基于模拟驾驶法的金家庄特长螺旋隧道行车安全性分析

王朝杰

(河北省交通规划设计院 石家庄市 050011)

0 引言

在山区高速公路建设中，经常会受到地形及地质条件限制而展线困难的情况，此时采用螺旋隧道的展线方案进行集中升坡或降坡来克服高差、避开不良地质往往可以达到理想的效果[1～3]。公路螺旋隧道为螺旋展线中，线路部分或全部穿越山体而形成设置的隧道，近些年来，随着我国山区公路交通事业的快速的发展，相续涌现了一些螺旋隧道(见表1)，逐步积累了一些螺旋隧道设计与施工经验[4～7]。

表1 中国近些年建设的主要公路螺旋隧道统计表

1 工程概况

金家庄特长螺旋隧道位于河北省赤城县，处于典型的上坝路段，左幅长4228m、右幅长4104m，为河北省首座螺旋隧道、世界最长的公路螺旋隧道。项目线路需要在7km范围内克服高差240m，经过反复的计算分析与方案论证，路线平面采用螺旋展线方案，以半径860m的圆曲线为主，迂回360°后高程抬升112m，其中2/3路段为金家庄特长隧道，以此来解决线路爬升难题，螺旋展线效果如图1所示。设计过程中采用国际领先的UC-win/Road驾驶仿真平台建立三维建模，对螺旋隧道进行驾驶模拟仿真测试[8～9]，通过对车辆运行速度、车辆车道偏移、驾驶员情绪等进行测试，评价螺旋隧道行车安全性与方案可行性。

图1 金家庄特长螺旋隧道示意图

2 运行速度协调性评价

螺旋隧道路段为驶入隧道洞口前200m至驶出隧道后100m，为更加真实有效地分析螺旋隧道运行速度的协调性，根据延崇高速实际路线在金家庄特长螺旋隧道路段两端各取500m平直线路段。将全部路段按起点—终点方向划分5个分析单元，见表2所示。

表2 路线分析单元划分(起点—终点)

采用相邻路段运行速度的差值进行评价，见表3所示。

表3 起点至终点方向相邻分析单元运行速度差

由上表可得：起点终点方向路线分析单元运行速度差|Iv|大于等于10km/h的路段仅1处。大、小型车在每个分析单元上的运行速度梯度的绝对值均在10km/(h·m)以内，且相邻分析单元运行速度差均在20km/h以内，因此无运行速度协调性不良的路段，小型车和大型车运行速度的变化趋势具有显著的一致性。

3 驾驶模拟仿真

3.1 运行速度分析

驾驶模拟仿真的实现方法为：首先利用UC-winRoad系统，依据地形、平面、纵面和横断面等资料建立三维驾驶环境模型，然后虚拟驾驶人员进入国际领先水平的八自由度驾驶模拟器开展虚拟驾驶。对隧道内车辆运行速度、车辆车道偏移、情绪变化等进行处理与分析。图2为驾驶模拟仿真器。

图2 驾驶模拟仿真器

采集5位驾驶人员试验数据速度跨度主要集中在75～95km/h，但由于不同驾驶人个人感知的不同，行驶速度存在一定差异。车辆运行速度在螺旋隧道起终点的差别并不明显，但是在隧道内部车辆速度明显降低。

3.2 车道偏移分析

5位被试人员中有4位的车道偏移较为相近和集中,主要集中在-0.2～0.6m之间。被试4由于个人视觉感知原因,车道保持的位置稳定于车道中心线右侧0.2m处,在此基础上有左右0.3m幅度的偏移。随着速度的增大，车道偏移略有增大。

4 隧道出口端光环境

4.1 延庆至崇礼方向

经过模拟驾驶，金家庄特长螺旋隧道出口处在每年11月至次年1月份的下午12：00—15:00时段存在阳光直射洞口的情况，而此时是驾驶人容易产生困倦、疲劳的时段。阳光直射会加剧“白洞”效应，使隧道内驾驶人无法识别隧道洞口外的路线走向和标志等交通设施。洞口受阳光直射影响典型时刻如图3所示。

图3 延庆至崇礼隧道出口阳光直射典型时刻(12:00)

4.2 崇礼至延庆方向

经过模拟驾驶，崇礼至延庆方向行车洞口每年11月到次年1月份上午9：10—10:40左右时段存在阳光直射在洞口的情况。阳光直射隧道洞口会对车辆形成明显的眩光，情况严重时，会导致驾驶人在1～2s内无法看清事物，形成瞬间“视盲”现象。洞口受阳光直射影响典型时刻如图4所示。

图4 崇礼至延庆隧道出口阳光直射典型时刻(10:40)

5 驾驶人情绪

模拟驾驶环境设置为晴天、空气可见度良好。被试人员为8名具备C1驾驶证的健康驾驶员。有隧道和无隧道实验过程各获得8组数据，在去除掉由于具备大量噪声而无法使用的数据之后，保留7组有隧道的数据和6组无隧道的数据。

如图5所示，在无隧道的情况下，驾驶人会以更大概率变化到积极的情绪中去；在有隧道的情况下，驾驶人会较晚地进入积极情绪，这表明隧道在一定程度上会影响驾驶人的驾驶情绪。

图5 无车流时，隧道对驾驶人情绪的影响

在有车流时，如图6所示，在有其他车辆影响的情况下驾驶员会产生更多的消极情绪。

图6 有车流时，隧道对驾驶人情绪的影响

6 结论

金家庄螺旋隧道在大圆曲线半径及大回转角度下，隧道内运行速度协调性良好。模拟驾驶表明，驾驶人员车道偏移范围小，可接受，但应注意洞口在特定时间的减光措施，且虚拟驾驶人员情绪变化波动较小，可接受。路线评价及模拟驾驶各项数据表明，该曲线半径螺旋隧道方案可行。