基于通行能力稳定性的隧道出入口过渡段线形设计方法

摘要

本发明公开了基于通行能力稳定性的隧道出入口过渡段线性设计方法，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，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；确定不同隧道出入口过渡段最优设计路线，保证隧道出入口过渡段道路资源的合理利用，提高施工标准的精准性与严密性，从而提高隧道出入口过渡段行车通行能力；整个设计方法更具科学性、全面性，能较好地与实践特性充分结合。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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：

(1)通行能力

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—车—路—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。

(2)隧道出入口线形设计顺适性

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 —车—道路—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。

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

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。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

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：

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l；

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；

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；

4)构建隧道出入口前段圆弧和后段圆弧的宽度计算模型；

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。

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l的计算公式为：

$l=\frac{v}{3}(w_0-w_t)---\left(1\right)$

其中，w₀为渐变前公路右侧现状道路宽度，w_t为隧道内右侧道路宽度。

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L≥l。

进一步地，所述步骤3)的具体步骤如下：

3-1)根据车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数f_w确定隧道通行能力计算模型 Q；

3-2)将中间主要渐变段划分为n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；

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。

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：

Q＝2C_B(v/C)_INf_wf₀＝2Cf_w(2)

其中，C_B为基本通行能力，(V/C)_I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，f₀为其他修正系数，C为影响参数修正参数。

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f_w，通过公式(3)求得：

f_w＝(-2.3w²+34.68w+6.9)％,w≥3.5m(3)

其中，w为车道宽度。

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：

${\mathrm{tan\alpha }}_i=\frac{(0.35-0.046w_t)+\sqrt{{(0.35-0.046w_t)}^2+0.092l_{i}M/C}}{0.092l_i}---\left(4\right)$

其中，极限常数M根据式(5)进行计算：

$M=\frac{w_0-w_t}{L}---\left(5\right)$

其中，L为隧道出入口过渡段实际长度，其他参数同上。

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：

w_i＝w_t+l_i·tanα_i(6)

其中，w_i为隧道中间主要渐变段各区域道路宽度，i大于等于1，l_i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。

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：

$f\left(R\right)=\left(\begin{array}{c}{x}^2+{(y-R)}^2=R^2,0\le l\le \alpha \%L\\ {(x-a)}^2+{(y-b+R)}^2=R^2,\beta \%L\le l\le \alpha \%L\end{array}\right)---\left(7\right)$

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。

本发明的工作原理是：

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。

(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；

(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；

(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。

(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—车—路—环境”的相互协调性。

本发明的有益效果是：

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—车—路—环境之间的相互协调。

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，选取通行能力为主要研究 对象，针对隧道出入口各区域提出相应的优化设计方法，保证隧道出入口过渡段的顺适过 渡，从而减轻驾驶员心理负荷。

3)确定不同隧道出入口过渡段最优设计路线，保证隧道出入口过渡段道路资源的合理 利用，提高施工标准的精准性与严密性，从而提高隧道出入口过渡段行车通行能力。

4)整个设计方法更具科学性、全面性，能较好地与实践特性充分结合。

附图说明

图1是本发明步骤控制流程图；

图2是本发明建立在中间过渡段区域划分时所涉及的示意图；

图3是本发明建立两段相切圆弧参数方所程涉及的直角坐标系构建示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的 描述。

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：

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_l，保证隧道 过渡段实际长度L≥l。

$l=\frac{v}{3}(w_0-w_t)---\left(1\right)$

其中，w₀为渐变前公路右侧现状道路宽度，w_t为隧道内右侧道路宽度。

2)取隧道出入口过渡段前后长度各α％、β％部分作为前段圆弧与后段圆弧，剩余部分 为中间主要渐变段；

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；

具体步骤如下：

3-1)隧道出入口车道宽度通常大于或等于3.5米，因此本次研究的通行能力修正系数 只考虑车道宽度大于或等于3.5米的情况，通过相关研究发现当车道宽度大于5.875米时， 车道宽度对通行能力的修正系数无明显效果；根据趋势外推法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f_w，通过公式(3)求得：

f_w＝(-2.3w²+34.68w+6.9)％,w≥3.5m(3)

其中，w为车道宽度。

3-2)隧道出入口前后横断面过渡技术指标主要的影响因素为道路宽度变化，道路宽度 变化最直接的体现形式为隧道通行能力大小的变化，为得到最大通行能力；根据车道宽度 和侧向净宽对通行能力的修正系数f_w确定隧道通行能力计算模型Q；

Q＝2C_B(v/C)_INf_wf₀＝2Cf_w(2)

其中，C_B为基本通行能力，(V/C)_I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，f₀为其他修正系数，C为影响参数修正参数。

3-3)将隧道中间主要渐变段以m米为一个过渡单位划分为n个有限小区域，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为 a_i(i＝1,2,3...n)，在此基础上以隧道出入口为起点得到以下隧道前后道路宽度换算公式，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关系，根据隧道内道路宽度、 划分的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 的角度值及两点间的水平距离建立中间主要渐变段各区域宽度计算模型，如图2所示，中 间渐变段是逐渐加宽的，划分的各区域与中间渐变段是有坡度的；

$\frac{\partial Q}{\partial l}=2C(-0.046l_i{\tan }^2{\alpha }_i+0.35{\mathrm{tan\alpha }}_i-0.046w_t{\mathrm{tan\alpha }}_i)=M---\left(8\right)$

根据公式(8)推出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关系：

${\mathrm{tan\alpha }}_i=\frac{(0.35-0.046w_t)+\sqrt{{(0.35-0.046w_t)}^2+0.092l_{i}M/C}}{0.092l_i}---\left(4\right)$

其中，l_i为第i个中间主要渐变段两个端点之间的水平长度，α_i为第i个区域端点及隧 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。

然后代入极限常数(从图2中得出)，求得不同区域相对应的正弦值tanα_i。

3-4)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：

w_i＝w_t+l_i·tanα_i(6)

其中，w_i为隧道中间主要渐变段各区域道路宽度。

4)构建隧道出入口前段圆弧和后段圆弧的宽度计算模型；

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：

$f\left(R\right)=\left(\begin{array}{c}{x}^2+{(y-R)}^2=R^2,0\le l\le \alpha \%L\\ {(x-a)}^2+{(y-b+R)}^2=R^2,\beta \%L\le l\le \alpha \%L\end{array}\right)---\left(7\right)$

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。

5)根据步骤3)和步骤4)确定的模型得出隧道出入口过渡段右侧横断面最终线形， 因中间主要渐变段划分区域较多，可以得出多条设计路线，最终选择最优设计线型。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视 为本发明的保护范围。