G5高速公路避险车道安全性分析

周 华，张诗波，李平飞，黄海波

（1.西华大学交通与汽车工程学院 汽车测控与安全四川省重点实验室,四川 成都 610039；2.四川西华机动车司法鉴定所,四川 成都 610039）

1 引言

众所周知，避险车道是高速公路长大下坡路段重要的交通安全设施，特别是对制动作用减弱或失效的货车避免发生车毁人亡的恶性事故将起到至关重要的作用。尽管如此，国内避险车道在设计上并没有形成一个规范性的指导文本，导致某些避险车道在实际运营中存在安全隐患，不能很好地起到避险的作用。本文以发生在京昆高速公路（G5）雅西段避险车道上一起交通事故为出发点，提出避险车道常见的安全隐患，通过对避险车道的安全性评价提出改进措施方案，为避险车道的安全性评价提供依据。

避险车道主要的技术原理：一是用砾石等材料作为制动床集料，以对避险车辆的车轮产生较强陷落作用，对车辆产生一定阻力；二是制作一定坡度的纵坡，利用车辆在其上行驶时的重力做功来消减车辆遇险时的动能。避险车道的纵坡一般为正值，即为上坡，在受地形限制的个别路段可能采用平坡。纵坡的坡度可以有单一或多个坡面组成[1]。

2 实际案例

2.1 事故概况

2012年9月，一辆大型货车在京昆高速某长大下坡路段（连续下坡长51km）下坡过程中因制动器热衰退导致制动失效，以约110km/h的速度（根据监控视频计算）驶入紧急避险车道制动床，结果车辆与避险车道末端山体发生碰撞而引发事故，导致车辆驾驶室严重损毁、车内两人全部死亡。图1为监控拍摄的货车驶入避险车道并最终与山体发生碰撞的过程。

图1 货车驶入避险车道视频画面

2.2 事故避险车道概况

该避险车道由制动床和服务车道组成（见图2）。制动床宽度5.6m，服务车道宽3.1m，制动床长度约97m。制动床是一个由4段不同坡度组合而成的纵坡，由入口至末端的坡度及其长度依次见表1。制动床集料使用的是4～11cm不同尺寸的石块，集料深度26～45cm（见图3）。

表1 制动床坡度及其长度

图2 避险车道

图3 制动床集料石块

2.3 避险车道存在的隐患分析

（1）制动床集料铺设深度及集料规格不合理：避险车道现有制动床的集料铺设深度在26～45cm，深度偏浅，并且在铺设深度上没有合理的过渡，这样的深度不能保证避险车辆的车轮在制动床集料中充分下陷而产生阻力作用。

在事故中，避险车辆的车轮在制动床集料中下陷最深约10cm，下陷深度有限。最主要原因是因为在10cm深度以下的石块（4～11cm不等尺寸）之间的棱角相互锁死压实，45cm深度以下（部分26cm以下）为压实的土石混合物（见图4～5），采用的集料规格不合理。

图4 事故中车辆的下陷深度

图5 制动床集料层剖面

（2）制动床坡度不合理：避险车道的坡度组合中30m的2%坡度几乎不能起到制动效果。

（3）制动床长度偏短：会导致车辆行驶到制动床末端时仍有较大的速度。

（4）制动床末端处理不当：避险车道的端部处理方式是一排废旧轮胎和整砌后的山体，不能有效防护。

3 基于PC-CRASH的避险车道安全性评价

3.1 车轮-松软路面相互作用模型

PC-CRASH提供了车轮-松软路面相互作用模型，可以模拟车轮陷入松软路面时的运动情况。该模型把轮胎与沙土作用过程中垂直方向的变形和水平方向的变形分离开来，分别用Bekker模型和Janosi-Hanamoto剪切应变方程推导模型来表示。

利用Bekker方程建立路面垂直方向的沉陷与车轮垂直载荷的关系模型[2]：

Z0—车轮静载荷FZ0下地面垂直沉陷量。

k，n—系数和指数，决定于地面的类型、结构和力学特性，来自于试验。

A—轮胎触地面积

假设：

式中：FZ2=2FZ双倍轮载荷

Z2—FZ2载荷下，路面垂直变形量

根据Janosi-Hanamoto的剪切应变方程推导出水平方向变形量s与摩擦系数μ（s）的关系模型[3]：

其中：

μmin，μmax—轮胎与地面之间摩擦系数的最大值和最小值

K—地面水平剪切变形模量

3.2 仿真与结果分析

根据上述事故案例的现场采集数据（见表1），利用PC-CRASH（version 9.0）建立三维避险车道模型，应用上述“车轮-松软路面相互作用模型”模拟车轮与制动床集料作用过程，模拟汽车驶入制动床的运动过程（见图6）。

图6 避险车道三维模型

货车以约110km/h的速度驶入避险车道制动床。图7、图8分别为货车驶入制动床过程中速度-时间、速度-行驶距离的关系曲线。货车以110km/h驶入避险车道，行驶约97m、4s时间后速度减小到约80km/h，最终以约80km/h速度碰撞固定物，避险车道的减速效果不明显。这一过程与视频的记录过程基本一致，说明制动床“车轮-松软路面相互作用模型”的参数设置与实际情况基本一致。

图7 事故车辆速度-时间曲线

图8 事故车辆速度-距离曲线

3.3 改进

考虑到该路段限速100km/h及路段特征，如将避险车道入口速度设计为120km/h，则可以通过合理选择制动床集料类型及制动床结构，保证车轮在集料中的沉陷深度，起到减速效果。通过不断计算得出，如将制动床坡度设计为单一纵坡15%，货车在初速度120km/h情况下进入制动床，则可以在行驶不到100m的距离即停止（见图9），证明制动床具有明显制动效果，能起到避险作用。

图9 事故车辆速度-距离曲线

4 结论

（1）利用PC-CRASH软件的“车轮-松软路面相互作用模型”可以模拟避险车辆车轮在制动床集料中的制动效果。

（2）在避险车道的设计施工中，应选择在12.7～19.0mm之间的圆形砾石作为制动床的集料，保证能使车轮具有足够的下陷深度。

（3）制动床的坡度设计应为15%的单一纵坡，并尽量将制动床长度延长到100m以上。

（4）在制动床末端应设置4排以上的废旧轮胎或消能桶及防撞墙。

[1]侯贻栋.京化高速公路避险车道设置应用研究[J].公路交通科技（应用技术版），2012，（6）：390-392.

[2]Bekker M.G.，Introduction to Terrain-Vehicle-Systems[M].The University of Michgan Press，Ann Arbor 1969：77.

[3]Janosi Z.，Hanamoto B.The analytical determination of drawbar pulls as a function of slip for tracked vehicles in deformable soils[M].Mechanics of Soil-Vehicle Systems Edizioni，Minerva Tecnica 1962：3-8.