冰雪天气嘉绍特大桥安全行车控速标准

卢世昌 赵一飞

（1.嘉绍大桥管理局，浙江 绍兴 312356 2.长安大学，陕西 西安 710061）

一、工程概况

嘉绍大桥是嘉绍通道跨越钱塘江入海口的关键性工程，全长10.137km，桥面宽为40.5m，双向八车道，设计时速100km，设计车辆荷载等级为公路I级，地震基本烈度为VI度，10min时距最大风速为39.3m/s，主桥长2680m，分为5个主通航道，最宽达55.6m（包括布索区），是当今世界上最长、最宽的多塔斜拉桥。

杭州湾区域气象条件复杂，每年都受台风影响，沿海地区独特的小气候带来的高温、团雾、浓雾、大（台）风、雷暴雨、雪天、冰冻等灾害性天气直接危及车辆的安全运行。嘉绍大桥运营管理方虽然参照国内类似跨海大桥制订了冰雪天气应急预案，但没有经过系统理论研究验算，预案中冰雪天气状况下安全行车速度标准值的设定缺少理论依据，而过于严格或过于宽松的控速要求均利于大桥行车安全，为此，十分有必要开展相关研究。

二、冰雪天气对行车安全的影响

（一）冰雪天气情况调查

根据开通五年来天气情况的统计数据，嘉绍大桥一般平均每年共有6天左右出现降雪天气，集中在冬季，其中1月份最多，为3天，2、3、12月份各有1天。且平均年共约有13天出现冰冻天气，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）冰雪天气对交通安全的影响

除道路设计因素，降雪与冰冻对嘉绍大桥行车交通安全的影响主要从三个方面考虑。

1.路面状况因素

根据路面上留存的降水物的特点，冰雪天气路面状况可分为积雪、冰水混合状况、积冰、积水、潮湿五种路面状态。道路路面状况对驾车行驶有较大的影响，特别是积冰路面对行车安全影响最甚，积雪路面和冰水混合路面次之，潮湿路面相对影响较小，大桥排水设计优良，可以不考虑积水影响。

冰雪对行车交通安全的影响主要有两方面，一是冰雪使道路的摩擦系数极大降低，二是降雪会降低水平能见度，影响驾驶员的视线。

①冰雪对道路摩擦系数的影响

气温0℃以下降雪天气过后，路面积雪易形成冰或冰雪混合物层，若不及时清除，将严重影响跨海大桥的交通安全。冰雪路面湿滑坚硬，摩擦系数比干燥路面低很多，一般其附着系数仅为干燥路面的1/8～1/4。根据有关研究，冰雪路面的附着系数为0.15～0.3，与干燥状态沥青混凝土路面附着系数0.7～0.8的差别很大。

当车辆行驶在冰雪路面上，随着车速的增加，车轮与路面的附着力随之减小，当遇到紧急情况时，紧急制动很容易引起侧滑、甩尾甚至追尾、连环相撞等恶性事故，而且制动距离要比在正常干燥路面大大延长，是一般干燥路面的2倍～4倍；若在上坡路段起步，容易出现车辆打滑现象。

②降雪对能见度的影响

在降雪天气行车时，飘舞的雪花会影响驾驶员的视线，可视距离降低；降雪过后，路面积雪对阳光的反射可达到95%，强烈的反射阳光到达驾驶员眼后，易使驾驶员产生眩光，并出现短暂的视物模糊不清的状况。另外，道路表面的积雪会覆盖路面原有的坑洼路段等障碍物或危险点，当道路标志标线上覆盖有积雪时，驾驶员很难在短时间内视认清楚并作出相应的反应。

上述的一系列因素使驾驶员很难准确的判断路况及道路标志标线，对行车交通安全极为不利，容易发生事故。

2.驾驶因素

一是“四超”，即超速、超员、超载、超车。在冰雪天气下，机动车车速过快往往是交通事故发生的起因。驾驶员超速容易造成车辆行驶紧急制动距离呈指数增加，大大增加危险性。超员与超载均易造成车辆制动性能下降，稳定性变差，遇紧急危险情况时，制动距离增长。同时，转向避让则极易造成车辆侧翻。另外，超车或随意变换车道会造成后车来不及采取措施，也增加了交通事故发生的概率。

二是未保持安全车距。在冰雪天气情况下，受飘雪影响能见度降低，可视距离缩短；雪后晴天，车道上的积雪或积冰在阳光照射下产生的眩光会造成驾驶员出现短暂的视物模糊不清等状况。这一系列因素使得驾驶员难以正确判断与前车的间距，大大提高了追尾碰撞的可能性。

3.车辆因素

车辆制动因素。车辆在高速公路行驶，如果车辆突然制动、变速或转向，容易造成车辆失去控制，侧滑甚至翻车引发交通事故。因而优良的制动系统技术性能是行车安全的基础保障。

轮胎因素。在冰雪路面上行车，车轮与路面的附着力大大减小，车轮承受侧向力的能力急剧下降，此时，只要很小的侧向力就引起侧滑等不安全因素。

三、安全车速模型及测算

（一）分析研究路径的确定

冰雪天气状况下不同的路面状况对行车安全影响主因不同，应采用针对性的分析方法。长安大学刘俊德等学者认为，中小雪天气下能见度良好，驾驶人的可视距离大于车辆停车距离，行车安全性下降主要是因为车辆与路面之间附着力减小，产生打滑现象，采用基于停车视距的限速模型来进行分析意义不大，因此宜采用车辆滑水模型进行限速分析研究；大（暴）雪时，在路面积雪前，视线能见度显著减小，宜按照基于停车视距的限速模型分析；雪后积雪积冰情况下，此时视距良好，而路面摩擦系数显著减小，故应根据车辆动力学原理，采用CarSim软件进行车辆在冰雪路面上的行车仿真模拟，分析得出限速值。

（二）安全车速测算

1.中小雪天气安全车速测算

在中小雪情况下，路面没有积雪，与雨天情况类似，采用车辆滑水模型进行限速分析研究。根据国内外滑水模型，对各个滑水临界速度预测模型的分析，可认为轿车的滑水临界速度为80km/h。鉴于嘉绍大桥的排水设施较为完善，因此水膜一般不会太厚，通常将速度限制在80km/h左右即可防止各类车辆发生滑水现象，保证行车的安全性。

2.雪天(未积雪)安全限速计算

雪天重要路段的安全车速。当降雪达到大雪、暴雪时，能见度显著减小，此时对车辆的安全车速计算要综合考虑路面摩擦系数和能见度的影响。

考虑坡度影响的雪天环境下，安全车速模型为：

式中：i—路段纵坡（%），上坡数值为正，下坡数值为负。

S—停车视距，m；

f—车轮与路面间摩擦系数，积雪条件下按0.3取值，积冰条件下按0.15取值；

v—能见度为S，纵向摩擦系数为f时的安全车速。

嘉绍大桥最大纵坡为2.4%，故根据基于停车视距的限速模型，可得在最不利情况下即纵坡为2.4%时，不同能见度下的限速值如表1所示。

对于平曲线段，嘉绍大桥的设计标准较高， 最小平曲线半径为5500m，对安全车速影响可不考虑。

3.积雪积冰路况下的安全车速测算

表1 雪天不同能见度下2.4%坡度路段的限速值

CarSim是专门针对车辆动力学的仿真软件，主要用来预测和仿真汽车整车的操纵稳定性、制动性、平顺性、动力性和经济性。

采用CarSim仿真软件建立整车动力学模型、路面模型及车—路耦合模型，模拟车辆在积雪路面和积冰路面状况下的行驶状况，分析车辆不同的行驶情况。

路面模型选取二维平整路面，仿真通过按照不同路况路面试验需要，改变摩擦因数值，建立相应的路面模型。由于积雪和积冰对路面的摩擦系数影响较大，设积雪情况下的道路摩擦因数为0.3，积冰情况下的道路摩擦因数为0.15即可。

建立模型后，分别模拟车辆在积雪和积冰的路面状况条件下，在不同车速行驶条件下的制动情况，以制动过程中的制动距离为安全评价参数，得出不同车速下的制动距离， 如表2所示。

在积冰和积雪的情况下，不同行驶速度车辆的安全距离，如表3所示。

表1为考虑能见度的嘉绍大桥雪天情况下的限速值；通过分析比较表2和表3的结果，取限速较为安全保守的情况，得雪天嘉绍大桥的限速值如表4所示。

4.嘉绍大桥冰雪环境下限速建议值

当桥面气温低于3℃时，桥面降雪可能产生积雪，根据表4得出的数据进行对原雪天应急预案进行调整，如表5所示。

表2 不同车速下积雪、积冰路面的制动距离

表3 不同车速下积雪、积冰路面的安全距离

表4 雪天环境下嘉绍大桥的限速值

表5 嘉绍大桥雪天应急预案的限速

表6 嘉绍大桥冰冻应急预案的限速

嘉绍大桥冰冻应急预案的限速措施考虑应用到实际中可操作性强，结合气温与结冰的关系，根据表2和表3得出的数据进行调整，如表6所示。