冰雪天氣嘉紹特大橋安全行車(chē)控速標(biāo)準(zhǔn)

盧世昌 趙一飛

（1.嘉紹大橋管理局，浙江 紹興 312356 2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710061）

一、工程概況

嘉紹大橋是嘉紹通道跨越錢(qián)塘江入海口的關(guān)鍵性工程，全長(zhǎng)10.137km，橋面寬為40.5m，雙向八車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速100km，設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載等級(jí)為公路I級(jí)，地震基本烈度為VI度，10min時(shí)距最大風(fēng)速為39.3m/s，主橋長(zhǎng)2680m，分為5個(gè)主通航道，最寬達(dá)55.6m（包括布索區(qū)），是當(dāng)今世界上最長(zhǎng)、最寬的多塔斜拉橋。

杭州灣區(qū)域氣象條件復(fù)雜，每年都受臺(tái)風(fēng)影響，沿海地區(qū)獨(dú)特的小氣候帶來(lái)的高溫、團(tuán)霧、濃霧、大（臺(tái)）風(fēng)、雷暴雨、雪天、冰凍等災(zāi)害性天氣直接危及車(chē)輛的安全運(yùn)行。嘉紹大橋運(yùn)營(yíng)管理方雖然參照國(guó)內(nèi)類(lèi)似跨海大橋制訂了冰雪天氣應(yīng)急預(yù)案，但沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)理論研究驗(yàn)算，預(yù)案中冰雪天氣狀況下安全行車(chē)速度標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定缺少理論依據(jù)，而過(guò)于嚴(yán)格或過(guò)于寬松的控速要求均利于大橋行車(chē)安全，為此，十分有必要開(kāi)展相關(guān)研究。

二、冰雪天氣對(duì)行車(chē)安全的影響

（一）冰雪天氣情況調(diào)查

根據(jù)開(kāi)通五年來(lái)天氣情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，嘉紹大橋一般平均每年共有6天左右出現(xiàn)降雪天氣，集中在冬季，其中1月份最多，為3天，2、3、12月份各有1天。且平均年共約有13天出現(xiàn)冰凍天氣，集中在冬季，其中1月份有6天，2月份有4天，12月份有3天。

（二）冰雪天氣對(duì)交通安全的影響

除道路設(shè)計(jì)因素，降雪與冰凍對(duì)嘉紹大橋行車(chē)交通安全的影響主要從三個(gè)方面考慮。

1.路面狀況因素

根據(jù)路面上留存的降水物的特點(diǎn)，冰雪天氣路面狀況可分為積雪、冰水混合狀況、積冰、積水、潮濕五種路面狀態(tài)。道路路面狀況對(duì)駕車(chē)行駛有較大的影響，特別是積冰路面對(duì)行車(chē)安全影響最甚，積雪路面和冰水混合路面次之，潮濕路面相對(duì)影響較小，大橋排水設(shè)計(jì)優(yōu)良，可以不考慮積水影響。

冰雪對(duì)行車(chē)交通安全的影響主要有兩方面，一是冰雪使道路的摩擦系數(shù)極大降低，二是降雪會(huì)降低水平能見(jiàn)度，影響駕駛員的視線。

①冰雪對(duì)道路摩擦系數(shù)的影響

氣溫0℃以下降雪天氣過(guò)后，路面積雪易形成冰或冰雪混合物層，若不及時(shí)清除，將嚴(yán)重影響跨海大橋的交通安全。冰雪路面濕滑堅(jiān)硬，摩擦系數(shù)比干燥路面低很多，一般其附著系數(shù)僅為干燥路面的1/8～1/4。根據(jù)有關(guān)研究，冰雪路面的附著系數(shù)為0.15～0.3，與干燥狀態(tài)瀝青混凝土路面附著系數(shù)0.7～0.8的差別很大。

當(dāng)車(chē)輛行駛在冰雪路面上，隨著車(chē)速的增加，車(chē)輪與路面的附著力隨之減小，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，緊急制動(dòng)很容易引起側(cè)滑、甩尾甚至追尾、連環(huán)相撞等惡性事故，而且制動(dòng)距離要比在正常干燥路面大大延長(zhǎng)，是一般干燥路面的2倍～4倍；若在上坡路段起步，容易出現(xiàn)車(chē)輛打滑現(xiàn)象。

②降雪對(duì)能見(jiàn)度的影響

在降雪天氣行車(chē)時(shí)，飄舞的雪花會(huì)影響駕駛員的視線，可視距離降低；降雪過(guò)后，路面積雪對(duì)陽(yáng)光的反射可達(dá)到95%，強(qiáng)烈的反射陽(yáng)光到達(dá)駕駛員眼后，易使駕駛員產(chǎn)生眩光，并出現(xiàn)短暫的視物模糊不清的狀況。另外，道路表面的積雪會(huì)覆蓋路面原有的坑洼路段等障礙物或危險(xiǎn)點(diǎn)，當(dāng)?shù)缆窐?biāo)志標(biāo)線上覆蓋有積雪時(shí)，駕駛員很難在短時(shí)間內(nèi)視認(rèn)清楚并作出相應(yīng)的反應(yīng)。

上述的一系列因素使駕駛員很難準(zhǔn)確的判斷路況及道路標(biāo)志標(biāo)線，對(duì)行車(chē)交通安全極為不利，容易發(fā)生事故。

2.駕駛因素

一是“四超”，即超速、超員、超載、超車(chē)。在冰雪天氣下，機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)速過(guò)快往往是交通事故發(fā)生的起因。駕駛員超速容易造成車(chē)輛行駛緊急制動(dòng)距離呈指數(shù)增加，大大增加危險(xiǎn)性。超員與超載均易造成車(chē)輛制動(dòng)性能下降，穩(wěn)定性變差，遇緊急危險(xiǎn)情況時(shí)，制動(dòng)距離增長(zhǎng)。同時(shí)，轉(zhuǎn)向避讓則極易造成車(chē)輛側(cè)翻。另外，超車(chē)或隨意變換車(chē)道會(huì)造成后車(chē)來(lái)不及采取措施，也增加了交通事故發(fā)生的概率。

二是未保持安全車(chē)距。在冰雪天氣情況下，受飄雪影響能見(jiàn)度降低，可視距離縮短；雪后晴天，車(chē)道上的積雪或積冰在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生的眩光會(huì)造成駕駛員出現(xiàn)短暫的視物模糊不清等狀況。這一系列因素使得駕駛員難以正確判斷與前車(chē)的間距，大大提高了追尾碰撞的可能性。

3.車(chē)輛因素

車(chē)輛制動(dòng)因素。車(chē)輛在高速公路行駛，如果車(chē)輛突然制動(dòng)、變速或轉(zhuǎn)向，容易造成車(chē)輛失去控制，側(cè)滑甚至翻車(chē)引發(fā)交通事故。因而優(yōu)良的制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)性能是行車(chē)安全的基礎(chǔ)保障。

輪胎因素。在冰雪路面上行車(chē)，車(chē)輪與路面的附著力大大減小，車(chē)輪承受側(cè)向力的能力急劇下降，此時(shí)，只要很小的側(cè)向力就引起側(cè)滑等不安全因素。

三、安全車(chē)速模型及測(cè)算

（一）分析研究路徑的確定

冰雪天氣狀況下不同的路面狀況對(duì)行車(chē)安全影響主因不同，應(yīng)采用針對(duì)性的分析方法。長(zhǎng)安大學(xué)劉俊德等學(xué)者認(rèn)為，中小雪天氣下能見(jiàn)度良好，駕駛?cè)说目梢暰嚯x大于車(chē)輛停車(chē)距離，行車(chē)安全性下降主要是因?yàn)檐?chē)輛與路面之間附著力減小，產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，采用基于停車(chē)視距的限速模型來(lái)進(jìn)行分析意義不大，因此宜采用車(chē)輛滑水模型進(jìn)行限速分析研究；大（暴）雪時(shí)，在路面積雪前，視線能見(jiàn)度顯著減小，宜按照基于停車(chē)視距的限速模型分析；雪后積雪積冰情況下，此時(shí)視距良好，而路面摩擦系數(shù)顯著減小，故應(yīng)根據(jù)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)原理，采用CarSim軟件進(jìn)行車(chē)輛在冰雪路面上的行車(chē)仿真模擬，分析得出限速值。

（二）安全車(chē)速測(cè)算

1.中小雪天氣安全車(chē)速測(cè)算

在中小雪情況下，路面沒(méi)有積雪，與雨天情況類(lèi)似，采用車(chē)輛滑水模型進(jìn)行限速分析研究。根據(jù)國(guó)內(nèi)外滑水模型，對(duì)各個(gè)滑水臨界速度預(yù)測(cè)模型的分析，可認(rèn)為轎車(chē)的滑水臨界速度為80km/h。鑒于嘉紹大橋的排水設(shè)施較為完善，因此水膜一般不會(huì)太厚，通常將速度限制在80km/h左右即可防止各類(lèi)車(chē)輛發(fā)生滑水現(xiàn)象，保證行車(chē)的安全性。

2.雪天(未積雪)安全限速計(jì)算

雪天重要路段的安全車(chē)速。當(dāng)降雪達(dá)到大雪、暴雪時(shí)，能見(jiàn)度顯著減小，此時(shí)對(duì)車(chē)輛的安全車(chē)速計(jì)算要綜合考慮路面摩擦系數(shù)和能見(jiàn)度的影響。

考慮坡度影響的雪天環(huán)境下，安全車(chē)速模型為：

式中：i—路段縱坡（%），上坡數(shù)值為正，下坡數(shù)值為負(fù)。

S—停車(chē)視距，m；

f—車(chē)輪與路面間摩擦系數(shù)，積雪條件下按0.3取值，積冰條件下按0.15取值；

v—能見(jiàn)度為S，縱向摩擦系數(shù)為f時(shí)的安全車(chē)速。

嘉紹大橋最大縱坡為2.4%，故根據(jù)基于停車(chē)視距的限速模型，可得在最不利情況下即縱坡為2.4%時(shí)，不同能見(jiàn)度下的限速值如表1所示。

對(duì)于平曲線段，嘉紹大橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高， 最小平曲線半徑為5500m，對(duì)安全車(chē)速影響可不考慮。

3.積雪積冰路況下的安全車(chē)速測(cè)算

表1 雪天不同能見(jiàn)度下2.4%坡度路段的限速值

CarSim是專門(mén)針對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的仿真軟件，主要用來(lái)預(yù)測(cè)和仿真汽車(chē)整車(chē)的操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、平順性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

采用CarSim仿真軟件建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型、路面模型及車(chē)—路耦合模型，模擬車(chē)輛在積雪路面和積冰路面狀況下的行駛狀況，分析車(chē)輛不同的行駛情況。

路面模型選取二維平整路面，仿真通過(guò)按照不同路況路面試驗(yàn)需要，改變摩擦因數(shù)值，建立相應(yīng)的路面模型。由于積雪和積冰對(duì)路面的摩擦系數(shù)影響較大，設(shè)積雪情況下的道路摩擦因數(shù)為0.3，積冰情況下的道路摩擦因數(shù)為0.15即可。

建立模型后，分別模擬車(chē)輛在積雪和積冰的路面狀況條件下，在不同車(chē)速行駛條件下的制動(dòng)情況，以制動(dòng)過(guò)程中的制動(dòng)距離為安全評(píng)價(jià)參數(shù)，得出不同車(chē)速下的制動(dòng)距離， 如表2所示。

在積冰和積雪的情況下，不同行駛速度車(chē)輛的安全距離，如表3所示。

表1為考慮能見(jiàn)度的嘉紹大橋雪天情況下的限速值；通過(guò)分析比較表2和表3的結(jié)果，取限速較為安全保守的情況，得雪天嘉紹大橋的限速值如表4所示。

4.嘉紹大橋冰雪環(huán)境下限速建議值

當(dāng)橋面氣溫低于3℃時(shí)，橋面降雪可能產(chǎn)生積雪，根據(jù)表4得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)原雪天應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行調(diào)整，如表5所示。

表2 不同車(chē)速下積雪、積冰路面的制動(dòng)距離

表3 不同車(chē)速下積雪、積冰路面的安全距離

表4 雪天環(huán)境下嘉紹大橋的限速值

表5 嘉紹大橋雪天應(yīng)急預(yù)案的限速

表6 嘉紹大橋冰凍應(yīng)急預(yù)案的限速

嘉紹大橋冰凍應(yīng)急預(yù)案的限速措施考慮應(yīng)用到實(shí)際中可操作性強(qiáng)，結(jié)合氣溫與結(jié)冰的關(guān)系，根據(jù)表2和表3得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，如表6所示。