復雜山區公路橋梁避險車道設計研究

薛飛宇，趙賽輝，劉均利

（1.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶市 400067；2.重慶建工市政交通工程有限責任公司，重慶市 4000213；3.桂林理工大學，廣西 桂林 541004）

0 引言

我國道路交通事故數量、死亡人數和受傷人數一直呈上升趨勢，2016年我國道路交通事故864.3萬起，造成死亡人數約6.3萬人。特別在復雜地形山區，車輛駛入長大下坡路段后持續使用剎車容易造成剎車轂過熱，致使車輛制動性能降低或制動失靈，而發生追尾、對撞及沖下懸崖車毀人亡的惡性交通事故[1]頻發。為盡快消除安全隱患，在線路外側設立引道過渡段（與主車道交叉）的避險車道，使司機把車輛轉向避險車道的方式是很重要的山區公路安全保障措施。

避險車道線路縱坡一般設置8%～20%，路床鋪阻尼系數較大的0.5～1.5 m厚卵石或碎石，車道末端應堆放提供緩沖的砂桶、廢舊輪胎、阻攔索等[2]，使車輛停下來。由于避險車道需要較厚的消能路床，且受力復雜，所以避險車道一般設置在路基部分，可方便設置消能路床和緩沖裝置。但山區地形復雜，有的位置需要設置避險車道，但設置在路基段十分困難，強行設置路基段避險車道則存在路基造價高，安全性低等問題，橋梁上設置避險車道成為可能。

1 橋梁避險車道設置原則

橋梁避險車道路設置應滿足路基避險車道設置原則[2]，且應滿足橋梁設計規范[3-6]要求：

（1）橋梁避險車道應滿足橋梁設計規范的受力要求，確保安全性和耐久性。

（2）在連續長陡下坡路段，交通組成中大、中型載重車比例較高時，宜在連續下坡長度大于表1中平均縱坡度的路線長度后，開始設置第一處為失控車輛專用的避險車道，并按表中規定的路線增加長度增設避險車道。避險車道應由標志標線、減速路面、路側護欄、端部抗撞設施、施救設施等組成[2]。

表1 避險車道設置位置及間距

（3）橋梁避險車道一般宜設置在連續長陡下坡路段右側視距良好的路段，在車輛高速行駛時不能安全轉彎的主線平曲線之前或人口稠密區之前；入口在較小半徑的曲線上時應盡量以切線方式從主線切出，在直線或大半徑曲線上時，進入避險車道的駛入角不應過大，避免側翻，主線應設置醒目標志，確保失控車輛安全、順利駛入。禁止在右轉彎曲線上設置避險車道[2]。避險車道設置示意見圖1。

圖1 避險車道設置示意圖

（4）橋梁避險車道路段的平面線形應設計成直線，與行車道夾角以3°～5°為宜。當條件受限必須采用曲線時，曲線半徑應盡量采用較大值，一般宜大于不設超高的曲線半徑值。避險車道的縱斷面線形宜采用單向上坡。當需要設置豎曲線時，豎曲線半徑應滿足視距要求的半徑值。避險車道的縱坡坡度應根據避險車道的長度和路床材料綜合確定，保證車輛不發生縱向傾覆和縱向滑動。其值宜控制在8%～20%[2]。

（5）橋梁避險車道的寬度一般為4～6 m，服務車道的寬度一般為3.2 m。若需要滿足兩輛車輛先后進入避險車道，則車道寬度宜為8～10 m，見圖2、圖3[2]。

圖2 路基避險車道橫斷面示意圖

圖3 橋梁避險車道橫斷面示意圖

（6）橋梁避險車道的長度應根據失控車輛駛出速度、避險車道縱坡及路床材料綜合確定。其計算公式[2]如下：

式中：Sz為避險車道長度,m；V為進入避險車道的速度,km/h；iz為避險車道坡度；fz為路床材料滾動阻力系數。

（7）橋梁避險車道路床材料宜選擇具有較高的滾動阻尼系數，陷落效果較好，不易板結和被雨水沖刷的非級配卵（礫）石材料，材料粒徑一般以2～5 cm為宜；制動路床鋪筑厚度一般為0.5～1.0 m[2]。

（8）橋梁避險車道應在車道末端設置剛性防撞護欄，在剛性防撞護欄前增設如砂桶、廢輪胎護欄、阻攔索等合適的緩沖裝置或設施[2]。

（9）橋梁避險車道周圍及梁板下應做好排水設計，不得讓車道外側水進入車道，亦不得在路床內停有積水。

（10）橋梁避險車道側面防撞需有足夠剛度，能抵抗車輛撞擊及消能路床側壓力。

（11）橋梁避險車道應優先設計墩梁固結，防止車輛制動造成的支座損壞或梁體變位。

（12）橋梁避險車道跨徑不宜太大，應盡量采用結構連續體系。

2 橋梁避險車道結構設計

橋梁避險車道與普通橋梁相比，荷載數值更大，受力更為復雜，對結構的要求也就更高。且由于橋梁避險車道的特殊作用，結構構件功能與普通橋梁也不盡相同。在橋梁避險車道設計之初，應對受力主體結構—橋梁體進行詳細的受力分析，根據受力情況合理設計結構尺寸，使之滿足功能和安全性需要。

2.1 受力分析

2.1.1 主梁受力分析

主梁是直接承受上部荷載的構件，消能路床、附屬結構、緩沖裝置、汽車荷載、積水（積雪）等都是直接作用在主梁上。

恒載按照實際重量計算。消能路床按照實際填充量與材料密度折算線荷載；主體受力主梁與附屬結構按照實際尺寸與材料密度折算線荷載；緩沖裝置按照實際重量按點荷載計算。

活載則應計算兩輛重車同時使用避險車道計算，同時應計入服務車輛重量，按一輛重車計算。活載應考慮10%消能路床體積的積水作為控制活載計算。由于反向坡存在，活載應考慮汽車的豎向離心力和制動力。由于避險車輛進入避險車道有從下坡路段轉為上坡路段的過程，且凹曲線半徑較小，汽車離心力與橋梁設計規范上定義的離心力計算模式不同，應著重考慮由下坡轉為上坡而產生的豎曲線方向離心力；制動力主要考慮消能路床的摩擦力。受力模式見圖4。

圖4 沖擊力受力模式圖

忽略空氣阻力等數值較小的因素，動能、勢能、摩擦耗能能量守恒，公式如下：

式中：m為車輛質量；v1為進入豎曲線初速度；g為重力加速度；vi為豎曲線中任一點速度；hi為豎曲線中任一點距離曲線起點豎向距離，向下為正，向上為負為豎曲線半徑；a為進入豎曲線入射角度；μ為摩擦系數，取消能路床材料摩阻系數；fi為豎曲線中任一點離心力；si為行駛距離。

計算示意圖5。

圖5 計算示意圖

帶入離心力公式，則可求得：

帶入離心力公式后，可獲得豎曲線上任一點位置si處的離心力fi=mv2i/r，以及此處制動力Fi=μ（fi+mg）。

2.1.2 下部結構受力分析

下部結構應滿足《公路橋涵地基與基礎設計規范》[6]的要求。此處除需要考慮恒載組合外，活載應考慮豎向離心力與制動力組合情況。由于消能路床等造成的豎向力大，制動力等造成的剪力大等影響，下部結構一般尺寸較大，需要考慮墩柱和樁基的抗彎、抗剪，以及墩臺的抗傾覆等。由于一般采用小跨境連續固結體系，應加大對基礎沉降的計算，控制沉降產生的次內力。

2.2 結構設置

2.2.1 消能路床

橋梁避險車道受到成本及結構尺寸影響，消能路床應在滿足消能要求的前提下，盡量減小消能路床的尺寸。橋梁避險車道應選用摩擦阻力系數大的材料，如豆礫石，豆礫石摩阻系數為μ=0.25，大于碎礫石μ=0.05和礫石μ=0.10[2]，是避險車道首選材料。

2.2.2 服務車道

橋梁避險車道的服務車道設置重點是服務車道基層材料。為保證服務車道有一定強度，且為保證橋梁左右受力的一致性，應選用與消能路床密度相似的具有一定強度的材料。泡沫混凝土是橋梁避險車道服務車道的首選材料。

泡沫混凝土通常是用機械方法將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到含硅質材料、鈣質材料、水及各種外加劑等組成的料漿中，經混合攪拌、澆注成型、養護而成的一種多孔材料。由于泡沫混凝土中含有大量封閉的細小孔隙，泡沫混凝土的密度較小，密度等級一般為300～1 800 kg/m3，密度為160 kg/m3的超輕泡沫混凝土也在建筑工程中獲得了應用。

泡沫混凝土具有一定強度，且通過氣泡配比可控制泡沫混凝土整體密度，可達到設置要求。

2.2.3 主梁設置

橋梁避險車道的主梁可根據施工能力進行選型，如裝配式T梁、裝配式小箱梁、現澆箱梁等結構形式。應盡量采用小跨徑連續體系，避免一跨自重過大而加大結構尺寸造成的資源浪費，也應避免由于伸縮縫的設置，造成松散的消能路床泄露或者破壞的情況。

橋梁避險車道主梁應充分設置排水孔，避免消能路床內積攢水分，增加結構二期自重。并保持排水設備的暢通。排水孔位置應設置過濾層，如土工布等，防止消能路床內材料消耗形成空洞，造成消能路床工作是突然失效的情況。

橋梁避險車道主梁應對荷載考慮充足，特別豎向離心力和制動力應作為主要組合進行計算。

2.2.4 附屬（護欄）設置

附屬設置主要是護欄及底座。底座應與護欄和主梁連接緊密，護欄、底座、主梁連接部分應滿足尺寸、受力等設計規范要求。

護欄在橋面根部應設置排水孔，減小消能路床匯水量。且底座根部也應設置排水孔，加快消能路床排水能力。排水孔位置應設置過濾層，如土工布等，防止消能路床內材料消耗形成空洞，造成消能路床工作是突然失效的情況。

應設置末端護欄，防止車輛動能過大，消能池和緩沖裝置未能完全止停沖出避險車道情況。橋梁避險車道與主要通行結構相連處應設置前端背墻（底座），防止消能路床材料消耗。

橋梁避險車道末端的緩沖裝置應設置合理，可采用廢舊輪胎、砂桶、阻攔索等形式，廢舊輪胎應選用外形完整，磨損較小的輪胎。建議采用組合緩沖裝置，最大能力吸收動能，避免車輛未能止停撞擊末端護欄。

2.2.5 下部結構設置

橋梁避險車道下部結構是保證主體結構安全的關鍵性構件之一。下部結構必須承擔上部結構恒載和活載，并能抵抗風荷載和地震荷載的作用。

橋梁避險車道由于制動力大，橋墩橫向剪力大，且由于避險車道縱坡較大，各種原因造成跑梁的概率高，一般建議設置墩梁固結，防止由于支座滑移和破壞造成的安全事故。

由于上部結構自重大，橫向剪力大，基礎建議采用嵌巖樁，并增多和加大墩柱樁基尺寸。沒有嵌巖樁條件的，應加大摩擦樁安全系數控制，減少沉降等措施，達到設計要求。

墩臺處設置支座的，應設置較強的防落梁裝置，特別縱向限位裝置，防止制動力情況下主梁位移過大造成破壞。

2.3 使用要求

（1）定期巡檢，即時發現問題，特別伸縮縫、支座等位置應加強監測，防止突發問題。

（2）為保證消能路床工作狀態，防止因雨、雪、氣溫等因素造成的消能路床必然損耗，應定期對消能路床更換消能路床材料。

（3）由于一些特殊原因，消能路床內有油漬、塑料、紙張等垃圾時，消能路床的工作狀態會下降，所以應定期清除異物，保證消能路床清潔。

（4）緩沖裝置受到外界影響較大，容易產生老化、腐蝕等破壞。如砂桶老化泄露、阻攔索銹蝕等，應定期更換緩沖裝置。

（5）橋梁避險車道實際產生工作效能后，消能路床材料會發生劇烈的相對位移，其磨損會降低摩擦消能作用。此時應即時更換工作段消能路床材料。

3 工程實例

3.1 工程背景

西藏某快速通道項目線路全長約50.366 km，起點位于拉薩市達孜縣德慶鎮，設置達孜樞紐互通與林拉公路工程相銜接，利用拉薩至山南地區的古道為走廊帶，沿多雄朗溝道經念喀、新倉、仲莎、拿嘎穿過圭嘎拉山，經過聶果村、前達村，終點止于山南地區扎囊縣桑耶鎮，與即將實施的曲乃公路工程相銜接。本項目采用一級公路技術標準建設，分別采用60 km/h、80 km/h兩種設計速度，路基寬度23.5 m。

項目地處高原山區，為越嶺線。受到藏中地震帶和喜馬拉雅地震帶影響，造山運動[9]劇烈。由于第四紀冰川及地表徑流[10]及西藏高原特有的晝夜溫差及季節溫差影響，項目位置溝壑叢生，泥石流、崩塌體眾多，山體表面破碎嚴重，形成長達幾十公里的長大上、下坡，其中圭嘎拉隧道前23 km左線無路基避險車道設置條件。

3.2 結構形式

本段橋梁避險車道設計范圍為K6+530、K11+750兩個位置。K6+530避險車道跨徑布置為8×20 m，上部結構采用20 m跨徑的預制裝配式小箱梁,梁高1.6 m。下部結構采用矩形實心橋墩，由于避險車道縱坡較大，為了結構安全，采用墩梁固結體系。K11+750避險車道跨徑布置為19×20 m，上部結構采用20 m跨徑的預制裝配式小箱梁,梁高1.6 m。下部結構采用矩形實心橋墩，由于避險車道縱坡較大，為了結構安全，采用墩梁固結體系。

3.3 計算結果

各類材料重力密度取值根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60－2015）（以下簡稱《規范JTG D60》）的相關規定。主要材料：鋼筋混凝土、素混凝土、瀝青混凝土的重力密度取值分別為26.0、24.0、24.0 kN/m3，二期恒載為橋面鋪裝、防撞護欄、檢修道護欄、過橋管線等匯總后的重量；開始段豎曲線半徑為600 m，按照失控車速100 km/h計算計入速度，進入角度為0.9°，弧底距離進入點30 m，得到豎向離心力為58.3 kN，制動力為121.6 kN；其他荷載按規范取值。

結構總體靜力計算采用MIDAS/Civil橋梁結構分析軟件，基于空間桿系結構理論,根據施工程序將全橋結構離散成165個節點、96個單元，見圖6。因各聯平曲線半徑較大，縱坡較小，主梁按直線橋分析，且不計縱坡的影響。

圖6 橋梁避險車道單元離散圖

計算結果見表2。

表2 上部結構計算結果

計算結果表明，結構安全設計達到《規范JTG D60》要求。

4 結語

復雜山區地形長大下坡很多路段難以設置道路避險車道，通過橋梁避險車道結構分析與設置，結合工程實例，通過對橋梁結構的合理設計和設置，實現在橋梁上設置避險車道功能，通過設置橋梁避險車道，提高公路安全通行能力。