山區(qū)避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)研究

張益豪 鄭建榮

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350108）

1 避險(xiǎn)車道研究現(xiàn)狀

避險(xiǎn)車道是能夠讓失控車輛駛離道路主線，使其在制動(dòng)坡床上安全、平穩(wěn)停車的專用工程設(shè)施。由于我國缺少科學(xué)完整的避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)指南手冊，因此各地避險(xiǎn)車道在設(shè)計(jì)過程中并沒有達(dá)到安全合理的避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致失控車輛在使用避險(xiǎn)車道避險(xiǎn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)避險(xiǎn)失敗的現(xiàn)象。

2 國道G237線K1342+734～K1346+568路段現(xiàn)狀分析

2.1 工程概況

國道G237線K1342+734～K1346+568路段，道路總長3.834km，平均縱坡坡度為5.83%，設(shè)計(jì)速度為40km/h，雙向兩車道，水泥混凝土路面，路面平整度較好。根據(jù)道路竣工圖文件和現(xiàn)場實(shí)地踏勘，該路段為連續(xù)長下坡路段，下坡路段總長度為5km，在K1346+568處設(shè)有避險(xiǎn)車道，避險(xiǎn)車道破壞嚴(yán)重，存在較大的安全隱患，且出入口缺少必要的警示牌。圖1為該路段現(xiàn)場勘測的照片。

圖1 國道G237線K1342+734～K1346+568路段道路現(xiàn)狀條件示意圖

2.2 避險(xiǎn)車道存在問題

該文通過現(xiàn)場勘測與文獻(xiàn)，總結(jié)了避險(xiǎn)車道存在的3個(gè)問題。

避險(xiǎn)車道與主線的夾角即駛?cè)虢窃O(shè)置過大，降低失控車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道的成功率。

該避險(xiǎn)車道的結(jié)構(gòu)主要存在以下3個(gè)方面的問題：1）制動(dòng)坡床長度過短。可能導(dǎo)致失控車輛沒有完全將動(dòng)能消耗，沖出制動(dòng)坡床情況發(fā)生。2）避險(xiǎn)車道坡度過大。過大的坡度會(huì)使駕駛員產(chǎn)生恐懼的心理，從而打消進(jìn)入避險(xiǎn)車道的念頭。3）引道缺失。沒有設(shè)置引道則可能導(dǎo)致失控車輛左右輪胎受力不均而發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象。

該避險(xiǎn)車道缺少的附屬設(shè)施如下：1）護(hù)欄缺失。避險(xiǎn)車道兩側(cè)未設(shè)置護(hù)欄可能導(dǎo)致失控車輛沖出避險(xiǎn)車道，沖上主線，撞上山體等情況發(fā)生。2）吸能設(shè)施缺失。在避險(xiǎn)車道的末端設(shè)置吸能設(shè)置能夠吸收失控車輛的殘余動(dòng)能，保證避險(xiǎn)成功，防止失控車輛沖出避險(xiǎn)車道的情況發(fā)生。3）視線誘導(dǎo)設(shè)施缺失。未設(shè)置相關(guān)的提醒標(biāo)志可能會(huì)造成駕駛員無法在短時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，錯(cuò)過避險(xiǎn)車道，失去避險(xiǎn)機(jī)會(huì)。

3 避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)

3.1 線形設(shè)計(jì)

引道具有連接主線與制動(dòng)坡床的作用，一方面要保證失控貨車在較高速度下能安全、平順地駛?cè)氡茈U(xiǎn)車道；另一方面，引道為駕駛員提供足夠的準(zhǔn)備時(shí)間，調(diào)整車輛的偏向，以確保失控車輛前軸兩輪同時(shí)駛?cè)胫苿?dòng)床，避免因受力不均而引起的側(cè)翻。文獻(xiàn)指出引道最小長度應(yīng)滿足從主線駛出的失控車輛行駛速度3s的要求。

由公式可得不同設(shè)計(jì)車速下引道的最小長度，見表1。

表1 滿足3s行程的避險(xiǎn)車道引道最小長度

對在該路段行駛車輛進(jìn)行測速，最終選定90km/h為臨界速度，得引道長度為75m。

在上述部分已經(jīng)提到，如果駛?cè)虢窃O(shè)置過大，就會(huì)導(dǎo)致失控車輛發(fā)生側(cè)滑，側(cè)翻等嚴(yán)重情況，所以應(yīng)對失控車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道的過程進(jìn)行科學(xué)合理地分析，確定駛?cè)虢堑姆秶！豆钒踩Ｕ蠈?shí)施技術(shù)指南》提岀直線段避險(xiǎn)車道的流岀角應(yīng)盡可能小，以小于 5°為宜。以主線為直線段的道路為例研究失控車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道的過程如圖2所示。

圖2為直線路段避險(xiǎn)車道路口處車輛行駛軌跡線的簡化圖，由于此時(shí)失控車輛速度較高且轉(zhuǎn)彎半徑較大，因此弦長≈弧長，由三角形的幾何關(guān)系容易得出==，并得出駛?cè)虢枪剑绻剑?）所示。

圖2 直線段失控車輛行駛軌跡示意圖

式中：-避險(xiǎn)車道駛?cè)虢牵ā悖?避險(xiǎn)車道中心線反向延長線與最外側(cè)道路中心線的夾角（°）；-圓心角（°）；-失控車輛從主線駛?cè)氡茈U(xiǎn)車道的軌跡半徑（m）；-車道寬度（m）。

失控車輛在由主線轉(zhuǎn)向進(jìn)入避險(xiǎn)車道時(shí)，必須滿足不發(fā)生側(cè)滑側(cè)翻的條件，根據(jù)公式可得不同車速下的最小轉(zhuǎn)彎半徑，見表2。

表2 不同車速對應(yīng)的最小轉(zhuǎn)彎半徑

根據(jù)上述公式，代入測得的道路寬度3.5 m，可得到表3。

表3 不同車速對應(yīng)的最大駛?cè)虢?/p>

根據(jù)表3可以看出，為了保障失控車輛在進(jìn)入避險(xiǎn)車道時(shí)的安全，駛?cè)虢菓?yīng)設(shè)置在5°左右。

3.2 選擇制動(dòng)坡床面層集料

制動(dòng)坡床是避險(xiǎn)車道最重要的一個(gè)組成部分，在其上鋪設(shè)的集料為車輛動(dòng)能的消耗提供主要助力。所以在選擇制動(dòng)坡床的鋪設(shè)集料時(shí)應(yīng)選擇較大的摩擦系數(shù)，一方面可以減少制動(dòng)坡床的長度，降低工程造價(jià)，另一方面能夠提高自救的成功率。其鋪設(shè)集料應(yīng)具有較高的滾動(dòng)摩阻系數(shù)，低剪切強(qiáng)度和不易密實(shí)板結(jié)的性能。通過實(shí)踐證明，礫石是最佳的選擇，與其他材料相比，其具有更好的制動(dòng)效果。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)影響面層集料滾動(dòng)阻力大小的主要因素是尺寸和級配，良好的級配可以使集料顆粒間的剪切力最小，車輪更容易陷入從而影響制動(dòng)失效車輛停車時(shí)間。

美國賓夕法尼亞大學(xué)通過大量的試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)：面層材料最佳粒徑在12.7mm左右，推薦面層材料粒徑分布范圍為6.3 mm～38.1 mm，平均粒徑為12.7mm～19.0mm。

為了使失控車輛平穩(wěn)減速停車，制動(dòng)床集料鋪設(shè)深度應(yīng)由淺入深逐漸過渡。胡藝馨提出粒料填埋的深度在避險(xiǎn)車道制動(dòng)床入口處最小為50mm，在30m內(nèi)逐漸過渡至800mm～1000mm。原避險(xiǎn)車道使用的集料是塊石，且集料的集配范圍較廣，已出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，根據(jù)上述分析，建議將集料換成粒徑為1.2cm～2cm的圓形礫石，入口集料深度為5cm，逐漸加厚，在30m處增加到1m。

3.3 制動(dòng)坡床坡度

制動(dòng)坡床是避險(xiǎn)車道重要的組成部分，關(guān)于避險(xiǎn)車道制動(dòng)坡床坡度的研究如圖3所示。為了使失控車輛達(dá)到減速制動(dòng)的目的，制動(dòng)坡床的坡度理論上應(yīng)該越大越好，但是過大的坡度可能出現(xiàn)車輛發(fā)生側(cè)翻和倒溜的情況，因此應(yīng)結(jié)合車輛的受力情況進(jìn)行分析，確定坡度的極限值。

圖3 制動(dòng)坡床示意圖

在極限狀態(tài)下失控車輛前輪所受地面的作用力為零，此時(shí)對失控車輛后輪進(jìn)行受力分析，可得式（3）和式（4）。

式中：-失控車輛前輪作用力為零時(shí)的極限傾角；-失控車輛前輪作用力為零時(shí)制動(dòng)坡床坡度（°）。

為使失控車輛在制動(dòng)坡床制動(dòng)后不發(fā)生溜滑而引起二次事故，應(yīng)對極限狀態(tài)制動(dòng)坡床的坡度進(jìn)行研究。即制動(dòng)坡床提供的靜摩擦力應(yīng)足以抵消車輛重力沿坡床向下的分力，如公式（5）和公式（6）所示。

式中：-制動(dòng)坡床鋪設(shè)摩阻系數(shù)；≤{，}。

由公式（5）和公式（6）可知，一旦確定了制動(dòng)車道的車床材料，車輛不發(fā)生倒溜的臨界縱坡也會(huì)確定。范志麗得出臨界坡度的計(jì)算表達(dá)式（忽略車輪陷入砂石材料的側(cè)向摩阻力），如公式（7）所示。

通常情況下，避險(xiǎn)車道上減速停止的車輛在發(fā)生倒溜事故前就會(huì)發(fā)生縱向傾覆，因此根據(jù)上述公式以及結(jié)合不同材料的滾動(dòng)阻力系數(shù)，可以求得對應(yīng)的制動(dòng)車道最大縱坡坡度值，見表4。

表4 不同材料對應(yīng)的最大坡度值

避險(xiǎn)車道的設(shè)置原理符合能量守恒定律，即可以理解為車輛將其動(dòng)能轉(zhuǎn)化成車輛的重力勢能和車輛輪胎和路面之間摩擦力做功之和，如公式（8）所示。

式中：-失控車輛駛?cè)胫苿?dòng)坡床前的速度；-制動(dòng)坡床長度（m）；-制動(dòng)坡床鋪設(shè)材料摩阻系數(shù)。

代入不同失控車輛駛?cè)胫苿?dòng)坡床前的速度和坡度的滾動(dòng)摩阻系數(shù)可得縱坡坡度取10%，當(dāng)失控車輛駛出車速為90km/h時(shí)，避險(xiǎn)車道制動(dòng)坡床的長度需要92m；如果改變坡度至15%，其余條件不變的情況下，避險(xiǎn)車道制動(dòng)坡床長度就需要80m，但坡度太大也會(huì)造成駕駛員的恐懼心理，所以建議選取10%為避險(xiǎn)車道的坡度值，則制動(dòng)坡長長度應(yīng)為100m。

3.4 避險(xiǎn)車道寬度

避險(xiǎn)車道包括路肩、制動(dòng)坡床和服務(wù)車道。制動(dòng)床的寬度至少需要4 m才能容納一輛車，在正常情況下，土路肩寬度為0.75 m，服務(wù)車道寬度為3.5 m，考慮交通量的情況，可增設(shè)一臺制動(dòng)坡床，再在靠近主線的一側(cè)設(shè)置防撞欄或者混凝土護(hù)欄，因此一般總寬為9 m或13 m。由現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)可知，該路段交通量較小，所以設(shè)置寬度為9 m即可。

3.5 附屬設(shè)施

交通標(biāo)志的設(shè)置是為了告知駕駛員前方的路況信息，以便車輛駕駛員有更充足的時(shí)間去應(yīng)對可能出現(xiàn)的各種道路情況。連續(xù)長陡下坡應(yīng)在坡頂設(shè)置信息告示標(biāo)志，并在距離避險(xiǎn)車道2km、1km、500m處各設(shè)置預(yù)告標(biāo)志，在避險(xiǎn)車道引道路口設(shè)置“禁止停車”與“失控車輛專用”的交通標(biāo)志，確保駕駛員有足夠的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)入避險(xiǎn)車道進(jìn)行自救也保證避險(xiǎn)車道不會(huì)由于正常車輛臨時(shí)停車失去其作用。由于現(xiàn)場并無設(shè)置信息告示表示故應(yīng)在距離避險(xiǎn)車道2km、1km、500m處各設(shè)置預(yù)告標(biāo)志，在避險(xiǎn)車道引道路口設(shè)置“禁止停車”與“失控車輛專用”的交通標(biāo)志，確保駕駛員有足夠的反應(yīng)時(shí)間進(jìn)入避險(xiǎn)車道進(jìn)行自救。

失控車輛駛?cè)氡茈U(xiǎn)車道，由于車速較快，駕駛員精神緊張，操作不穩(wěn)定，車輛可能從避險(xiǎn)車道的路側(cè)沖出避險(xiǎn)車道，從而造成大的交通事故。因此，應(yīng)在避險(xiǎn)車道的兩側(cè)設(shè)置護(hù)欄。

為了確保避險(xiǎn)車道的護(hù)欄有足夠的防護(hù)強(qiáng)度，可根據(jù)不停車速下選擇不同的防撞等級，防撞等級由SB、SA、SS有下往上逐級遞增，當(dāng)車速小于60 km/h時(shí)，一般路段可選擇SB級防撞護(hù)欄；當(dāng)車速為60 km/h～8 km/h時(shí)，一般路段可選擇SA級防撞護(hù)欄；當(dāng)車速大于80 km/h時(shí)，一般路段可選擇SS級防撞護(hù)欄。對特別危險(xiǎn)路段可有情況提高一個(gè)等級。

目前主要有鋼筋混凝土護(hù)欄、波形梁護(hù)欄和梁柱式鋼護(hù)欄三種防撞等級較高的護(hù)欄類型，在同樣的防護(hù)等級條件下，鋼筋混凝土護(hù)欄的造價(jià)更低、施工維護(hù)工作量小，普通國省干道避險(xiǎn)車道護(hù)欄可采用鋼筋混凝土護(hù)欄，護(hù)欄高度應(yīng)為道床以上110cm。

為了吸收失控車輛可能剩余的動(dòng)能，需要在避險(xiǎn)車道末端設(shè)置吸能設(shè)施，包括廢舊輪胎、集料堆和防撞桶。而該處沒有采取避險(xiǎn)車道吸能和防護(hù)措施，這造成了很大的安全隱患，有可能出現(xiàn)失控車輛重回主線，沖出避險(xiǎn)車道的情況。結(jié)合山區(qū)道路的特點(diǎn)，應(yīng)在制動(dòng)坡床兩側(cè)設(shè)置防撞墻可采用鋼筋混凝土護(hù)欄，并且在制動(dòng)坡床的末端設(shè)置吸能設(shè)施，建議選取廢舊輪胎，按列堆疊鋪設(shè)整個(gè)制動(dòng)坡床寬度堆疊高度1.5 m。

良好的排水系統(tǒng)能夠較好地緩解制動(dòng)床集料的板結(jié)，保證駕駛員在駕駛失控車輛進(jìn)入避險(xiǎn)車道時(shí)，不會(huì)由于沒有設(shè)置排水系統(tǒng)，制動(dòng)集料的滾動(dòng)摩阻系數(shù)降低，而最終導(dǎo)致避險(xiǎn)失敗。司振軍等人提出可以通過路基路面排水、路基邊溝排水和線外排水等方法逐步完成避險(xiǎn)車道排水，進(jìn)而形成完善的排水系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場勘測，該處避險(xiǎn)車道并未設(shè)置排水設(shè)施，加上福建是個(gè)降水量較多的省份，沒有設(shè)置排水設(shè)置很容易造成鋪設(shè)材料摩阻系數(shù)減小降低制動(dòng)坡床的制動(dòng)效能，因此應(yīng)設(shè)置邊溝排水。

4 結(jié)語

該文針對對國道G237線K1342+734～K1346+568路段的一處避險(xiǎn)車道存在的問題進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)際的調(diào)研和文獻(xiàn)的閱讀，針對不同問題都提出了建議，希望能夠?qū)υ撎幈茈U(xiǎn)車道的改建提供幫助，提高失控車輛避險(xiǎn)的成功率。