復雜山區(qū)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(qū)，車輛駛入長大下坡路段后持續(xù)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(fā)生追尾、對撞及沖下懸崖車毀人亡的惡性交通事故[1]頻發(fā)。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(qū)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(qū)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(guī)范[3-6]要求：

（1）橋梁避險車道應滿足橋梁設計規(guī)范的受力要求，確保安全性和耐久性。

（2）在連續(xù)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(xù)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(guī)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(xù)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(qū)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(fā)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(yōu)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(xù)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(guī)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(guī)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(xù)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(yǎng)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(xù)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(guī)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(fā)現問題，特別伸縮縫、支座等位置應加強監(jiān)測，防止突發(fā)問題。

（2）為保證消能路床工作狀態(tài)，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(tài)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(fā)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(zhèn)，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(qū)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(qū)扎囊縣桑耶鎮(zhèn)，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(qū)，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(jié)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(guī)范》（JTG D60－2015）（以下簡稱《規(guī)范JTG D60》）的相關規(guī)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(guī)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(jié)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(guī)范JTG D60》要求。

4 結語

復雜山區(qū)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。