避险车道设计.doc

高速公路避险车道设计
文章来源：科技质量办 更新时间：2009-12-24

1概述
    在山区高速公路长大下坡路段，经常出现载重货车因制动失效，发生严重安全事故的现象。对于长大纵坡带来的道路交通安全问题，国内外已进行了大量的专题研究。紧急避险车道作为道路的一个组成部分，在欧美广泛应用了多年。其应用实践证明对提高道路交通安全和减少交通事故经济损失具有重要的意义。避险车道的设置在我国尚处于起步阶段，相关设计目前尚缺少专门规范。在东西高速公路设计中，中、西标段共设置了27处紧急避险车道。本文结合国内外有关资料，拟对避险车道设置原则、类型、设计方法进行系统地总结。

2  山区高速公路长大下坡路段存在的安全问题与分析
2．1  规范要求
    东西高速公路几何设计采用欧洲(法国)标准，对于地形特别困难路段，ICTAALl985给出了最大纵坡及坡长指标，见表1。
表1  纵坡坡长指标表（单位：% / m）
设计标准
L80
L100
L120
上坡路段最大坡度/坡长
7/600
6/600
5/600
下坡路段最大坡度/坡长
没有特殊限制
6/600
    欧洲标准路线纵面设计和国内存在较大理念差别，前者在规范规定的最大纵坡之内，坡长一般不受限制。
    欧洲标准规定长大纵坡路段坡度设计应尽量采用平均坡度，认为较长的坡长对视距、行驶安全更为有利。如一个坡长为3000m，平均坡度为5.5％的路段，这个坡段最好采用5.5％一个坡度设置到底(这一结论与国内规范截然相反)。
欧洲规范要求在长大坡路段应坚决避免插入短的缓坡，研究结论认为，陡坡之间的缓坡会给司机造成陡坡结束的错觉，容易引起更大的安全问题。
2．2  长大纵坡风险的判定
2．2．1  研究方法
    法国高速公路和道路技术研究部门(SETRA)对长大纵坡进行了研究，通过两种方法来确定长大纵坡路段风险判定条件，这两种方法分别是：
    (1)对重型车辆在长大纵坡上的运行性能进行分析；
(2)对长大纵坡路段车辆发生的事故进行统计分析。
2．2．2  车辆的制动性能
    研究者认为：长时间的制动或频繁制动会使刹车片过热从而导致危险，特别是在高速行驶状态时，紧急制动需要更大的制动力，因此会产生更大的危险。研究结果显示汽车在30km／h恒定速度下，经过一个长6km，坡度为6％的下坡后，其制动性能将下降到40％以下，此时刹车片的温度升高到350oC左右。制动效率的恢复研究结果见表2所列。
表2  制动效率恢复表（单位：min）
制动效率恢复程度
制动力再生时间
牵引车
拖挂车
70%
3
8
80%
10
18
100%
30
60
根据测试表明，当刹车片温度超过250oC时，制动效率就会出现损失，可将200oC作为风险判定条件。当刹车片超过这一温度时，则认为汽车行驶会产生风险。当刹车片温度超过200oC时d·p>150，其中：
 d为长大纵坡总的坡长，单位：m；p为长大纵坡平均坡度，单位：％。
2．2．3  长大纵坡事故原因分析
    车辆发生事故与车辆的性能及道路几何特性相关联，在车辆性能一定的情况下，风险的发生则与道路几何特性直接相关，当车辆性能无法适应超标的坡度时，这些坡道上发生事故的风险明显有所增加。
 法国SETRA针对长大纵坡段事故发生率与其他高速公路平均事故率进行比较情况见表3。
表3  事故率对照表
序号
事故类型
事故比率
1
设备事故
研究段/所有路段=5.0
2
人身事故
研究段/所有路段=2.2
3
受伤
研究段/所有路段=2.0
4
死亡
研究段/所有路段=1.5
    通过对事故的原因分析，可以明确以下几点：
(1)23％的事故是重型车辆，或至少与重型车辆有关；
(2)出口处事故率比例非常高，达到了55％，其主要原因是出口处车辆数量增加过多；
(3)潮湿路面事故率为37％，而平均为20％；
(4)在下坡道平曲线半径<1000m路段上，事故率为30％(其中37％为人身伤亡事故)；
(5)车辆追尾事故为10％，这远高于平均值3％，其原因是在坡道上重型车辆和轻型车辆之间的速度差远大于普通路段；
(6)处于长下坡后半段的特殊位置，事故明显增加，这些特殊位置是：小半径弯道处；很长的弯道(指同一弯道)；出、人口处；隧道进、出口和高架桥两端；收费站、服务设施附近。
2．2．4  风险判定条件
    研究单位在22条高速公路上，各选定有代表性的路段进行了研究统计，这些代表路段一般都是长大纵坡路段。研究结果表明，把坡长及平均坡度作为变量，来研究车辆的行驶风险是非常适宜的。因为该两个变量与事故的严重性及发生频率相关性最大。研究结论认为：当d·p<130时，坡道上不会发生过度风险，因此将d·p值作为风险指数。
当d·p>130且P>3％时，坡道上的事故率开始随着d·p值的增加而增加，当户<3％时，无论d·p值是多少均不会产生风险。
2．3  避险车道设置原则
2．3．1  欧洲标准
    根据研究成果中的风险判定条件及对交通事故分析结果，在路线坡度大于3％时，当危险指标d·p(距离 坡度)超过130时，将会产生较大的安全隐患，应设置紧急避险车道。
 长大纵坡范围内，在特殊点(高架桥、互通立交，收费站、服务区、隧道、半径小于规范规定一般最小值)之前设置紧急避险车道，并且保证在特殊点和紧急避险车道之间有足够的视距。
2．3．2  国内研究成果
    根据有关研究成果，连续长陡下坡路段各种平均纵坡的路线长度，应小于表4中的一般值；在特别困难地区，经论证通过限制车辆下坡的速度，设置相应的安全防护措施，行车安全基本有保障时可考虑采用极限值。
 因此，对于路线指标大于表4中一般值时，增设避险车道。
表4  平均纵坡值与坡长建议值
平均纵坡（%）
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
一般值
15
9.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.5
极限值
—
12.0
4.5
4.0
3.5
3.0
3.0
2．4  避险车道设置的位置及间距
 避险车道一般设置在长陡下坡右侧的视距良好路段。
    根据研究成果，紧急避险车道最好设在长大下坡第二个1／3处的末端，即在下坡中部和尾部的中间部分。如果考虑车辆下坡前刹车系统容易发热且性能变差，对重车造成隐患，此时紧急避险车道可设在该段起始部分，其他路段的紧急避险车道可按照2km左右间距加以设置。
    避险车道人口应尽量布置在平面指标较高路段，并尽量以切线方式从主线切出，进入避险车道的驶入角不应过大，以避免引起侧翻。

3  避险车道的避险原理及类型

3．1  避险车道的避险原理
    紧急避险车道是专门设置在坡度较大、存在危险的下坡道中，失控的重型车辆驶入一铺满卵砾石或碎石垫层，以沉陷的方式使处于危险状态的大货车停止下来的设施，从而避免车祸的发生。这是提高山区公路交通安全的一种预防性措施。
3．2  避险车道的类型
     根据避险，避险车道宽度可分为两类：
(1)    半幅式紧急避险车道
    停车车道宽度仅能使右侧(或左侧)半个驱动轴进入，另半个驱动轴行驶在路肩上，被称为半幅式紧急避险车道。
    因为车辆刹车是不对称的，因此需要在停车道的外侧设置阻拦装置，以便阻止车辆冲出侧翻。该种避险车道对地形条件要求低，仅加宽部分路基，工程规模小。但容易造成车辆受损，一般不建议采用。
 (2)整体式紧急避险车道
    制动车道的宽度大于重型车辆宽度的，称整体式紧急避险车道。根据避险车道相对于行车道位置，又可分其为以下两种。
    分离式：避险车道轴线偏离原有道路行驶轨迹，失控车辆需从正面进入制动车道。国内现有避险车道基本采用这种型式。
    平行式：避险车道和行车道是平行的，车辆可以从正面或侧面进入紧急避险车道。侧面进入紧急停车道需在外侧设置阻拦装置，避免重型车冲出停车道，也可作为刹车墙使用。
    东西高速公路设计中，由于中、西标段外部监督设计理念存在差异，在中标段10处紧急避险车道设计均采用了分离式设计；而西标段更多的考虑了工程造价和便于施工，8处避险车道均采用了平行式设计。经论证后，业主专家顾问团对于上述两种型式均表示认可。

4 避险车道的设计方法

4．1  避险车道构成
    避险车道一般由引道、制动坡道、强制减弱装置、服务道路等组成，见图1。
图1  避险车道设置示意图
    在东西高速公路避险车道设计过程中，经和中、西标段外部监督以及业主顾问团专家多次探讨后，均认为服务车道的设置容易造成失控车辆的误入，而导致避险车道不能发挥其应有的作用。为使制动车道完全发挥作用，同时考虑减少工程规模，取消设置服务车道。同时，在引道上设置救险地锚，便于救援车辆救援见图2，图3。
图2  救险地锚

图3  吊车救援示意图

图4  分离式紧急避险车道平面示意图
4．2  避险车道平面设计
    避险车道是为失控车辆设计的，因此它的平面线形应是直线。平面布设上，应尽可能布设在曲线外侧，以曲线的切线方向切出。
    引道起着连接主线与避险车道的作用，可以给失控车辆驾驶员提供充分的反应时间和足够的空间沿引道车辆可安全地驶入避险车道，减少因车辆失控给驾驶员带来的恐惧心理，而不致失去正常的判断能力。受地形限制，寻求恰当位置设置避险车道在山区往往非常困难。无法保证避险车道设置在路线平面曲线切线方向时，引道设计应避免流出角过大，同时引道上应设置较大的曲线半径予以过渡。
    车辆进入避险车道之前，应保证准备使用避险车道的驾驶员，在引道的起点清晰地看到避险车道的全部线形，时隐时现的避险车道会给驾驶员不安全的感觉，往往会使驾驶员避开避险车道，而遗憾地错过一次救生的机会。因此，在避险车道前保障足够的视距是非常必要的，除根据规范要求设置必要的标志、标线外，至引道起点的行车视距至少应满足停车视距要求。
图五  平行式紧急避险车道平面示意图
4．3  避险车道纵坡及长度设计
    设置避险车道的目的是为了使失控车辆安全停止。但各种失控车辆的情况大不相同，有的是因为车速过快，有的刹车严重失灵，在国内更多的是严重超载导致失控。因此，经验、公式都无法准确确定避险车道的长度。为保证避而不险，将避险车道做长、做大又会受地形、工程规模等诸多条件的限制。
4．3．1  国内研究成果
    避险车道长度和失控车辆车速、纵坡、路床材料性质密切相关。《新理念公路设计指南》对避险车道长度计算，提出以下计算公式：L=
    式中：V1为车辆驶出速度，货车按l00km／h、110km／h计；V2为通过坡道减速后由强制装置消止的速度，km／h；R为滚动阻力，以当量坡度百分数表示；G为坡道纵坡，以代数值表示。
    避险车道长度与失控车辆的驶出速度、避险车道纵坡、坡道材料的对应关系，见表5所列。
表五  避险车道长度表（单位：m）
由主线驶出
车速(km/h)
避险车道
纵坡(%)
坡道
材料
长度
L
强制减弱
装置堆砌高度
100
10
碎砾石
239
1.5
砾石
179
1.5
砂
143
1.5
豆砾石
102
1.5
100
15
碎砾石
179
1.2
砾石
143
1.2
砂
119
1.2
豆砾石
90
1.2
110
15
碎砾石
220
1.5
砾石
176
1.5
砂
147
1.5
豆砾石
110
1.5
110
20
碎砾石
176
1.2
砾石
147
1.2
砂
126
1.2
豆砾石
98
1.2
4．3．2  法国研究成果
    根据有关研究成果，提出以下方法计算失控车辆在制动坡道中行驶的最大长度(XMAX，m)
Xmax=  
其中：V0=车辆进入速度，m／s。
    对于整体式避险车道，采用36t半牵引负载进行试验，得出重量对行车距离的影响，将规定值作为引起最大长度的最小减速度值，并依此确定避险车道长度。
为避险车道上车辆的减速度，单位：m／s’。
=
    其中：g=重力加速度(9．8m／s2)；p=纵坡(％)； 为车辆的平均减速度(m／s2)，平均减加速度取决于停车路道所使用的砾石类型和工程断面； 并非常数，ONSER试验表明它是随失控车辆驶入的速度及停车道材料变化的，取值见图6( 、V、坡道材料关系图)。
图6  、V、坡道材料关系图
    经计算，对于整体式避险车道，制动坡道的最大长度见表6
表6  紧急避险车道长度表（单位：m）
进口速度
60km/h
80km/h
100km/h
纵坡（0%）
40
65
90
纵坡（-6%）
50
75
100~120
4．3．3  设计采用情况
    经对上述两个研究成果分析后，发现其结果差异相当大。《指南》的计算方法中，对于失控车辆的滚动阻力作为定值考虑和实际情况差异较大。当失控车辆陷入制动坡道深度变化时，阻力也应发生变化。但考虑到国内车辆超载严重、驾驶人员素质等综合情况，对于避险车道长度按保守计算也是非常必要的。同时，由于地形的原因，避险车道往往不能达到要求的长度。为此可以在端部设置减振设施，如将集料堆在避险车道的端部或设置防撞砂桶等。
    在东西高速公路避险车道纵面设计中，综合考虑了安全和工程规模。
    中标段设计中，引道采用和主线相同的纵坡，制动坡道采用平坡，长度采用120m。同时考虑一定安全性，在制动坡道尽头均设置了1m高的集料堆和1．5m的高土堆。
    西标段设计中，引道和制动坡道均采用和主线相同的纵坡，制动坡道长度采用140m，在制动坡道尽头设置了1m高的集料堆。
    制动坡道人口处铺筑厚度为0．1m，采用2．5m过渡至0.5m坡道厚度，至避险车道末端铺筑厚度渐变至0.7m.。
图7  避险车道纵向剖面图
4．4  避险车道断面设计
    避险车道宽度考虑足以容纳一辆以上失控车辆，制动车道按照5m宽度进行设计。车道外侧设置LBA混凝土护栏。在东西高速中段设计中，考虑护栏可能会对失控车辆造成损害，沿避险车道外侧设置了1．5m高土堆进行补充防护。
    欧洲标准下的公路设计，对于环保非常的重视。为使避险车道在建成以后正常运转，采用的工程措施要保证排水畅通，预防填料的污染和堵塞。在避险车道周围及底部设置完善的排水系统，对制动车道的地表水和外溢的燃料，可通过直径为15cm的PVC盲沟排人特殊的污水处理池进行处理。
图8  分离式避险车道起点标准横断面图
图9  分离式避险车道端部标准横断面图
4．5  避险车道附属设计
    在避险车道设计同时，设置与避险车道对应的标志、服务设施(如在坡顶设置重型车检查站)，可更有效地预防并减少失控车辆事故的发生。
    电话报警系统：在紧急避险车道附近设置紧急电话亭，可以打电话给运营中心报警。
    电视监控系统：用于高速公路运营中心监控的电视监控系统，对于长大下坡及避险车道进行随时监控。
    标线(水平信号)：为了使故障车辆停止而设置的紧急避险车道处的水平信号设施，也是必不可少的，采用红色和白色的方格标线来表示，每个方格子宽1．5m，长3m。除了与紧急避险车道几何特征有关的特殊条件外，标线设置宽度至少4．5m，起于硬路肩或者右侧路缘带的外边界，止于制动床之前，见图10。                                    图10 标线
    标志(竖直信号)：根据长大纵坡的信号设置要求，设置完善的及特殊的垂直信号系统，以警示提醒司乘人员，引起驾驶员的注意，使其注意到坡道的危险性。
    紧急避险车道的标志安装可参考图11。需注意对于设置了多个避险车道的情况，标志中应禁止列出避险车道的总数。

10