urban tunnels without an open-section structure,the distance between the tunnel exit and the light-controlled road intersection shou
9、ld not be less than 1.5 times the stopping sight distance,which is larger than that in the code(1 time).Furthermore,considering the driving comfort,the SIANAL94 intersection queuing length model is used to establish a model for calculating the ideal distance between the tunnel exit and the road inte
10、rsection.It is concluded that when the queue length of a single lane is overly large,the relevant specifications are not applicable.The actual distance required by the project should be calculated according to various factors,such as the queue length of the traffic volume and the number of lanes.Fin
11、ally,the optimized connection measures are proposed in the design of the river-crossing tunnel of the Heyi road.K Ke ey yw wo or rd ds s:urban tunnel;road intersection;running speed;safety distance;SIANAL94 calculation model;ideal distance隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言随着我国城市化进程的快速推进,发展用地节约化、效率快速化、空间景观化的交通方式逐渐成
12、为城市建设者的首选,城市隧道在下穿江河湖海等重要建(构)筑物时具有独特的优势。城市隧道可使隧道进出口 2 点之间的交通与地面形成立交模式,消除慢行交通、极端天气等不利条件影响,使区间交通流快捷化,减少道路的占用时间。在实现隧道交通快捷化的同时,将交通压力集中至隧道进出口附近的地面道路平交口位置,近道路平交口城市隧道与地面道路的衔接也随之成为城市道路交通亟须解决的问题,城市隧道出口距离地面道路平交口的合理距离及隧道进出口与地面道路的衔接措施直接关系到整个城市路网的交通通行效率及交通安全。针对城市隧道出口与下游平交口合理距离的研究多集中在对建成隧道出口处的数据统计归纳,交通优化措施的研究多集中在隧
13、道运营过程中问题的解决1-3。由于城市隧道项目存在差异性,目前的研究成果对项目建设前相关技术参数的指导不充分,同时城市隧道实施过程中某些情况下简单地套用相关规范指标也是不合理的4。因此,项目前期基于项目差异性针对城市隧道出口与地面道路平交口的理想距离进行研究十分必要,在指导规划、设计的同时也有利于辩证地理解规范要求,尽量将问题解决在建成前,以便更好地发挥城市隧道的快捷作用。本文依托衢州荷一路过江隧道工程,从交通安全角度出发,采用运行速度并结合驾驶员角度分别建立隧道出口距地面道路平交口安全距离计算模型,采用信号交叉车辆排队长度 SIANAL94模型建立隧道出口距地面道路平交口衔接理想距离计算模型
14、,通过以上2 种隧道出口距地面道路平交口距离的计算,在项目设计阶段对技术参数、交通优化措施提供指导,使隧道出口与地面道路平交口衔接距离与隧道埋深、最大纵坡等限制因素达到平衡,以期为城市隧道出口衔接的规划、设计、管理提供参考。1 工程概况荷一路过江隧道工程位于衢州市中心城常山港和江山港汇流处,距上游现状双港大桥约 1.1 km、下游现状衢江大桥约 0.7 km。本隧道是连接衢州中心区组团与西区组团的城市次干路,设计速度 50 km/h,主线为双向 4 车道。工程西接双岭南路,由西北方向至东南方向下穿常山港支汊、严家淤岛、衢江后,东接荷一路,线路全长 2.163 km,隧道进出口接线道路与九华中大
15、道、新元路 2 条城市主干路平交。隧道采用矿山法、围堰明挖、明挖法多工法施工,隧道段总长1 869.1 m。其中,矿山法段长 383.8 m,明挖暗埋段长 1 095.3 m,围堰明挖段长 111.5 m,敞口段长278.5 m。隧道各洞口设置长约 30 m、局部为镂空遮阳棚建筑,以达到光线过渡消除“黑洞效应”的目的。本隧道进出口处各方向特征年交通量预测见表 1。隧道出口处平交口各方向交通流均比较均衡,隧道出口与地面道路衔接设计应考虑车道均衡布设,交叉口转向交通量分配如图 1 所示。表 1 特征年交通量预测结果Table 1 Forecast results of characteristic
16、 annual traffic volumepcu/d 位置左转直行右转九华中大道平交口8001 042969新元路平交口883616823图 1 特征年项目区域交叉口转向交通量分配图(单位:pcu/d)Fig.1 Turning traffic distribution map of project area intersection in characteristic year(unit:pcu/d)受本隧道建设条件影响,经综合比选,采用明挖、常山港支汊围堰明挖、过江段矿山暗挖法施工,而两岸接线道路平交口距离堤岸仅 400500 m,接线条件受隧道过江段埋深、最大纵坡等因素影响较大。因此,
17、如何平衡隧道最小埋深与隧道出口至地面道路平交口距离,提高隧道出口与地面道路交通衔接效率成为本隧8831第 8 期刘计顺,等:基于运行速度的城市隧道出口与地面道路平交口理想衔接距离研究道设计的主要难点之一。2 隧道出口距地面道路平交口距离2.1 隧道出口安全距离将驾驶员由隧道驶出、发现平交口交通状况采取紧急制动措施在平交口前停车的这段距离定义为隧道出口距地面道路平交口安全距离 S安。从驾驶员角度考虑,S安主要由隧道光线明适应距离和停车距离组成。车辆行驶具有较强的跟驰性、连续性5。若前车采取制动措施,后车也会同时采取制动措施,因此为简化计算模型,S安暂不考虑平交口前车辆排队长度。2.1.1 隧道光
18、线明适应距离将驾驶员由隧道封闭段暗环境至隧道外明环境的适应距离定义为隧道光线明适应距离 S适。影响隧道光线明适应距离的主要因素有驾驶员出洞行驶速度及大脑视觉适应时长。2.1.1.1 计算车速取值我国道路工程采用的设计速度又称为计算行车速度,是指当气候条件良好、交通密度小、汽车运行只受道路本身条件等影响时,具有中等驾驶技术的驾驶员保持安全顺适行驶的最大行驶速度,相关规范以其作为基础参数,也作为设计行业的最低设计标准规定值。在道路实际运营过程中,不同车辆驾驶员由于获取外界信息存在差异、车辆状况不同等原因造成实际行驶速度的差异,通常情况下选取测定速度累计分布曲线第 85 百分位对应速度值作为运行速度
19、6-8。国外研究表明,当计算行车速度在 80 km/h 以下时,运行速度一般比设计速度高 10 km/h,国内研究观测结果也基本证实了这一点9,因此,本文拟选取运行速度 v85作为计算车速。为验证项目所在地驾驶习惯是否满足相关研究结论的运行速度要求,以及本项目选取运行速度 v85作为计算车速的合理性、有效性及一致性,选择项目所在地水亭门隧道进行隧道出口处行驶速度进行实际观测分析,共采集有效数据 1 428 个,以差值5 km/h 为速度区间分别绘制车速频率分布及车速累计频率分布图,如图 2 和图 3 所示。图 2 车速频率分布图Fig.2 Frequency profile of vehicl
20、e speed图 3 车速累计频率分布图Fig.3 Cumulative frequency distribution of vehicle speed由观测结果可以看出,隧道出口运行速度大多比设计速度(40 km/h)稍高,其中第 85 百分位对应运行速度 v85=48.6 km/h,基本与国外研究成果相符。因此,设计过程中计算车速取值选取第 85 百分位对应运行速度与实际更接近、更安全,本项目选取运行车速 60 km/h(设计车速 50 km/h)作为线形参数控制指标的计算车速。2.1.1.2 隧道光线明适应时长驾驶员在驾驶过程中 80%左右的信息通过视觉系统获取1,而视觉系统输入窗口主要
21、是瞳孔,通过隧道进出口时的明暗光线变化会让驾驶员瞳孔面积发生改变,产生视觉震荡现象,这种现象普遍存在且影响驾驶安全2。视觉震荡是指:通过隧道进出口时,由于剧烈的光线变化,导致驾驶员瞳孔面积急剧变化而超出视觉适应能力,瞳孔难以准确聚焦使视网膜无法清晰成像,产生瞬间盲期的现象2。在此,本文以换算视觉震荡时长为基础,同时参考国内相关现场实测数据进行修正,计取隧道出口光线明适应时长。为评估驾驶员行驶过程中因明暗光线变化产生视觉震荡的承受能力,以视觉舒适度作为评价指标,具体如表 2 所示。表 2 隧道进出口视觉舒适度评价指标2Table 2Evaluation indexes of visual com
22、fort degree of tunnel entrance and exit2s换算视觉震荡持续时长驾驶员的主观感受0.1没有不舒适0.10.2稍有不舒适0.21.0不舒适1.01.5很不舒适1.5极不舒适 驾驶员进出隧道洞口时,当换算视觉震荡持续时长大于 1 s,会感觉很不舒适,产生较大的视觉震荡现象,这对驾驶员信息感知能力造成较大影响,严重影响9831隧道建设(中英文)第 43 卷交通安全。根据实测研究表明2,白天驾驶员进出隧道换算视觉震荡持续时长普遍较长,隧道进口换算视觉震荡持续时长基本小于等于 1.5 s,隧道出口换算视觉震荡持续时长基本小于等于 1.2 s。视觉震荡时长是从驾驶员安
23、全角度满足光线过渡的最小时长,实际驾驶过程中还会伴随心理及其他生理的调整。国内多位学者通过对高速公路隧道现场的实测数据研究表明,驾 驶 员 隧 道 出 口 的 光 线 明 适 应 时 长 都 小 于2.0 s10-11。因此,以换算视觉震荡时长为基础,对实测数据进行修正后,本文取驾驶员视觉适应时长为 2.0 s。2.1.1.3 隧道光线明适应距离计算根据以上分析,隧道光线明适应距离 S适主要由运行速度与光线明适应时长计算得到。即S适=v85 tc。(1)式中:v85为运行速度;tc为隧道光线明适应时长,根据 2.1.1.2 节论述,取 2.0 s。2.1.2 停车视距停车视距是指同一车道上车辆
24、行驶时遇到前方障碍物而采取制动停车所需的最短行车距离。其影响因素主要有反应时长、制动时长及行驶速度。停车视距的计算同样选用运行速度 v85作为计算速度,停车视距由反应距离、制动距离及安全距离计算得到12,即Ss=Sr+Sb+Sa。(2)式中:Ss为停车视距,m;Sr为反应距离,m;Sb为制动距离,m;Sa为安全距离,m。Ss=v85t3.6+sv852254(s i)+5。(3)式中:t 为反应时长,取 1.2 s;s为安全因数,取 1.2;s为路面摩擦因数,取 0.4;i 为道路纵坡,上坡为“+”,下坡为“-”,平交口附近最大纵坡一般不大于2.5%12。2.1.3 隧道出口安全距离计算根据以
25、上分析,隧道出口安全距离S安=S适+Ss。(4)由式(1)(4)计算得到不同运行速度下隧道出口安全距离 S安如表 3 所示。由表可知,由隧道洞门位置运行速度计算所得的隧道出口安全距离基本为停车视距的 1.5 倍。由隧道光线适应距离和停车视距计算所得的隧道出口安全距离适用于无敞口段构造的城市隧道。对于有敞口段构造的城市下穿隧道,一般都会设置挡光棚等洞门建构筑物,隧道光线适应过程会在洞门附近完成,隧道安全距离从接地点位置开始算起。因此,安全前提下,极限条件下的隧道出口与地面道路平交口距离应分为 2 种:1)对于无敞口段构造的城市隧道,出口与平交口距离不应小于 1.5 倍停车视距;2)对于有敞口段构
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