公路長下坡路段避險車道的設置與設計

■謝賢東

（福建省龍巖市公路局武平分局　龍巖　364000）

公路長下坡路段避險車道的設置與設計

■謝賢東

（福建省龍巖市公路局武平分局龍巖364000）

避險車道作為山區(qū)公路長下坡路段安全保障措施，國內(nèi)缺乏相應的規(guī)范和標準，本文在對福建山區(qū)公路在長下坡路段設置避險車道的工作進行總結的基礎上，提出其設計方法，供同行商榷。

山區(qū)公路避險車道設置與設計

0　引言

避險車道是設置在路側的、通過把制動失控車輛分離出主車道，并利用重力減速度和滾動阻力的方法來消散其能量，進而控制制動失控車輛的特殊設施?！豆饭こ碳夹g標準》（JTG B01-2003）規(guī)定“公路長坡下坡路段，危及行車安全處應設置避險車道”，由于缺乏相應的規(guī)范或標準，目前在避險車道設置與設計方面存在不同程度的問題，主要體現(xiàn)在：

（1）避險車道設置的位置不合理，選址缺乏依據(jù)；

（2）避險車道制動床長度和寬度不足，無法保障避險車道的工作效果；

（3）強制減速段集料減速段集料設計憑經(jīng)驗，車輛駛入避險車道后沉陷效果不佳、車輛運動形態(tài)不穩(wěn)定，救治效果不好；

（4）避險車道坡度過陡，與主線交角過大。

針對上述問題，本文在對福建山區(qū)公路在長下坡路段設置避險車道的工作進行總結的基礎上，提出了避險車道的設置原則、位置選擇、避險車道與主車道的連接、設計參數(shù)、路面結構形式及橫斷面、交通安全設施的設計方法。

1　設置原則

長下坡路段制動失控車輛以載重貨車居多，是否需要設置避險車道應以制動失控車輛事故情況 （對于新建道路可參考相似道路的事故情況）、車輛在下坡路段的運行情況，并結合工程判斷為依據(jù)。

1.1已開通運營的道路

已運營的道路，車輛制動失控事故情況應是考慮設置避險車道的主要因素。同時，還應兼顧的因素有：下坡路段坡長和坡度、下坡方向日交通量以及貨車所占比例、坡底的情況、下坡路段的平面線形、貨車失控事故的嚴重性、可利用的地形等。

1.2新建道路

新建道路在長下坡不可避免、且由制動失控車輛引起事故傷害的可能性比正常情況下大得多的地方，在道路設計階段就應考慮設置避險車道，并作為道路建設方案的一項重要內(nèi)容。如果下坡路段的坡度超過5%，并且坡度iL（%）的平方與下坡距離L（km）的乘積超過60，應考慮設置避險車道（如圖1），即：i2LL≥60（iL≥5%）（1）

2　位置選擇

避險車道的設置位置對于其能否發(fā)揮作用至關重要。不管是新建道路還是已運營道路，在確定避險車道的設置位置時都應進行工程判斷。相關的因素包括以前失控事故發(fā)生的位置、下坡的長度、坡底的情況、重型車輛占下坡車流的百分比、水平線形、地形、避險車道坡對環(huán)境的影響等。工程實踐證明避險車道宜設置在：?

（1）貨車制動器臨近失效的位置。世界道路協(xié)會的《道路安全手冊》認為，當貨車制動器的溫度達到260℃時，制動效能將開始發(fā)生大規(guī)模的衰退，遇到緊急情況時不能有效地實施制動，此時極易造成制動失控事故的發(fā)生。貨車制動器制動效能開始發(fā)生大規(guī)模衰退的地點應為避險車道設置的理論位置。

已營運道路車輛制動器的溫度通過對有代表性的貨車在現(xiàn)場測定，確定連續(xù)長下坡路段車輛制動器溫度變化規(guī)律。新建道路車輛制動器的溫度則可根據(jù)技術等級、坡長、坡度，參照類似的已營運道路上貨車制動器的溫度變化規(guī)律，以貨車制動器的溫度達到260℃時的位置為避險車道的設置的位置。

（2）連續(xù)長下坡路段與小半徑彎道的切線位置。連續(xù)長下坡路段與左轉小半徑曲線相接往往是事故多發(fā)點。長時間下坡制動的車輛往往不能安全通過小半徑曲線，因此宜沿左轉小半徑曲線前方沿切線方向設置避險車道。

（3）連續(xù)長下坡路段的下半部分。從駕駛員行車心理角度出發(fā)，駕駛員更易接受在連續(xù)長下坡路段下坡部分使用避險車道。但如果下坡路段很長，可不受此限制。

（4）應盡可能設置在道路下坡方向的右側，并避免設置夜間車輛可能誤闖的地點。同時，必須保證避險車道入口清晰可見，便于制動失控車輛駛入避險車道。

3　與主車道的連接

為滿足避險的車道能安全駛入避險車道并停住，避險車道的平面線形宜設計為直線，避險車道與主車道的銜接宜采用直接式，如圖2所示。

3.1連續(xù)長下坡與左轉小半徑曲線相接路段

連續(xù)長下坡與左轉小半徑曲線相接路段，避險車道可以從主車道彎道的切線方向直接分離出來，這種方式能最大程度的使制動失控車輛較平穩(wěn)的從主線車道駛入避險車道。

3.2與主車道的夾角

在連續(xù)下坡或陡坡直線路段，制動失控車輛由主車道轉入避險車道時需要轉動方向盤，轉向半徑R與前后軸間距l(xiāng)、前輪平均轉向角 的關系為：

制動失控車輛往往速度相當高，車輛駛入避險車道時存在很大的側向力，形成很大的車輪側偏角，導致車輛的橫向穩(wěn)定性變差，這時車輛的轉向半徑R與前后軸間距l(xiāng)、前輪平均轉向角ω的關系為：

其中δ1和δ2分別為前后輪的側偏角，近似地用弧度代替正切，則：

車輛轉彎時的受力如圖3所示，圖中G為重力，F(xiàn)為離心力，F(xiàn)1、F2為輪胎與路面的橫向摩擦力，N1、N2和為輪胎受到的路面法向反力。由于離心力 的存在，可能出現(xiàn)側翻和側滑兩種失穩(wěn)情況。當不考慮路面橫坡的因素時，車輛發(fā)生側翻和側滑時的臨界車速，分別滿足式5和式6：

式中：Vh——車輛發(fā)生側翻時臨界車速（m/s）；Vφ——車輛發(fā)生側滑時臨界車速（m/s）；b——車身寬度（m）；

h——車身重心距地面的高度（m）。

由于轉向角與避險車道和主車道的夾角成正比關系，由式4、式5和式6可知，車速一定時，當轉向角越大，轉向半徑越小，離心力就越大，車輛越容易發(fā)生側滑或翻車事故；且車速越高，轉向角應越小。因此，避險車道和主車道的夾角應盡可能在較小的范圍內(nèi)，建議 取值3～5°，最大值不超過15°。

3.3 漸變段及分流鼻的設置

由于制動失控的車輛速度很快，駕駛員已極難操控，為了讓制動失控車輛能較為順利地進入避險車道，在避險車道漸變段及分流鼻的設計上，與匝道設計的參數(shù)取值有所不同，要充分考慮制動失控車輛在高速行駛軌跡的擺動，分流鼻的偏置值c和過渡段長度z應適當加大。

參考現(xiàn)行 《公路路線設計規(guī)范》（JTG D20-2006）表11.3.7-3中的數(shù)據(jù)，對避險車道漸變段長度和C、Z、r取值建議見表1。

表1　　避險車道漸變率和c、z、r取值表

4　避險車道設計參數(shù)

避險車道主要包含引道、一般減速段、強制減速段三大部分。引道的作用是承受車輛荷載，引導制動失控車輛安全平穩(wěn)地進入減速路段；一般減速段由較大的縱坡和滾動阻力系數(shù)對高速制動失控車輛進行初步減速。強制減速段依靠松散材料較大的阻尼系數(shù)，對經(jīng)過初步減速的車輛進行強制減速，使制動失控車輛能安全地停下來。

避險車道的縱斷面及平面如圖4。其設計的主要參數(shù)包括行車速度及平縱線形指標。

4.1汽車行駛速度

制動失控車輛的行駛速度是計算避險車道各部分長度的重要依據(jù)。車輛進入引道時的行駛速度可以通過對有代表性的車輛在現(xiàn)場測定，在避險車道上行駛速度則需通過計算確定。下面通過制動失控車輛在上坡路段的運動分析，推導在制動失控狀態(tài)下車輛的行駛速度。

制動失控車輛在上坡路段的受力如圖5所示，其中G為車輛總重力，θ1為坡道傾角，N為路面對車輛的反作用力，F(xiàn)i為坡度阻力，F(xiàn)d為滾動阻力，F(xiàn)a為空氣阻力。

車輛減速上坡行駛符合式7：

由于θ比較小，根據(jù)三角函數(shù)的定義，tanθ≈θ≈i、cosθ≈1，簡化后為：

式中：Fi——坡度阻力（N）；

Fd——滾動阻力（N）；Fa——空氣阻力（N）；m——汽車質(zhì)量（kg）；

a——汽車加速度（m/s2）；g——重力加速度（m/s2）；

fd——滾動阻力系數(shù)，見表2；fa——空氣阻力系數(shù)，見表3；

θ——避險車道坡度角（弧度），上坡為“+”，下坡為“-”；

i——避險車道縱坡，上坡為“+”，下坡為“-”；

A——汽車迎風面積（m2），見表3；

v——汽車與空氣的相對速度（km/h）。

表2　輪胎與各種材料之間的滾動阻力系數(shù)

表3　汽車的迎風面積與空氣阻力系數(shù)

忽略豎曲線影響，根據(jù)牛頓第二定律，制動失控車輛在本坡段與下一坡段的行駛速度關系式為：

cosθ≈1，忽略空氣阻力的影響，將式8代入式9，整理后得汽車進入下一坡段入口的速度：

V2n=V2m-254Lm（i+fd）（10）

式中：Vm——汽車進入本坡段入口的速度（km/h）；

Vn——汽車進入下一坡段入口的速度（km/h）；Lm——本坡段的長度（m）。

4.2引道長度

《公路安全保障實施技術指南》指出引道是連接著主車道和避險車道，為主車道和減速段之間提供了一定的偏移量，避免制動床沙礫飛濺回主線影響主線交通，并為駕駛員提供了充足的反應時間和空間，操縱車輛安全地駛入避險車道。引道的設置應保證制動失控車輛的駕駛員在引道的起點就能清晰的看到避險車道的全部線形，增加駕駛員使用避險車道的安全感。

引道的長度由以下幾方面因素確定：引道與主車道的夾角、引道的漸變段長度、引道與減速段間的豎曲線長度，并與分流鼻的設置及地形有關。根據(jù)美國多年的研究，避險車道引道L0的長度不應小于310m。

制動失控車輛進入一般減速段入口時的行駛速度可根據(jù)下式計算：

V20=V2-254L0（i0+fd）（11）

式中：V——制動失控車輛進入引道的速度（km/h）；

V0——制動失控車輛進入一般減速段時的速度

（km/h）；i0——引道縱坡；L0——引道的長度（m）。

4.3一般減速段長度

一般減速段設計成上坡，其功能是使制動失控車輛沿一定的上坡行駛一段距離，車速有一定的降低后，再進入強制減速段，減速停車，從而避免制動失控車輛高速進入強制減速段后，受減速路面的阻尼作用突然減速，造成駕乘人員的傷亡和車輛的損失。

根據(jù)實地調(diào)查，一般情況下載重貨車以60～80km/h的速度駛入松散狀強制減速段路面時，車輛無大的損失。根據(jù)式10，一般減速段長度為：

式中：L1——一般減速段長度（m）；

i1——一般減速段縱坡；

V1——制動失控車輛進入強制減速段時的速度（km/h），一般取60～80 km/h。

4.4強制減速段長度

強制減速段一般設計成平坡或一定的上坡，主要以路面材料的摩阻力、坡度消除制動失控車輛的動能，其最小長度為失控貨車停車所需的最小距離，可通過下式確定：

式中：L2——強制減速段最小長度（m）；

V1——制動失控車輛駛入強制減速段時的入口速度（km/h）；

i2——強制減速段的坡度。

如果強制減速段因受實際地形限制，不能提供足夠的長度以使制動失控車輛完全停車，則應在強制減速段末端設置減速消能設施 （參照本文7.3強制減速段末端安全設施），此時應保證制動失控車輛在與這些減速消能設施碰撞時速度不超過40km/h。

4.5縱坡

避險車道的縱面線形應為直線，保證避險車道任一部分均在失控駕駛員視線之間。避險車道的縱坡設計首先要參照現(xiàn)行《公路路線設計規(guī)范》，再考慮避險車道的特殊性。

引道的縱坡一般與主車道的縱坡相同，以使制動失控車輛平穩(wěn)避入避險車道。

為讓制動失控車輛盡快減速，減速段縱坡一般應設計成上坡，縱坡設計可參照 《公路路線設計規(guī)范》11.3.4條匝道的縱面線形設計的有關規(guī)定。由于減速段的功能是增加制動失控車輛所受的爬坡阻力，使制動失效的車輛盡快停下來，它與匝道的功能截然相反，所以縱坡度選用時可大于規(guī)范的規(guī)定。但過大的坡度，會使駕駛員心存恐懼，不敢駛入避險車道，同時增加了車輛自重作用而下滑的可能性。

一般減速段縱坡應設計得較陡，使高速駛入的車輛在較大上坡的作用下，盡快降低車速，達到進入強制減速段的安全車速，一般坡度取值為5%～12%之間。

強制減速段主要是利用松散集料路面的摩阻力吸收車輛的動能，在較短的距離內(nèi)使車速很快減下來，直到安全停車，其縱坡一般設計成平坡或小于8%的上坡。

4.6豎曲線

考慮到在避險車道上的車輛，對舒適性不作太高的要求，在豎曲線半徑和豎曲線長度的選取時，可采用《公路路線設計規(guī)范》表11.3.4-2中相應速度的極限值和最低值。表4列出避險車道豎曲線最小半徑及長度建議值。

表4　避險車道豎曲線最小半徑及長度表

5　路面結構形式

5.1引道路面結構

引道的作用是引導制動失控車輛進入減速段，其路面結構一般與主車道相同。

5.2一般減速段路面結構

一般減速段是利用縱坡和滾動摩擦系數(shù)對高速制動失控車輛進行初步減速，一般要選擇既能保證車輛平穩(wěn)行駛又能提供較大滾動阻力系數(shù)的路面結構，建議采用水泥穩(wěn)定土路面或泥結碎石路面，也可采用與引道相同的路面結構。

5.3強制減速段路面結構

（1）路面材料。強制減速段路面為了提供較大的阻尼，一般由松散材料構成，要求路面材料干凈、不易被壓實、有較高滾動阻力。當使用集料時，應是圓形的、不易被壓碎、單一尺寸的、并能夠自由滾動的材料。這樣的材料可以使得集料之間的空隙最大化，而且便于排水并可使互鎖和壓實的機會最小。同時，具有較低剪切力的材料可以有助于輪胎的陷入。強制減速段路面首選豆礫石，其次可選中粗砂和砂礫。

經(jīng)試驗，符合表5級配要求的豆礫具有較好的阻尼效果。

表5　級配要求

（2）路面厚度。為使制動失控車輛猛然受阻且不受到過大的損傷，并得到一定的安全有效的保護，強制減速段路面集料應具有足夠的厚度，一般為0.5～1.0m，避險車道入口處鋪筑厚度為0.1m，為使車輛能較為平滑地減速停車，可采用30～60m長的距離從制動床入口處漸變過渡到正常坡床厚度。

6　橫斷面

6.1強制減速段

《公路路線設計規(guī)范》第6.2.6條對強制減速段制動床寬度規(guī)定為不應小于4.5m，但未提出橫斷面組成。參照《公路安全保障實施技術指南》，強制減速段橫斷面主要由避險車道制動床，服務車道，安全帶和路側防撞設施四部分組成，如圖6。

（1）制動床。制動床是消除制動失控車輛動能的重要組成部分，按規(guī)范規(guī)定，其寬度不小于4.5m，在貨車交通量不大的路段，制動床寬度可取5m；如果貨車交通量較大，應滿足兩輛的制動失控車輛進入避險車道，通常取8m。

（2）服務道路。是指用于救援車輛和養(yǎng)護避險車道的行駛通道。當制動失控車輛停車后，救援車輛能行駛到制動失控車輛的旁邊或前方，順利實施救援。服務道路采用單車道，寬度一般為3.5m。服務道路一般為水泥砼或瀝青路面，但應注意避免制動失控車輛的駕駛員將服務道路誤認為是制動坡床，作為避險車道使用。

（3）安全帶。是指避險車道路面兩側邊緣距防撞設施的距離。由于制動失控車輛在避險車道行駛時，方向可能出現(xiàn)一定的偏移，安全帶的作用是提供一定的安全寬度，防止車輛撞壞防護設施，沖出避險車道。安全帶寬度一般取0.75m。

（4）路側防撞設施。是指設在避險車道兩側，防止制動失控車輛沖出避險車道路基的安全設施，同時起導向作用。根據(jù)現(xiàn)行《公路交通安全設施設計規(guī)范》（JTG D81-2006）的有關規(guī)定，避險車道兩側的防撞設施的防撞等級不應低于SB級，防撞設施可采用波形梁護欄或混凝土護欄。

6.2引道及一般減速段

在工程實踐中，引道及一般減速段的路面寬度一般采用與制動床相同的寬度。

7　交通安全設施

避險車道交通安全設施也是保證避險車道有效發(fā)揮作用的重要因素。避險車道的交通安全設施主要包括避險車道標志、入口處的標線和其它交通安全設施（如圖7）。

7.1標志

應在長下坡路段坡頂和下坡途中休息區(qū)提供避險車道的預告信息，包括避險車道的數(shù)量、大致位置等信息（如圖8）。同時應在坡頂向駕駛員提供連續(xù)長下坡路段的坡度、坡長、平面線形等信息。

在避險車道之前應設置至少兩塊避險車道預告標志（前1km、前500m），在避險車道入口處應設置“避險車道”標志，引導剎車失靈車輛駛入避險車道（如圖9）。

在避險車道入口前應設置“禁止停車”標志，并設置“剎車失靈車輛專用”標志（如圖10）。

為了能夠使駛入避險車道的剎車失靈車輛及時得到救助，應在避險車道適當位置設置救援信息。

在長下坡的坡頂設置標有下坡、下坡里程、坡度、急彎、限速等信息的標志，使駕駛員能夠及時了解下坡路段的信息。

7.2標線

在避險車道引導路面上刻畫 “剎車失靈車輛專用”，字體大小按行車速度確定，刻畫導向箭頭，引導制動車輛安全駛入避險車道。保證只有制動車輛才能使用避險車道。

7.3強制減速段末端安全設施

為使制動失控車輛不致于越出強制減速段，在強制減速段末端應設置減速消能安全設施。在工程實踐中該安全設施主要有三類，即集料堆、消能桶和廢舊輪胎。集料堆高度應在0.6～1.5m之間，坡度為1V：5H（如圖11）。為了避免避險車道制動床集料的污染，集料堆的材料應和強制減速段路面材料相同。如果在強制減速段末端設置消能桶（如圖12），消能桶里的材料也應和強制減速段路面材料相同，以免強制減速段路面材料受到污染。除了設置集料堆和消能桶以外，可在強制減速段路面末端橫向設置廢舊輪胎（如圖13），這在國內(nèi)已經(jīng)獲得了一定程度的應用。

強制減速段末端的減速消能設施是避險車道的最后安全措施，由于制動失控車輛沖出強制減速段的后果極其嚴重，不論強制減速段的長度是否滿足設計要求，都必須設置。

7.4其他安全設施

避險車道兩側應設置護欄，并應設置輪廓標來界定避險車道的方位和范圍，在晚間可告知駕駛員避險車道的方位。為了區(qū)別于普通的出口匝道，設置在避險車道兩側的輪廓標反光器顏色應為紅色。輪廓標的間距以15m為宜。

在坡頂設置車輛制動器檢查站和休息區(qū)，使駕駛員可以檢查車輛制動器、了解前方的下坡信息并有時間讓制動器冷卻。在下坡沿途設置加水停車區(qū)，便于車輛停車冷卻制動器。

8　小結

山區(qū)公路長下坡路段避險車道的設置與設計是一個系統(tǒng)工程，本文提出方法尚需進一步完善，在無現(xiàn)成規(guī)范和標準的狀況下，在避險車道設置與設計時可作為參考。