山區(qū)避險車道設(shè)計研究

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 避險車道研究現(xiàn)狀

避險車道是能夠讓失控車輛駛離道路主線，使其在制動坡床上安全、平穩(wěn)停車的專用工程設(shè)施。由于我國缺少科學(xué)完整的避險車道設(shè)計指南手冊，因此各地避險車道在設(shè)計過程中并沒有達到安全合理的避險車道設(shè)計要求，導(dǎo)致失控車輛在使用避險車道避險時經(jīng)常出現(xiàn)避險失敗的現(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)有避險車道，避險車道破壞嚴重，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 避險車道存在問題

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

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

該避險車道的結(jié)構(gòu)主要存在以下3個方面的問題：1）制動坡床長度過短。可能導(dǎo)致失控車輛沒有完全將動能消耗，沖出制動坡床情況發(fā)生。2）避險車道坡度過大。過大的坡度會使駕駛員產(chǎn)生恐懼的心理，從而打消進入避險車道的念頭。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。

該避險車道缺少的附屬設(shè)施如下：1）護欄缺失。避險車道兩側(cè)未設(shè)置護欄可能導(dǎo)致失控車輛沖出避險車道，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能，保證避險成功，防止失控車輛沖出避險車道的情況發(fā)生。3）視線誘導(dǎo)設(shè)施缺失。未設(shè)置相關(guān)的提醒標志可能會造成駕駛員無法在短時間內(nèi)做出反應(yīng)，錯過避險車道，失去避險機會。

3 避險車道設(shè)計

3.1 線形設(shè)計

引道具有連接主線與制動坡床的作用，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車道；另一方面，引道為駕駛員提供足夠的準備時間，調(diào)整車輛的偏向，以確保失控車輛前軸兩輪同時駛?cè)胫苿哟?，避免因受力不均而引起的?cè)翻。文獻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)計車速下引道的最小長度，見表1。

表1 滿足3s行程的避險車道引道最小長度

對在該路段行駛車輛進行測速，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，就會導(dǎo)致失控車輛發(fā)生側(cè)滑，側(cè)翻等嚴重情況，所以應(yīng)對失控車輛進入避險車道的過程進行科學(xué)合理地分析，確定駛?cè)虢堑姆秶??！豆钒踩Ｕ蠈嵤┘夹g(shù)指南》提岀直線段避險車道的流岀角應(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入避險車道的過程如圖2所示。

圖2為直線路段避險車道路口處車輛行駛軌跡線的簡化圖，由于此時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?，如公式?）所示。

圖2 直線段失控車輛行駛軌跡示意圖

式中：-避險車道駛?cè)虢牵ā悖?避險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)向進入避險車道時，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入避險車道時的安全，駛?cè)虢菓?yīng)設(shè)置在5°左右。

3.2 選擇制動坡床面層集料

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

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)影響面層集料滾動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失效車輛停車時間。

美國賓夕法尼亞大學(xué)通過大量的試驗和研究發(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車道制動床入口處最小為50mm，在30m內(nèi)逐漸過渡至800mm～1000mm。原避險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 制動坡床坡度

制動坡床是避險車道重要的組成部分，關(guān)于避險車道制動坡床坡度的研究如圖3所示。為了使失控車輛達到減速制動的目的，制動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行分析，確定坡度的極限值。

圖3 制動坡床示意圖

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

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

為使失控車輛在制動坡床制動后不發(fā)生溜滑而引起二次事故，應(yīng)對極限狀態(tài)制動坡床的坡度進行研究。即制動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，一旦確定了制動車道的車床材料，車輛不發(fā)生倒溜的臨界縱坡也會確定。范志麗得出臨界坡度的計算表達式（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，避險車道上減速停止的車輛在發(fā)生倒溜事故前就會發(fā)生縱向傾覆，因此根據(jù)上述公式以及結(jié)合不同材料的滾動阻力系數(shù)，可以求得對應(yīng)的制動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)胫苿悠麓睬暗乃俣龋?制動坡床長度（m）；-制動坡床鋪設(shè)材料摩阻系數(shù)。

代入不同失控車輛駛?cè)胫苿悠麓睬暗乃俣群推露鹊臐L動摩阻系數(shù)可得縱坡坡度取10%，當失控車輛駛出車速為90km/h時，避險車道制動坡床的長度需要92m；如果改變坡度至15%，其余條件不變的情況下，避險車道制動坡床長度就需要80m，但坡度太大也會造成駕駛員的恐懼心理，所以建議選取10%為避險車道的坡度值，則制動坡長長度應(yīng)為100m。

3.4 避險車道寬度

避險車道包括路肩、制動坡床和服務(wù)車道。制動床的寬度至少需要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)一臺制動坡床，再在靠近主線的一側(cè)設(shè)置防撞欄或者混凝土護欄，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)置信息告示標志，并在距離避險車道2km、1km、500m處各設(shè)置預(yù)告標志，在避險車道引道路口設(shè)置“禁止停車”與“失控車輛專用”的交通標志，確保駕駛員有足夠的反應(yīng)時間進入避險車道進行自救也保證避險車道不會由于正常車輛臨時停車失去其作用。由于現(xiàn)場并無設(shè)置信息告示表示故應(yīng)在距離避險車道2km、1km、500m處各設(shè)置預(yù)告標志，在避險車道引道路口設(shè)置“禁止停車”與“失控車輛專用”的交通標志，確保駕駛員有足夠的反應(yīng)時間進入避險車道進行自救。

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

為了確保避險車道的護欄有足夠的防護強度，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，當車速小于60 km/h時，一般路段可選擇SB級防撞護欄；當車速為60 km/h～8 km/h時，一般路段可選擇SA級防撞護欄；當車速大于80 km/h時，一般路段可選擇SS級防撞護欄。對特別危險路段可有情況提高一個等級。

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

為了吸收失控車輛可能剩余的動能，需要在避險車道末端設(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車道吸能和防護措施，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，沖出避險車道的情況。結(jié)合山區(qū)道路的特點，應(yīng)在制動坡床兩側(cè)設(shè)置防撞墻可采用鋼筋混凝土護欄，并且在制動坡床的末端設(shè)置吸能設(shè)施，建議選取廢舊輪胎，按列堆疊鋪設(shè)整個制動坡床寬度堆疊高度1.5 m。

良好的排水系統(tǒng)能夠較好地緩解制動床集料的板結(jié)，保證駕駛員在駕駛失控車輛進入避險車道時，不會由于沒有設(shè)置排水系統(tǒng)，制動集料的滾動摩阻系數(shù)降低，而最終導(dǎo)致避險失敗。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車道排水，進而形成完善的排水系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場勘測，該處避險車道并未設(shè)置排水設(shè)施，加上福建是個降水量較多的省份，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)減小降低制動坡床的制動效能，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路段的一處避險車道存在的問題進行分析，結(jié)合實際的調(diào)研和文獻的閱讀，針對不同問題都提出了建議，希望能夠?qū)υ撎幈茈U車道的改建提供幫助，提高失控車輛避險的成功率。