G5高速公路避險(xiǎn)車(chē)道安全性分析

周 華，張?jiān)姴ǎ钇斤w，黃海波

（1.西華大學(xué)交通與汽車(chē)工程學(xué)院 汽車(chē)測(cè)控與安全四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610039；2.四川西華機(jī)動(dòng)車(chē)司法鑒定所,四川 成都 610039）

1 引言

眾所周知，避險(xiǎn)車(chē)道是高速公路長(zhǎng)大下坡路段重要的交通安全設(shè)施，特別是對(duì)制動(dòng)作用減弱或失效的貨車(chē)避免發(fā)生車(chē)毀人亡的惡性事故將起到至關(guān)重要的作用。盡管如此，國(guó)內(nèi)避險(xiǎn)車(chē)道在設(shè)計(jì)上并沒(méi)有形成一個(gè)規(guī)范性的指導(dǎo)文本，導(dǎo)致某些避險(xiǎn)車(chē)道在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中存在安全隱患，不能很好地起到避險(xiǎn)的作用。本文以發(fā)生在京昆高速公路（G5）雅西段避險(xiǎn)車(chē)道上一起交通事故為出發(fā)點(diǎn)，提出避險(xiǎn)車(chē)道常見(jiàn)的安全隱患，通過(guò)對(duì)避險(xiǎn)車(chē)道的安全性評(píng)價(jià)提出改進(jìn)措施方案，為避險(xiǎn)車(chē)道的安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

避險(xiǎn)車(chē)道主要的技術(shù)原理：一是用礫石等材料作為制動(dòng)床集料，以對(duì)避險(xiǎn)車(chē)輛的車(chē)輪產(chǎn)生較強(qiáng)陷落作用，對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生一定阻力；二是制作一定坡度的縱坡，利用車(chē)輛在其上行駛時(shí)的重力做功來(lái)消減車(chē)輛遇險(xiǎn)時(shí)的動(dòng)能。避險(xiǎn)車(chē)道的縱坡一般為正值，即為上坡，在受地形限制的個(gè)別路段可能采用平坡。縱坡的坡度可以有單一或多個(gè)坡面組成[1]。

2 實(shí)際案例

2.1 事故概況

2012年9月，一輛大型貨車(chē)在京昆高速某長(zhǎng)大下坡路段（連續(xù)下坡長(zhǎng)51km）下坡過(guò)程中因制動(dòng)器熱衰退導(dǎo)致制動(dòng)失效，以約110km/h的速度（根據(jù)監(jiān)控視頻計(jì)算）駛?cè)刖o急避險(xiǎn)車(chē)道制動(dòng)床，結(jié)果車(chē)輛與避險(xiǎn)車(chē)道末端山體發(fā)生碰撞而引發(fā)事故，導(dǎo)致車(chē)輛駕駛室嚴(yán)重?fù)p毀、車(chē)內(nèi)兩人全部死亡。圖1為監(jiān)控拍攝的貨車(chē)駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道并最終與山體發(fā)生碰撞的過(guò)程。

圖1 貨車(chē)駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道視頻畫(huà)面

2.2 事故避險(xiǎn)車(chē)道概況

該避險(xiǎn)車(chē)道由制動(dòng)床和服務(wù)車(chē)道組成（見(jiàn)圖2）。制動(dòng)床寬度5.6m，服務(wù)車(chē)道寬3.1m，制動(dòng)床長(zhǎng)度約97m。制動(dòng)床是一個(gè)由4段不同坡度組合而成的縱坡，由入口至末端的坡度及其長(zhǎng)度依次見(jiàn)表1。制動(dòng)床集料使用的是4～11cm不同尺寸的石塊，集料深度26～45cm（見(jiàn)圖3）。

表1 制動(dòng)床坡度及其長(zhǎng)度

圖2 避險(xiǎn)車(chē)道

圖3 制動(dòng)床集料石塊

2.3 避險(xiǎn)車(chē)道存在的隱患分析

（1）制動(dòng)床集料鋪設(shè)深度及集料規(guī)格不合理：避險(xiǎn)車(chē)道現(xiàn)有制動(dòng)床的集料鋪設(shè)深度在26～45cm，深度偏淺，并且在鋪設(shè)深度上沒(méi)有合理的過(guò)渡，這樣的深度不能保證避險(xiǎn)車(chē)輛的車(chē)輪在制動(dòng)床集料中充分下陷而產(chǎn)生阻力作用。

在事故中，避險(xiǎn)車(chē)輛的車(chē)輪在制動(dòng)床集料中下陷最深約10cm，下陷深度有限。最主要原因是因?yàn)樵?0cm深度以下的石塊（4～11cm不等尺寸）之間的棱角相互鎖死壓實(shí)，45cm深度以下（部分26cm以下）為壓實(shí)的土石混合物（見(jiàn)圖4～5），采用的集料規(guī)格不合理。

圖4 事故中車(chē)輛的下陷深度

圖5 制動(dòng)床集料層剖面

（2）制動(dòng)床坡度不合理：避險(xiǎn)車(chē)道的坡度組合中30m的2%坡度幾乎不能起到制動(dòng)效果。

（3）制動(dòng)床長(zhǎng)度偏短：會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛行駛到制動(dòng)床末端時(shí)仍有較大的速度。

（4）制動(dòng)床末端處理不當(dāng)：避險(xiǎn)車(chē)道的端部處理方式是一排廢舊輪胎和整砌后的山體，不能有效防護(hù)。

3 基于PC-CRASH的避險(xiǎn)車(chē)道安全性評(píng)價(jià)

3.1 車(chē)輪-松軟路面相互作用模型

PC-CRASH提供了車(chē)輪-松軟路面相互作用模型，可以模擬車(chē)輪陷入松軟路面時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。該模型把輪胎與沙土作用過(guò)程中垂直方向的變形和水平方向的變形分離開(kāi)來(lái)，分別用Bekker模型和Janosi-Hanamoto剪切應(yīng)變方程推導(dǎo)模型來(lái)表示。

利用Bekker方程建立路面垂直方向的沉陷與車(chē)輪垂直載荷的關(guān)系模型[2]：

Z0—車(chē)輪靜載荷FZ0下地面垂直沉陷量。

k，n—系數(shù)和指數(shù)，決定于地面的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，來(lái)自于試驗(yàn)。

A—輪胎觸地面積

假設(shè)：

式中：FZ2=2FZ雙倍輪載荷

Z2—FZ2載荷下，路面垂直變形量

根據(jù)Janosi-Hanamoto的剪切應(yīng)變方程推導(dǎo)出水平方向變形量s與摩擦系數(shù)μ（s）的關(guān)系模型[3]：

其中：

μmin，μmax—輪胎與地面之間摩擦系數(shù)的最大值和最小值

K—地面水平剪切變形模量

3.2 仿真與結(jié)果分析

根據(jù)上述事故案例的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1），利用PC-CRASH（version 9.0）建立三維避險(xiǎn)車(chē)道模型，應(yīng)用上述“車(chē)輪-松軟路面相互作用模型”模擬車(chē)輪與制動(dòng)床集料作用過(guò)程，模擬汽車(chē)駛?cè)胫苿?dòng)床的運(yùn)動(dòng)過(guò)程（見(jiàn)圖6）。

圖6 避險(xiǎn)車(chē)道三維模型

貨車(chē)以約110km/h的速度駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道制動(dòng)床。圖7、圖8分別為貨車(chē)駛?cè)胫苿?dòng)床過(guò)程中速度-時(shí)間、速度-行駛距離的關(guān)系曲線。貨車(chē)以110km/h駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道，行駛約97m、4s時(shí)間后速度減小到約80km/h，最終以約80km/h速度碰撞固定物，避險(xiǎn)車(chē)道的減速效果不明顯。這一過(guò)程與視頻的記錄過(guò)程基本一致，說(shuō)明制動(dòng)床“車(chē)輪-松軟路面相互作用模型”的參數(shù)設(shè)置與實(shí)際情況基本一致。

圖7 事故車(chē)輛速度-時(shí)間曲線

圖8 事故車(chē)輛速度-距離曲線

3.3 改進(jìn)

考慮到該路段限速100km/h及路段特征，如將避險(xiǎn)車(chē)道入口速度設(shè)計(jì)為120km/h，則可以通過(guò)合理選擇制動(dòng)床集料類(lèi)型及制動(dòng)床結(jié)構(gòu)，保證車(chē)輪在集料中的沉陷深度，起到減速效果。通過(guò)不斷計(jì)算得出，如將制動(dòng)床坡度設(shè)計(jì)為單一縱坡15%，貨車(chē)在初速度120km/h情況下進(jìn)入制動(dòng)床，則可以在行駛不到100m的距離即停止（見(jiàn)圖9），證明制動(dòng)床具有明顯制動(dòng)效果，能起到避險(xiǎn)作用。

圖9 事故車(chē)輛速度-距離曲線

4 結(jié)論

（1）利用PC-CRASH軟件的“車(chē)輪-松軟路面相互作用模型”可以模擬避險(xiǎn)車(chē)輛車(chē)輪在制動(dòng)床集料中的制動(dòng)效果。

（2）在避險(xiǎn)車(chē)道的設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)選擇在12.7～19.0mm之間的圓形礫石作為制動(dòng)床的集料，保證能使車(chē)輪具有足夠的下陷深度。

（3）制動(dòng)床的坡度設(shè)計(jì)應(yīng)為15%的單一縱坡，并盡量將制動(dòng)床長(zhǎng)度延長(zhǎng)到100m以上。

（4）在制動(dòng)床末端應(yīng)設(shè)置4排以上的廢舊輪胎或消能桶及防撞墻。

[1]侯貽棟.京化高速公路避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)置應(yīng)用研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)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.