公路长下坡路段避险车道的设置与设计

■谢贤东

（福建省龙岩市公路局武平分局　龙岩　364000）

公路长下坡路段避险车道的设置与设计

■谢贤东

（福建省龙岩市公路局武平分局龙岩364000）

避险车道作为山区公路长下坡路段安全保障措施，国内缺乏相应的规范和标准，本文在对福建山区公路在长下坡路段设置避险车道的工作进行总结的基础上，提出其设计方法，供同行商榷。

山区公路避险车道设置与设计

0　引言

避险车道是设置在路侧的、通过把制动失控车辆分离出主车道，并利用重力减速度和滚动阻力的方法来消散其能量，进而控制制动失控车辆的特殊设施。《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）规定“公路长坡下坡路段，危及行车安全处应设置避险车道”，由于缺乏相应的规范或标准，目前在避险车道设置与设计方面存在不同程度的问题，主要体现在：

（1）避险车道设置的位置不合理，选址缺乏依据；

（2）避险车道制动床长度和宽度不足，无法保障避险车道的工作效果；

（3）强制减速段集料减速段集料设计凭经验，车辆驶入避险车道后沉陷效果不佳、车辆运动形态不稳定，救治效果不好；

（4）避险车道坡度过陡，与主线交角过大。

针对上述问题，本文在对福建山区公路在长下坡路段设置避险车道的工作进行总结的基础上，提出了避险车道的设置原则、位置选择、避险车道与主车道的连接、设计参数、路面结构形式及横断面、交通安全设施的设计方法。

1　设置原则

长下坡路段制动失控车辆以载重货车居多，是否需要设置避险车道应以制动失控车辆事故情况 （对于新建道路可参考相似道路的事故情况）、车辆在下坡路段的运行情况，并结合工程判断为依据。

1.1已开通运营的道路

已运营的道路，车辆制动失控事故情况应是考虑设置避险车道的主要因素。同时，还应兼顾的因素有：下坡路段坡长和坡度、下坡方向日交通量以及货车所占比例、坡底的情况、下坡路段的平面线形、货车失控事故的严重性、可利用的地形等。

1.2新建道路

新建道路在长下坡不可避免、且由制动失控车辆引起事故伤害的可能性比正常情况下大得多的地方，在道路设计阶段就应考虑设置避险车道，并作为道路建设方案的一项重要内容。如果下坡路段的坡度超过5%，并且坡度iL（%）的平方与下坡距离L（km）的乘积超过60，应考虑设置避险车道（如图1），即：i2LL≥60（iL≥5%）（1）

2　位置选择

避险车道的设置位置对于其能否发挥作用至关重要。不管是新建道路还是已运营道路，在确定避险车道的设置位置时都应进行工程判断。相关的因素包括以前失控事故发生的位置、下坡的长度、坡底的情况、重型车辆占下坡车流的百分比、水平线形、地形、避险车道坡对环境的影响等。工程实践证明避险车道宜设置在：?

（1）货车制动器临近失效的位置。世界道路协会的《道路安全手册》认为，当货车制动器的温度达到260℃时，制动效能将开始发生大规模的衰退，遇到紧急情况时不能有效地实施制动，此时极易造成制动失控事故的发生。货车制动器制动效能开始发生大规模衰退的地点应为避险车道设置的理论位置。

已营运道路车辆制动器的温度通过对有代表性的货车在现场测定，确定连续长下坡路段车辆制动器温度变化规律。新建道路车辆制动器的温度则可根据技术等级、坡长、坡度，参照类似的已营运道路上货车制动器的温度变化规律，以货车制动器的温度达到260℃时的位置为避险车道的设置的位置。

（2）连续长下坡路段与小半径弯道的切线位置。连续长下坡路段与左转小半径曲线相接往往是事故多发点。长时间下坡制动的车辆往往不能安全通过小半径曲线，因此宜沿左转小半径曲线前方沿切线方向设置避险车道。

（3）连续长下坡路段的下半部分。从驾驶员行车心理角度出发，驾驶员更易接受在连续长下坡路段下坡部分使用避险车道。但如果下坡路段很长，可不受此限制。

（4）应尽可能设置在道路下坡方向的右侧，并避免设置夜间车辆可能误闯的地点。同时，必须保证避险车道入口清晰可见，便于制动失控车辆驶入避险车道。

3　与主车道的连接

为满足避险的车道能安全驶入避险车道并停住，避险车道的平面线形宜设计为直线，避险车道与主车道的衔接宜采用直接式，如图2所示。

3.1连续长下坡与左转小半径曲线相接路段

连续长下坡与左转小半径曲线相接路段，避险车道可以从主车道弯道的切线方向直接分离出来，这种方式能最大程度的使制动失控车辆较平稳的从主线车道驶入避险车道。

3.2与主车道的夹角

在连续下坡或陡坡直线路段，制动失控车辆由主车道转入避险车道时需要转动方向盘，转向半径R与前后轴间距l、前轮平均转向角 的关系为：

制动失控车辆往往速度相当高，车辆驶入避险车道时存在很大的侧向力，形成很大的车轮侧偏角，导致车辆的横向稳定性变差，这时车辆的转向半径R与前后轴间距l、前轮平均转向角ω的关系为：

其中δ1和δ2分别为前后轮的侧偏角，近似地用弧度代替正切，则：

车辆转弯时的受力如图3所示，图中G为重力，F为离心力，F1、F2为轮胎与路面的横向摩擦力，N1、N2和为轮胎受到的路面法向反力。由于离心力 的存在，可能出现侧翻和侧滑两种失稳情况。当不考虑路面横坡的因素时，车辆发生侧翻和侧滑时的临界车速，分别满足式5和式6：

式中：Vh——车辆发生侧翻时临界车速（m/s）；Vφ——车辆发生侧滑时临界车速（m/s）；b——车身宽度（m）；

h——车身重心距地面的高度（m）。

由于转向角与避险车道和主车道的夹角成正比关系，由式4、式5和式6可知，车速一定时，当转向角越大，转向半径越小，离心力就越大，车辆越容易发生侧滑或翻车事故；且车速越高，转向角应越小。因此，避险车道和主车道的夹角应尽可能在较小的范围内，建议 取值3～5°，最大值不超过15°。

3.3 渐变段及分流鼻的设置

由于制动失控的车辆速度很快，驾驶员已极难操控，为了让制动失控车辆能较为顺利地进入避险车道，在避险车道渐变段及分流鼻的设计上，与匝道设计的参数取值有所不同，要充分考虑制动失控车辆在高速行驶轨迹的摆动，分流鼻的偏置值c和过渡段长度z应适当加大。

参考现行 《公路路线设计规范》（JTG D20-2006）表11.3.7-3中的数据，对避险车道渐变段长度和C、Z、r取值建议见表1。

表1　　避险车道渐变率和c、z、r取值表

4　避险车道设计参数

避险车道主要包含引道、一般减速段、强制减速段三大部分。引道的作用是承受车辆荷载，引导制动失控车辆安全平稳地进入减速路段；一般减速段由较大的纵坡和滚动阻力系数对高速制动失控车辆进行初步减速。强制减速段依靠松散材料较大的阻尼系数，对经过初步减速的车辆进行强制减速，使制动失控车辆能安全地停下来。

避险车道的纵断面及平面如图4。其设计的主要参数包括行车速度及平纵线形指标。

4.1汽车行驶速度

制动失控车辆的行驶速度是计算避险车道各部分长度的重要依据。车辆进入引道时的行驶速度可以通过对有代表性的车辆在现场测定，在避险车道上行驶速度则需通过计算确定。下面通过制动失控车辆在上坡路段的运动分析，推导在制动失控状态下车辆的行驶速度。

制动失控车辆在上坡路段的受力如图5所示，其中G为车辆总重力，θ1为坡道倾角，N为路面对车辆的反作用力，Fi为坡度阻力，Fd为滚动阻力，Fa为空气阻力。

车辆减速上坡行驶符合式7：

由于θ比较小，根据三角函数的定义，tanθ≈θ≈i、cosθ≈1，简化后为：

式中：Fi——坡度阻力（N）；

Fd——滚动阻力（N）；Fa——空气阻力（N）；m——汽车质量（kg）；

a——汽车加速度（m/s2）；g——重力加速度（m/s2）；

fd——滚动阻力系数，见表2；fa——空气阻力系数，见表3；

θ——避险车道坡度角（弧度），上坡为“+”，下坡为“-”；

i——避险车道纵坡，上坡为“+”，下坡为“-”；

A——汽车迎风面积（m2），见表3；

v——汽车与空气的相对速度（km/h）。

表2　轮胎与各种材料之间的滚动阻力系数

表3　汽车的迎风面积与空气阻力系数

忽略竖曲线影响，根据牛顿第二定律，制动失控车辆在本坡段与下一坡段的行驶速度关系式为：

cosθ≈1，忽略空气阻力的影响，将式8代入式9，整理后得汽车进入下一坡段入口的速度：

V2n=V2m-254Lm（i+fd）（10）

式中：Vm——汽车进入本坡段入口的速度（km/h）；

Vn——汽车进入下一坡段入口的速度（km/h）；Lm——本坡段的长度（m）。

4.2引道长度

《公路安全保障实施技术指南》指出引道是连接着主车道和避险车道，为主车道和减速段之间提供了一定的偏移量，避免制动床沙砾飞溅回主线影响主线交通，并为驾驶员提供了充足的反应时间和空间，操纵车辆安全地驶入避险车道。引道的设置应保证制动失控车辆的驾驶员在引道的起点就能清晰的看到避险车道的全部线形，增加驾驶员使用避险车道的安全感。

引道的长度由以下几方面因素确定：引道与主车道的夹角、引道的渐变段长度、引道与减速段间的竖曲线长度，并与分流鼻的设置及地形有关。根据美国多年的研究，避险车道引道L0的长度不应小于310m。

制动失控车辆进入一般减速段入口时的行驶速度可根据下式计算：

V20=V2-254L0（i0+fd）（11）

式中：V——制动失控车辆进入引道的速度（km/h）；

V0——制动失控车辆进入一般减速段时的速度

（km/h）；i0——引道纵坡；L0——引道的长度（m）。

4.3一般减速段长度

一般减速段设计成上坡，其功能是使制动失控车辆沿一定的上坡行驶一段距离，车速有一定的降低后，再进入强制减速段，减速停车，从而避免制动失控车辆高速进入强制减速段后，受减速路面的阻尼作用突然减速，造成驾乘人员的伤亡和车辆的损失。

根据实地调查，一般情况下载重货车以60～80km/h的速度驶入松散状强制减速段路面时，车辆无大的损失。根据式10，一般减速段长度为：

式中：L1——一般减速段长度（m）；

i1——一般减速段纵坡；

V1——制动失控车辆进入强制减速段时的速度（km/h），一般取60～80 km/h。

4.4强制减速段长度

强制减速段一般设计成平坡或一定的上坡，主要以路面材料的摩阻力、坡度消除制动失控车辆的动能，其最小长度为失控货车停车所需的最小距离，可通过下式确定：

式中：L2——强制减速段最小长度（m）；

V1——制动失控车辆驶入强制减速段时的入口速度（km/h）；

i2——强制减速段的坡度。

如果强制减速段因受实际地形限制，不能提供足够的长度以使制动失控车辆完全停车，则应在强制减速段末端设置减速消能设施 （参照本文7.3强制减速段末端安全设施），此时应保证制动失控车辆在与这些减速消能设施碰撞时速度不超过40km/h。

4.5纵坡

避险车道的纵面线形应为直线，保证避险车道任一部分均在失控驾驶员视线之间。避险车道的纵坡设计首先要参照现行《公路路线设计规范》，再考虑避险车道的特殊性。

引道的纵坡一般与主车道的纵坡相同，以使制动失控车辆平稳避入避险车道。

为让制动失控车辆尽快减速，减速段纵坡一般应设计成上坡，纵坡设计可参照 《公路路线设计规范》11.3.4条匝道的纵面线形设计的有关规定。由于减速段的功能是增加制动失控车辆所受的爬坡阻力，使制动失效的车辆尽快停下来，它与匝道的功能截然相反，所以纵坡度选用时可大于规范的规定。但过大的坡度，会使驾驶员心存恐惧，不敢驶入避险车道，同时增加了车辆自重作用而下滑的可能性。

一般减速段纵坡应设计得较陡，使高速驶入的车辆在较大上坡的作用下，尽快降低车速，达到进入强制减速段的安全车速，一般坡度取值为5%～12%之间。

强制减速段主要是利用松散集料路面的摩阻力吸收车辆的动能，在较短的距离内使车速很快减下来，直到安全停车，其纵坡一般设计成平坡或小于8%的上坡。

4.6竖曲线

考虑到在避险车道上的车辆，对舒适性不作太高的要求，在竖曲线半径和竖曲线长度的选取时，可采用《公路路线设计规范》表11.3.4-2中相应速度的极限值和最低值。表4列出避险车道竖曲线最小半径及长度建议值。

表4　避险车道竖曲线最小半径及长度表

5　路面结构形式

5.1引道路面结构

引道的作用是引导制动失控车辆进入减速段，其路面结构一般与主车道相同。

5.2一般减速段路面结构

一般减速段是利用纵坡和滚动摩擦系数对高速制动失控车辆进行初步减速，一般要选择既能保证车辆平稳行驶又能提供较大滚动阻力系数的路面结构，建议采用水泥稳定土路面或泥结碎石路面，也可采用与引道相同的路面结构。

5.3强制减速段路面结构

（1）路面材料。强制减速段路面为了提供较大的阻尼，一般由松散材料构成，要求路面材料干净、不易被压实、有较高滚动阻力。当使用集料时，应是圆形的、不易被压碎、单一尺寸的、并能够自由滚动的材料。这样的材料可以使得集料之间的空隙最大化，而且便于排水并可使互锁和压实的机会最小。同时，具有较低剪切力的材料可以有助于轮胎的陷入。强制减速段路面首选豆砾石，其次可选中粗砂和砂砾。

经试验，符合表5级配要求的豆砾具有较好的阻尼效果。

表5　级配要求

（2）路面厚度。为使制动失控车辆猛然受阻且不受到过大的损伤，并得到一定的安全有效的保护，强制减速段路面集料应具有足够的厚度，一般为0.5～1.0m，避险车道入口处铺筑厚度为0.1m，为使车辆能较为平滑地减速停车，可采用30～60m长的距离从制动床入口处渐变过渡到正常坡床厚度。

6　横断面

6.1强制减速段

《公路路线设计规范》第6.2.6条对强制减速段制动床宽度规定为不应小于4.5m，但未提出横断面组成。参照《公路安全保障实施技术指南》，强制减速段横断面主要由避险车道制动床，服务车道，安全带和路侧防撞设施四部分组成，如图6。

（1）制动床。制动床是消除制动失控车辆动能的重要组成部分，按规范规定，其宽度不小于4.5m，在货车交通量不大的路段，制动床宽度可取5m；如果货车交通量较大，应满足两辆的制动失控车辆进入避险车道，通常取8m。

（2）服务道路。是指用于救援车辆和养护避险车道的行驶通道。当制动失控车辆停车后，救援车辆能行驶到制动失控车辆的旁边或前方，顺利实施救援。服务道路采用单车道，宽度一般为3.5m。服务道路一般为水泥砼或沥青路面，但应注意避免制动失控车辆的驾驶员将服务道路误认为是制动坡床，作为避险车道使用。

（3）安全带。是指避险车道路面两侧边缘距防撞设施的距离。由于制动失控车辆在避险车道行驶时，方向可能出现一定的偏移，安全带的作用是提供一定的安全宽度，防止车辆撞坏防护设施，冲出避险车道。安全带宽度一般取0.75m。

（4）路侧防撞设施。是指设在避险车道两侧，防止制动失控车辆冲出避险车道路基的安全设施，同时起导向作用。根据现行《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2006）的有关规定，避险车道两侧的防撞设施的防撞等级不应低于SB级，防撞设施可采用波形梁护栏或混凝土护栏。

6.2引道及一般减速段

在工程实践中，引道及一般减速段的路面宽度一般采用与制动床相同的宽度。

7　交通安全设施

避险车道交通安全设施也是保证避险车道有效发挥作用的重要因素。避险车道的交通安全设施主要包括避险车道标志、入口处的标线和其它交通安全设施（如图7）。

7.1标志

应在长下坡路段坡顶和下坡途中休息区提供避险车道的预告信息，包括避险车道的数量、大致位置等信息（如图8）。同时应在坡顶向驾驶员提供连续长下坡路段的坡度、坡长、平面线形等信息。

在避险车道之前应设置至少两块避险车道预告标志（前1km、前500m），在避险车道入口处应设置“避险车道”标志，引导刹车失灵车辆驶入避险车道（如图9）。

在避险车道入口前应设置“禁止停车”标志，并设置“刹车失灵车辆专用”标志（如图10）。

为了能够使驶入避险车道的刹车失灵车辆及时得到救助，应在避险车道适当位置设置救援信息。

在长下坡的坡顶设置标有下坡、下坡里程、坡度、急弯、限速等信息的标志，使驾驶员能够及时了解下坡路段的信息。

7.2标线

在避险车道引导路面上刻画 “刹车失灵车辆专用”，字体大小按行车速度确定，刻画导向箭头，引导制动车辆安全驶入避险车道。保证只有制动车辆才能使用避险车道。

7.3强制减速段末端安全设施

为使制动失控车辆不致于越出强制减速段，在强制减速段末端应设置减速消能安全设施。在工程实践中该安全设施主要有三类，即集料堆、消能桶和废旧轮胎。集料堆高度应在0.6～1.5m之间，坡度为1V：5H（如图11）。为了避免避险车道制动床集料的污染，集料堆的材料应和强制减速段路面材料相同。如果在强制减速段末端设置消能桶（如图12），消能桶里的材料也应和强制减速段路面材料相同，以免强制减速段路面材料受到污染。除了设置集料堆和消能桶以外，可在强制减速段路面末端横向设置废旧轮胎（如图13），这在国内已经获得了一定程度的应用。

强制减速段末端的减速消能设施是避险车道的最后安全措施，由于制动失控车辆冲出强制减速段的后果极其严重，不论强制减速段的长度是否满足设计要求，都必须设置。

7.4其他安全设施

避险车道两侧应设置护栏，并应设置轮廓标来界定避险车道的方位和范围，在晚间可告知驾驶员避险车道的方位。为了区别于普通的出口匝道，设置在避险车道两侧的轮廓标反光器颜色应为红色。轮廓标的间距以15m为宜。

在坡顶设置车辆制动器检查站和休息区，使驾驶员可以检查车辆制动器、了解前方的下坡信息并有时间让制动器冷却。在下坡沿途设置加水停车区，便于车辆停车冷却制动器。

8　小结

山区公路长下坡路段避险车道的设置与设计是一个系统工程，本文提出方法尚需进一步完善，在无现成规范和标准的状况下，在避险车道设置与设计时可作为参考。