对山区公路避险车道设计的探讨

摘　要: 本文主要对连续下坡路段和载重汽车失控冲出路基等事故进行探讨。避险车道的合理设计, 并配置标志、护栏、坡顶设置刹车检查站等服务设施可有效地预防事故的发生。并介绍避险车道在国内外的发展情况、避险车道的设置位置及避险车道的设计方法。
关键词: 避险车道；重力避险车道；沙堆避险车道；制动床
1　国内外避险车道的发展
我国随着近年来公路的飞速发展, 交通事故率也随之增长, 在事故统计中, 长陡下坡是事故多发路段, 许多司机往往把长陡下坡易出事故的路段称为“死亡之路”, 或称为“死亡谷”, 可见其危险性。近年来, 通过国内外技术交流, 国内的管理者和工程设计人员也效仿国外的长陡坡的工程措施, 在国内的公路连续长坡路段设置了避险车道。
但国内避险车道起步较晚, 相关的研究很少, 相应的规范或指南还没有出台。目前, 我国避险车道设置在线形、材料、减振等附属设施上还存在着问题,给使用避险车道的司机和车辆带来了事故隐患。本文根据避险车道现场调研发现的问题, 并翻阅国外文献及国外避险车道的实地考察, 讨论避险车道的设置方法、平纵线形、设计参数选取等。
2　避险车道的位置确定方法
避险车道设置应能拦住大部分的失控车辆, 避免重大交通事故发生。避险车道位置的确定有3 种方法: 工程经验、事故发生频率和坡度严重率分级系统。
我国目前避险车道的确定依靠工程经验、事故频率两种方法。工程经验法一般用于规划或设计中道路避险车道位置的确定, 事故频率法用于运营道路避险车道位置的确定。工程经验证明避险车道应设置在以下位置。
(1) 连续下坡或陡坡路段小半径曲线前方: 连续下坡路段或陡坡路段与小半径平曲线相接是事故多发点, 在车辆驶入小半径曲线前, 宜沿曲线切线设置避险车道。
(2) 连续长下坡的下半部: 从驾驶员行车心理角度, 驾驶员更易接受长坡路段下半段使用避险车道。
运营道路避险车道的位置确定是以事故统计的数据为依据的, 后结合地形地势条件对避险车道选址。无论是工程经验法还是故频率法都存在弊端。工程经验法只能通过感性认识指出某一路段为危险路段, 而且不同的人会有不同的看法。事故频率法是在多起事故发生后, 根据事故多发点确定避险车道的位置, 其位置的确定是以生命和财产为代价换来的。因此, 人们渴望一种科学的方法确定避险车道。
3　避险车道的类型
避险车道可分为三种类型: 重力型、沙堆型、制动砂床型。
(1) 重力型: 它是靠陡峭的坡度使车辆减速。重力型匝道是平行于主线的上坡匝道, 它一般是建立在旧路上的, 长陡坡给司机带来的是控制车辆问题,不仅仅是使车辆停止, 而且还有车辆进入避险车道后由于重力返回主线, 影响主线上正常行驶的其他车辆的问题。
(2) 沙堆型: 将松散、干燥的沙子堆积在上坡的匝道上, 它也是靠重力及沙堆阻力来使车辆减速。沙堆易受天气的影响(雨雪影响沙堆的稳定性) , 高数值的减速度对司机及车辆造成损伤较大。
(3) 制动砂床: 是由光滑的、粒径均匀的天然砂砾铺设在匝道上。制动砂床主要通过砂砾的滚动阻力使失控车辆减速或停止, 它通常建立在上坡上, 因为上坡的重力分力可以增加它的减速效能; 但实践证明, 平坡和下坡型的制动砂床一样安全可靠。由于制动砂床的安全性, 具有不受匝道坡度限制等优点, 砂床型避险车道目前已成为最普遍和最安全的避险车道形式。我国目前建立的避险车道均以砂床型为主。
4　避险车道的组成及技术参数
一条完善的避险车道应当由避险车道引道、避险车道、服务车道及其他附属设施组成。避险车道应具有2 个作用:
(1) 使失控车辆从主线中分流, 避免对主线车辆的干扰;
(2) 失控车辆在避险车道上, 在安全的减速度下平稳地停车, 不应出现人员受伤、车辆严重损坏的现象。
4.1 避险车道引道
引道的设置, 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。
避险车道的引道的终点应设计成方型(见图1) ,可在减速前更有效地控制失控车辆。这样设置可使车辆前轮同时进入避险车道, 保证车辆前轴两轮保持同样的减速度, 否则会造成车辆前轴两轮左右受力不均匀而导致车辆侧翻, 在避险车道入口即发生事故。引道的设置终点宜在避险车道入口的后方, 使避险车道与主线分隔开并保证一定距离, 保证车辆进入避险车道后, 不会有石子蹦到车道外部, 特别是主车道上, 干扰正常行驶的车辆。

4.2 避险车道的线形
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。我国某些山区公路的避险车道采用小半径曲线, 设计人员有可能是参照出口匝道设计的线形, 失控车辆是不能适应曲线线形的。在这种线形条件下, 车辆有可能沿着曲线切线方向冲出避险车道, 造成翻车等事故。
避险车道的纵面线形也应是直线。纵面线形为竖曲线的避险车道对司机和车辆来说存在着潜在的危险。从受力的角度来说, 这是一种非常不合理的线形, 失控车辆在竖曲线上高速行驶时, 会产生时刻变化的向心力, 它和其他力合成可能产生很大的合力,即产生很大的变化减速度, 有可能超过司机或车辆所能承受速率变化范围。因此避险车道的线形无论是平面还是纵面均应设置成直线(直坡) , 驶出角尽可能小, 使失控车辆更容易地驶入避险车道。
4.3 避险车道长度、坡度、材料、材料铺设深度
避险车道的长度是根据行驶速度、坡度、砂床的原材料的滚动阻力系数而确定的。砂床的坡度和长度的设置往往受到地形和地势及道路用地限制。提高砂床材料的滚动阻力系数可有效地解决这个问题。以下是出失控车辆停车距离和滚动阻力系数、坡度的函数关系:
L = V 2/30 (R + G)
式中: L 为停止距离, 英尺; V 为驶入速度,英里/h ; R 为滚动阻力系数; G 为避险车道的坡度。
我国对避险车道的材料没有详细的研究, 目前避险车道材料有沙子、天然砂砾、碎石。这些都不是最好的砂床材料, 不能提供更有效的滚动阻力系数。根据国外资料研究, 好的砂床材料应是圆形, 在车轮的碾压下上下砂砾通过相互的滚动、置换, 使车辆更容易陷入。最理想的砂砾粒径应在0.5 英寸(1.27 cm ) 左右, 最小在0.25 英寸(0.63 cm ) , 最大在1.5 英寸(3.81 cm )。这样粒径的砂砾具有较高的滚动阻力系数。
制动砂床一定深度是保证材料完全发挥其滚动阻力的必要条件。制动砂床的材料深度不应小于46 cm , 一般来说深度范围在46～ 76 cm。但是为了使司机有一个对减速度的适应过程, 深度是沿着避险车道入口至前方30 m 处, 材料的深度应由浅至深过渡, 由7 cm 过渡至正常深度(46～ 76 cm )。
4.4 减振(防撞、消能) 设施在避险车道端部的应用
由于地形的原因, 避险车道不能达到要求的长度, 可以在端部设置减振设施(防撞、消能) , 如集料堆在避险车道的端部或在端部设置防撞砂桶。但应强调的是设置减振设施存在着很大的弊端, 在末端设置防撞消能设施而减少避险车道的长度, 从而达到节省造价的做法是不值得提倡的。
防撞消能设施的设置存在着两方面危险(以挂车为例) : 首先是产生严重的水平减速度, 能导致突然的垂直加速度, 能导致驾驶员受伤、失控, 可能造成更大的人员、财产损失; 第二主要是车辆前轴受力, 它们传递加速度不能和后轮匹配, 这将使车辆失去平衡, 导致货物散落、后轮分离和挂车向前倾覆。但是由于地形地势的原因, 不能够提供足够的长度和坡度使失控车辆停止, 车辆越出避险车道会造成一系列的严重后果, 也可以采用防撞消能设施。防撞消能设施的设置对于有可能越出避险车道的失控车辆来说, 是最后一次救生机会, 因此防撞消能设施的合理设置是非常关键的, 其设置的关键是避免产生极大的减速度。
4.5 避险车道的宽度
避险车道的宽度应保证一辆以上的车辆进入避险车道, 理想的避险车道的宽度应是30～ 40 英尺(9.1～ 12.2 m ) 之间。在短时间内, 两辆或更多车辆使用同一条避险车道的机率很小。在一些征地困难的地区, 26 英尺(8.0 m ) 宽的避险车道可满足要求,当然条件具备时应尽量满足要求。
4.6 服务车道
滚动阻力的特性对于载重汽车来说是安全的,但对于车辆驶离避险车道来说又成了障碍。因此一些服务设施必须提供, 以便移动失控车辆, 如拖车和其他服务设备。服务车道和地锚应当是避险车道必要的一部分。
从安全的角度, 服务车道不宜离避险车道过近, 否则会导致驾驶员误将服务车道作为避险车道, 特别是夜间, 这种误会更易发生。
4.7 排水
砂床集料被污染的主要原因是缺乏适当的排水系统。经过调查, 对砂床造成污染的细碎料主要通过水的漫流从匝道的顶部和两侧带来。而且在山区, 在天气转暖的时候, 会产生反渗透力, 产生管涌现象, 将泥土中的细料渗透到砂床的集料中, 造成污染。这些细料造成砂床材料的污染不可忽视。随着细料的增加, 细料充实在集料的孔隙中, 使砂床的密实度增加, 导致其滚动阻力变小, 使得砂床的功能减弱。在寒冷的天气条件下, 大粒径材料加杂着被污染的细小碎料, 在其表面形成一层薄冰。集料之间被碎料填实, 并且坚固地冻结在一起, 并且随着湿度的增加,温度的降低, 其冻结的程度更为坚实。因此完备的排水系统是保证砂床充分发挥其作用的重要保证。防止砂床底部因反渗透力带来的污染, 可在砂床底部铺设土工布; 防止顶部水流漫流带来细料, 可在顶端设置土工布; 防止两侧的水流漫流带来细料, 可在避险车道两侧设置排水沟; 为了更有效地防止砂床的积水, 在砂床底部设置横向排水管,见图2。