基于通行能力稳定性的隧道出入口过渡段线形设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及隧道设计，具体涉及基于通行能力稳定性的隧道出入口过渡段线形设 计方法。
【背景技术】
[0002] 随着近年来高速公路建设不断向山区发展，由于山区地质条件的复杂性，隧道线 形设计逐渐从平直线向曲线过渡，同时隧道结构线形又具有一定特殊性，通行车辆在此区 域行驶时通行能力稳定性降低，最终导致交通事故。因此，研究隧道出入口过渡段线形设计 不仅能够提高隧道出入口过渡段通行能力稳定性，而且对保证驾驶员安全顺适通过有着重 要理论意义及实践价值。
[0003] 通过检索发现目前国内外针对隧道出入口过渡段线形安全相关专利已提出一些 优化方法，主要体现在基础设施与线形设计两个方面。关于基础设施方面，如中国实用新型 专利《一种太阳能隧道灯的照明方法》【CN2011100206164.6】中，发明了一种通过太阳能发 电对隧道内部LED照明灯带进行供电的设备。关于线形设计方面，在《高速公路隧道出入口 过渡段的合理长度》中基于运行速度及侧向余宽变化规律，提出了一种隧道出入口过渡段 合理长度取值的方法，但只是对隧道过渡段长度进行了定量分析，缺乏对隧道出入口横断 面线形设计的研究。此外，在《公路横断面宽度过渡段技术指标研究》中，基于车辆换道模型 提出了一种确定隧道出入口硬路肩宽度过渡段的合理位置及合理长度建议值的方法，但缺 乏与隧道出入口通行能力的结合，只是单一对合理长度取值进行研究，并没有提出关于隧 道出入口过渡段横断面宽度设计的具体方法。以上这些专利对提高隧道线形安全顺适性发 挥了一定作用，但均集中在基础设施优化与线形长度取值设计方面，缺乏一种能够保证隧 道出入口过渡段行车顺适过渡的特征指标及线形具体设计方法，不能实质上解决隧道出入 口过渡段存在的线形问题，无法从根本上确保隧道出入口过渡段行车的安全顺适性。
[0004]总言之，现有研究中并未充分考虑通过隧道时车辆的通行能力和隧道出入口线性 设计顺适性，具体如下：
[0005] (1)通行能力
[0006]关于通行能力的研究，目前国外学者主要从车道宽度、车道数、道路平纵面线形等 方面考虑，国内学者分别从道路特性、车辆特性及交通环境特性等方面出发，建立了不同的 相关模型。但目前国内外提出的通行能力模型主要研究对象过于单一，缺乏与实际环境相 结合，且隧道出入口过渡段影响指标优先度控制缺乏合理性，尚未形成"人一车一路一环 境"为一体的通行能力研究方法和指标体系，现有体系并不能完全适用于隧道出入口处，此 方面研究仍缺乏系统性。
[0007] (2)隧道出入口线形设计顺适性
[0008] 目前国内外学者对于线形设计顺适性研究主要体现在驾驶员心、生理特性及隧道 出入口过渡段线形合理长度取值两个方面。尤其是在欧美国家，在线形设计中更加注重驾 驶员一车一道路一环境之间的协调性，但针对单个指标的影响机理并不够明确，缺乏系统 表征顺适过渡的特征指标及其变化规律的研究，很难应用在工程实践中。相比于国外，国内 研究起步较晚，在线形设计理念及方法上比较落后，对于隧道出入口的线形设计仍停留在 平纵曲线及合理长度取值的传统理念上，横断面设计千篇一律，且桥梁与隧道分属于不同 设计人员及单位设计，往往忽略了隧道出入口过渡段的顺适性要求，缺乏一种能体现隧道 出入口顺适性的设计思路与规范要求。
[0009] 综上所述，在目前国内外现已公开的专利及已发表的研究成果中，对隧道出入口 过渡段线形设计的研究均缺乏与驾驶员生、心理因素以及通行能力模型的有机结合，在线 形设计方面只是一个机械固定的量化指标，不能体现出人性安全的设计理念，缺乏相关研 究理论的支持及设计的全面性，由于隧道出入口过渡段左侧稳定性较高，右侧稳定度低，所 以本发明主要是针对隧道出入口右侧进行的线形设计。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供在以"通行能力"为基本因素，选取"道路宽度"为主要参数并 在有机结合驾驶人员心理生理特性基础上构建了一种适合隧道环境的通行能力模型，进而 确定出基于通行能力稳定性的隧道出入口过渡段线性设计方法，主要针对的是过渡段右侧 的线性设计。
[0011] 为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0012]基于通行能力稳定性的隧道出入口过渡段线性设计方法，具体步骤如下：
[0013] 1)根据测量的隧道出入口行车速度v计算隧道出入口过渡段的理论长度1;
[0014] 2)将隧道出入口过渡段划分为前段圆弧、中间主要渐变段和后段圆弧；
[0015] 3)基于行车位移的通行能力变化率保持在极限常数M内的基础上，构建中间主要 渐变段各区域道路宽度计算模型；
[0016] 4)构建隧道出入口前段圆弧和后段圆弧的宽度计算模型；
[0017] 5)根据步骤3)和步骤4)确定的模型得出隧道出入口过段段的最终线型。
[0018]进一步地，所述步骤1)中所述隧道出入口过渡段的理论长度1的计算公式为：
[0020] 其中，wo为渐变前公路右侧现状道路宽度，Wt为隧道内右侧道路宽度。
[0021] 对于隧道过渡段长度L的取值可按照公式（1)模型计算，即要保证隧道过渡段实际 长度P 1。
[0022] 进一步地，所述步骤3)的具体步骤如下：
[0023] 3-1)根据车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数匕确定隧道通行能力计算 模型Q;
[0024] 3-2)将中间主要渐变段划分为η个有限小区域，根据行车位移的通行能力变化率 与极限常数M相等求得划分的各区域端点及隧道过渡段起点两点所在的直线与两点间直线 的水平方向所形成的角度值；
[0025] 3-3)根据隧道内道路宽度、划分的各区域端点至隧道过渡段起点之间的水平距离 及两点所在直线与水平方向之间的角度值建立中间主要渐变段各区域宽度计算模型。
[0026]进一步地，所述步骤3-1)中所述隧道通行能力计算模型Q的计算公式为：
[0027] Q = 2CB(v/C)iNfwfo = 2Cfw (2)
[0028] 其中，Cb为基本通行能力，（V/C):为第I级服务水平下最大服务交通量与基本通行 能力的比值，N为单行车道的车道数，fo为其他修正系数，C为影响参数修正参数。
[0029] 进一步地，根据趋势外推法并结合驾驶员舒适性寻找合适的所述车道宽度和侧向 净宽对通行能力的修正系数fw，通过公式(3)求得：
[0030] fw=(-2.3w2+34.68w+6.9)% ,w> 3.5m (3)
[0031] 其中，w为车道宽度。
[0032] 进一步地，所述步骤3-2)中所述各区域端点及隧道过渡段起点两点所在的直线与 两点间直线的水平方向所形成的角度值通过公式(4)求得：
[0034]其中，极限常数M根据式(5)进行计算：
[0036]其中，L为隧道出入口过渡段实际长度，其他参数同上。
[0037] 进一步地，所述步骤3-3)中中间主要渐变段各区域宽度计算模型通过公式(6)求 得：
[0038] wi=wt+li · tan〇i (6)
[0039] 其中，Wl为隧道中间主要渐变段各区域道路宽度，i大于等于I ,I1为划分的第i个中 间主要渐变段两个端点之间的水平长度，其他参数同上。
[0040] 进一步地，所述步骤4)中通过在隧道出入口前段和后段分别建立直角坐标系找到 前段圆弧和后段圆弧的圆心，并根据边角关系与隧道出入口过渡段的理论长度计算相应圆 心坐标和半径，建立前段和后段相切圆弧参数方程：
!
[0042]其中，（0，R)为前段圆心坐标，（a，b_R)为后段圆心坐标，（x，y)为图中圆弧任一点 的位置，f(R)为前后过渡段圆弧参数方程。
[0043]本发明的工作原理是：
[0044] 为克服现有隧道出入口过渡段通行能力稳定性降低与线形设计指标机械单一的 弊端，主要体现在以下几方面。
[0045] (1)避免目前出现的因隧道出入口过渡段线形设计不合理导致的隧道过渡段道路 资源浪费问题，保证隧道过渡段道路资源的充分利用；
[0046] (2)打破传统的以"速度为主"的设计理念，提出基于道路宽度的通行能力计算模 型，并基于此模型计算不同区域对应的合理宽度，避免单一考虑隧道出入口过渡段平纵线 形设计指标；
[0047] (3)克服因线形设计不合理导致驾驶员通过安全顺适性差的弊端，在考虑隧道出 入口通行能力的基础上，结合"动态行车环境"与"驾驶员心理生理特性"两方面影响因素， 设计出过渡段最优线形，保证驾驶人在此区域内的安全顺适过渡。
[0048] (4)通过对隧道宽度系数进行修正，提出适合隧道出入口过渡段的通行能力模型， 最终确定出合理线形，保证驾驶员能够安全顺适通过隧道环境，避免单一设计合理的错误 理念，体现"人一车一路一环境"的相互协调性。
[0049] 本发明的有益效果是：
[0050] 1)坚持以人为本的设计理念，在隧道出入口过渡段行车环境的基础上有机结合驾 驶员心理生理因素，避免单一考虑线形设计指标，克服隧道出入口过渡段侧重设施优化的 弊端，实现隧道出入口过渡段人一车一路一环境之间的相互协调。
[0051] 2)利用隧道通行能力作为道路宽度变化最直接的体现形式，选取通行能力为主