G5高速公路避險車道安全性分析

周 華，張詩波，李平飛，黃海波

（1.西華大學交通與汽車工程學院 汽車測控與安全四川省重點實驗室,四川 成都 610039；2.四川西華機動車司法鑒定所,四川 成都 610039）

1 引言

眾所周知，避險車道是高速公路長大下坡路段重要的交通安全設施，特別是對制動作用減弱或失效的貨車避免發生車毀人亡的惡性事故將起到至關重要的作用。盡管如此，國內避險車道在設計上并沒有形成一個規范性的指導文本，導致某些避險車道在實際運營中存在安全隱患，不能很好地起到避險的作用。本文以發生在京昆高速公路（G5）雅西段避險車道上一起交通事故為出發點，提出避險車道常見的安全隱患，通過對避險車道的安全性評價提出改進措施方案，為避險車道的安全性評價提供依據。

避險車道主要的技術原理：一是用礫石等材料作為制動床集料，以對避險車輛的車輪產生較強陷落作用，對車輛產生一定阻力；二是制作一定坡度的縱坡，利用車輛在其上行駛時的重力做功來消減車輛遇險時的動能。避險車道的縱坡一般為正值，即為上坡，在受地形限制的個別路段可能采用平坡。縱坡的坡度可以有單一或多個坡面組成[1]。

2 實際案例

2.1 事故概況

2012年9月，一輛大型貨車在京昆高速某長大下坡路段（連續下坡長51km）下坡過程中因制動器熱衰退導致制動失效，以約110km/h的速度（根據監控視頻計算）駛入緊急避險車道制動床，結果車輛與避險車道末端山體發生碰撞而引發事故，導致車輛駕駛室嚴重損毀、車內兩人全部死亡。圖1為監控拍攝的貨車駛入避險車道并最終與山體發生碰撞的過程。

圖1 貨車駛入避險車道視頻畫面

2.2 事故避險車道概況

該避險車道由制動床和服務車道組成（見圖2）。制動床寬度5.6m，服務車道寬3.1m，制動床長度約97m。制動床是一個由4段不同坡度組合而成的縱坡，由入口至末端的坡度及其長度依次見表1。制動床集料使用的是4～11cm不同尺寸的石塊，集料深度26～45cm（見圖3）。

表1 制動床坡度及其長度

圖2 避險車道

圖3 制動床集料石塊

2.3 避險車道存在的隱患分析

（1）制動床集料鋪設深度及集料規格不合理：避險車道現有制動床的集料鋪設深度在26～45cm，深度偏淺，并且在鋪設深度上沒有合理的過渡，這樣的深度不能保證避險車輛的車輪在制動床集料中充分下陷而產生阻力作用。

在事故中，避險車輛的車輪在制動床集料中下陷最深約10cm，下陷深度有限。最主要原因是因為在10cm深度以下的石塊（4～11cm不等尺寸）之間的棱角相互鎖死壓實，45cm深度以下（部分26cm以下）為壓實的土石混合物（見圖4～5），采用的集料規格不合理。

圖4 事故中車輛的下陷深度

圖5 制動床集料層剖面

（2）制動床坡度不合理：避險車道的坡度組合中30m的2%坡度幾乎不能起到制動效果。

（3）制動床長度偏短：會導致車輛行駛到制動床末端時仍有較大的速度。

（4）制動床末端處理不當：避險車道的端部處理方式是一排廢舊輪胎和整砌后的山體，不能有效防護。

3 基于PC-CRASH的避險車道安全性評價

3.1 車輪-松軟路面相互作用模型

PC-CRASH提供了車輪-松軟路面相互作用模型，可以模擬車輪陷入松軟路面時的運動情況。該模型把輪胎與沙土作用過程中垂直方向的變形和水平方向的變形分離開來，分別用Bekker模型和Janosi-Hanamoto剪切應變方程推導模型來表示。

利用Bekker方程建立路面垂直方向的沉陷與車輪垂直載荷的關系模型[2]：

Z0—車輪靜載荷FZ0下地面垂直沉陷量。

k，n—系數和指數，決定于地面的類型、結構和力學特性，來自于試驗。

A—輪胎觸地面積

假設：

式中：FZ2=2FZ雙倍輪載荷

Z2—FZ2載荷下，路面垂直變形量

根據Janosi-Hanamoto的剪切應變方程推導出水平方向變形量s與摩擦系數μ（s）的關系模型[3]：

其中：

μmin，μmax—輪胎與地面之間摩擦系數的最大值和最小值

K—地面水平剪切變形模量

3.2 仿真與結果分析

根據上述事故案例的現場采集數據（見表1），利用PC-CRASH（version 9.0）建立三維避險車道模型，應用上述“車輪-松軟路面相互作用模型”模擬車輪與制動床集料作用過程，模擬汽車駛入制動床的運動過程（見圖6）。

圖6 避險車道三維模型

貨車以約110km/h的速度駛入避險車道制動床。圖7、圖8分別為貨車駛入制動床過程中速度-時間、速度-行駛距離的關系曲線。貨車以110km/h駛入避險車道，行駛約97m、4s時間后速度減小到約80km/h，最終以約80km/h速度碰撞固定物，避險車道的減速效果不明顯。這一過程與視頻的記錄過程基本一致，說明制動床“車輪-松軟路面相互作用模型”的參數設置與實際情況基本一致。

圖7 事故車輛速度-時間曲線

圖8 事故車輛速度-距離曲線

3.3 改進

考慮到該路段限速100km/h及路段特征，如將避險車道入口速度設計為120km/h，則可以通過合理選擇制動床集料類型及制動床結構，保證車輪在集料中的沉陷深度，起到減速效果。通過不斷計算得出，如將制動床坡度設計為單一縱坡15%，貨車在初速度120km/h情況下進入制動床，則可以在行駛不到100m的距離即停止（見圖9），證明制動床具有明顯制動效果，能起到避險作用。

圖9 事故車輛速度-距離曲線

4 結論

（1）利用PC-CRASH軟件的“車輪-松軟路面相互作用模型”可以模擬避險車輛車輪在制動床集料中的制動效果。

（2）在避險車道的設計施工中，應選擇在12.7～19.0mm之間的圓形礫石作為制動床的集料，保證能使車輪具有足夠的下陷深度。

（3）制動床的坡度設計應為15%的單一縱坡，并盡量將制動床長度延長到100m以上。

（4）在制動床末端應設置4排以上的廢舊輪胎或消能桶及防撞墻。

[1]侯貽棟.京化高速公路避險車道設置應用研究[J].公路交通科技（應用技術版），2012，（6）：390-392.

[2]Bekker M.G.，Introduction to Terrain-Vehicle-Systems[M].The University of Michgan Press，Ann Arbor 1969：77.

[3]Janosi Z.，Hanamoto B.The analytical determination of drawbar pulls as a function of slip for tracked vehicles in deformable soils[M].Mechanics of Soil-Vehicle Systems Edizioni，Minerva Tecnica 1962：3-8.