山区避险车道设计研究

2022-11-08张益豪郑建荣

中国新技术新产品 2022年15期

张益豪郑建荣

（福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州 350108）

1 避险车道研究现状

避险车道是能够让失控车辆驶离道路主线，使其在制动坡床上安全、平稳停车的专用工程设施。由于我国缺少科学完整的避险车道设计指南手册，因此各地避险车道在设计过程中并没有达到安全合理的避险车道设计要求，导致失控车辆在使用避险车道避险时经常出现避险失败的现象。

2 国道G237线K1342+734～K1346+568路段现状分析

2.1 工程概况

国道G237线K1342+734～K1346+568路段，道路总长3.834km，平均纵坡坡度为5.83%，设计速度为40km/h，双向两车道，水泥混凝土路面，路面平整度较好。根据道路竣工图文件和现场实地踏勘，该路段为连续长下坡路段，下坡路段总长度为5km，在K1346+568处设有避险车道，避险车道破坏严重，存在较大的安全隐患，且出入口缺少必要的警示牌。图1为该路段现场勘测的照片。

图1 国道G237线K1342+734～K1346+568路段道路现状条件示意图

2.2 避险车道存在问题

该文通过现场勘测与文献，总结了避险车道存在的3个问题。

避险车道与主线的夹角即驶入角设置过大，降低失控车辆进入避险车道的成功率。

该避险车道的结构主要存在以下3个方面的问题：1）制动坡床长度过短。可能导致失控车辆没有完全将动能消耗，冲出制动坡床情况发生。2）避险车道坡度过大。过大的坡度会使驾驶员产生恐惧的心理，从而打消进入避险车道的念头。3）引道缺失。没有设置引道则可能导致失控车辆左右轮胎受力不均而发生侧翻现象。

该避险车道缺少的附属设施如下：1）护栏缺失。避险车道两侧未设置护栏可能导致失控车辆冲出避险车道，冲上主线，撞上山体等情况发生。2）吸能设施缺失。在避险车道的末端设置吸能设置能够吸收失控车辆的残余动能，保证避险成功，防止失控车辆冲出避险车道的情况发生。3）视线诱导设施缺失。未设置相关的提醒标志可能会造成驾驶员无法在短时间内做出反应，错过避险车道，失去避险机会。

3 避险车道设计

3.1 线形设计

引道具有连接主线与制动坡床的作用，一方面要保证失控货车在较高速度下能安全、平顺地驶入避险车道；另一方面，引道为驾驶员提供足够的准备时间，调整车辆的偏向，以确保失控车辆前轴两轮同时驶入制动床，避免因受力不均而引起的侧翻。文献指出引道最小长度应满足从主线驶出的失控车辆行驶速度3s的要求。

由公式可得不同设计车速下引道的最小长度，见表1。

表1 满足3s行程的避险车道引道最小长度

对在该路段行驶车辆进行测速，最终选定90km/h为临界速度，得引道长度为75m。

在上述部分已经提到，如果驶入角设置过大，就会导致失控车辆发生侧滑，侧翻等严重情况，所以应对失控车辆进入避险车道的过程进行科学合理地分析，确定驶入角的范围。《公路安全保障实施技术指南》提岀直线段避险车道的流岀角应尽可能小，以小于 5°为宜。以主线为直线段的道路为例研究失控车辆进入避险车道的过程如图2所示。

图2为直线路段避险车道路口处车辆行驶轨迹线的简化图，由于此时失控车辆速度较高且转弯半径较大，因此弦长≈弧长，由三角形的几何关系容易得出==，并得出驶入角公式，如公式（2）所示。

图2 直线段失控车辆行驶轨迹示意图

式中：-避险车道驶入角（°）；-避险车道中心线反向延长线与最外侧道路中心线的夹角（°）；-圆心角（°）；-失控车辆从主线驶入避险车道的轨迹半径（m）；-车道宽度（m）。

失控车辆在由主线转向进入避险车道时，必须满足不发生侧滑侧翻的条件，根据公式可得不同车速下的最小转弯半径，见表2。

表2 不同车速对应的最小转弯半径

根据上述公式，代入测得的道路宽度3.5 m，可得到表3。

表3 不同车速对应的最大驶入角

根据表3可以看出，为了保障失控车辆在进入避险车道时的安全，驶入角应设置在5°左右。

3.2 选择制动坡床面层集料

制动坡床是避险车道最重要的一个组成部分，在其上铺设的集料为车辆动能的消耗提供主要助力。所以在选择制动坡床的铺设集料时应选择较大的摩擦系数，一方面可以减少制动坡床的长度，降低工程造价，另一方面能够提高自救的成功率。其铺设集料应具有较高的滚动摩阻系数，低剪切强度和不易密实板结的性能。通过实践证明，砾石是最佳的选择，与其他材料相比，其具有更好的制动效果。

相关研究发现影响面层集料滚动阻力大小的主要因素是尺寸和级配，良好的级配可以使集料颗粒间的剪切力最小，车轮更容易陷入从而影响制动失效车辆停车时间。

美国宾夕法尼亚大学通过大量的试验和研究发现：面层材料最佳粒径在12.7mm左右，推荐面层材料粒径分布范围为6.3 mm～38.1 mm，平均粒径为12.7mm～19.0mm。

为了使失控车辆平稳减速停车，制动床集料铺设深度应由浅入深逐渐过渡。胡艺馨提出粒料填埋的深度在避险车道制动床入口处最小为50mm，在30m内逐渐过渡至800mm～1000mm。原避险车道使用的集料是块石，且集料的集配范围较广，已出现板结现象，根据上述分析，建议将集料换成粒径为1.2cm～2cm的圆形砾石，入口集料深度为5cm，逐渐加厚，在30m处增加到1m。

3.3 制动坡床坡度

制动坡床是避险车道重要的组成部分，关于避险车道制动坡床坡度的研究如图3所示。为了使失控车辆达到减速制动的目的，制动坡床的坡度理论上应该越大越好，但是过大的坡度可能出现车辆发生侧翻和倒溜的情况，因此应结合车辆的受力情况进行分析，确定坡度的极限值。

图3 制动坡床示意图

在极限状态下失控车辆前轮所受地面的作用力为零，此时对失控车辆后轮进行受力分析，可得式（3）和式（4）。

式中：-失控车辆前轮作用力为零时的极限倾角；-失控车辆前轮作用力为零时制动坡床坡度（°）。

为使失控车辆在制动坡床制动后不发生溜滑而引起二次事故，应对极限状态制动坡床的坡度进行研究。即制动坡床提供的静摩擦力应足以抵消车辆重力沿坡床向下的分力，如公式（5）和公式（6）所示。

式中：-制动坡床铺设摩阻系数；≤{，}。

由公式（5）和公式（6）可知，一旦确定了制动车道的车床材料，车辆不发生倒溜的临界纵坡也会确定。范志丽得出临界坡度的计算表达式（忽略车轮陷入砂石材料的侧向摩阻力），如公式（7）所示。

通常情况下，避险车道上减速停止的车辆在发生倒溜事故前就会发生纵向倾覆，因此根据上述公式以及结合不同材料的滚动阻力系数，可以求得对应的制动车道最大纵坡坡度值，见表4。

表4 不同材料对应的最大坡度值

避险车道的设置原理符合能量守恒定律，即可以理解为车辆将其动能转化成车辆的重力势能和车辆轮胎和路面之间摩擦力做功之和，如公式（8）所示。

式中：-失控车辆驶入制动坡床前的速度；-制动坡床长度（m）；-制动坡床铺设材料摩阻系数。

代入不同失控车辆驶入制动坡床前的速度和坡度的滚动摩阻系数可得纵坡坡度取10%，当失控车辆驶出车速为90km/h时，避险车道制动坡床的长度需要92m；如果改变坡度至15%，其余条件不变的情况下，避险车道制动坡床长度就需要80m，但坡度太大也会造成驾驶员的恐惧心理，所以建议选取10%为避险车道的坡度值，则制动坡长长度应为100m。

3.4 避险车道宽度

避险车道包括路肩、制动坡床和服务车道。制动床的宽度至少需要4 m才能容纳一辆车，在正常情况下，土路肩宽度为0.75 m，服务车道宽度为3.5 m，考虑交通量的情况，可增设一台制动坡床，再在靠近主线的一侧设置防撞栏或者混凝土护栏，因此一般总宽为9 m或13 m。由现场调查数据可知，该路段交通量较小，所以设置宽度为9 m即可。

3.5 附属设施

交通标志的设置是为了告知驾驶员前方的路况信息，以便车辆驾驶员有更充足的时间去应对可能出现的各种道路情况。连续长陡下坡应在坡顶设置信息告示标志，并在距离避险车道2km、1km、500m处各设置预告标志，在避险车道引道路口设置“禁止停车”与“失控车辆专用”的交通标志，确保驾驶员有足够的反应时间进入避险车道进行自救也保证避险车道不会由于正常车辆临时停车失去其作用。由于现场并无设置信息告示表示故应在距离避险车道2km、1km、500m处各设置预告标志，在避险车道引道路口设置“禁止停车”与“失控车辆专用”的交通标志，确保驾驶员有足够的反应时间进入避险车道进行自救。

失控车辆驶入避险车道，由于车速较快，驾驶员精神紧张，操作不稳定，车辆可能从避险车道的路侧冲出避险车道，从而造成大的交通事故。因此，应在避险车道的两侧设置护栏。

为了确保避险车道的护栏有足够的防护强度，可根据不停车速下选择不同的防撞等级，防撞等级由SB、SA、SS有下往上逐级递增，当车速小于60 km/h时，一般路段可选择SB级防撞护栏；当车速为60 km/h～8 km/h时，一般路段可选择SA级防撞护栏；当车速大于80 km/h时，一般路段可选择SS级防撞护栏。对特别危险路段可有情况提高一个等级。

目前主要有钢筋混凝土护栏、波形梁护栏和梁柱式钢护栏三种防撞等级较高的护栏类型，在同样的防护等级条件下，钢筋混凝土护栏的造价更低、施工维护工作量小，普通国省干道避险车道护栏可采用钢筋混凝土护栏，护栏高度应为道床以上110cm。

为了吸收失控车辆可能剩余的动能，需要在避险车道末端设置吸能设施，包括废旧轮胎、集料堆和防撞桶。而该处没有采取避险车道吸能和防护措施，这造成了很大的安全隐患，有可能出现失控车辆重回主线，冲出避险车道的情况。结合山区道路的特点，应在制动坡床两侧设置防撞墙可采用钢筋混凝土护栏，并且在制动坡床的末端设置吸能设施，建议选取废旧轮胎，按列堆叠铺设整个制动坡床宽度堆叠高度1.5 m。

良好的排水系统能够较好地缓解制动床集料的板结，保证驾驶员在驾驶失控车辆进入避险车道时，不会由于没有设置排水系统，制动集料的滚动摩阻系数降低，而最终导致避险失败。司振军等人提出可以通过路基路面排水、路基边沟排水和线外排水等方法逐步完成避险车道排水，进而形成完善的排水系统。根据现场勘测，该处避险车道并未设置排水设施，加上福建是个降水量较多的省份，没有设置排水设置很容易造成铺设材料摩阻系数减小降低制动坡床的制动效能，因此应设置边沟排水。