复杂山区公路桥梁避险车道设计研究

薛飞宇，赵赛辉，刘均利

（1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆市 400067；2.重庆建工市政交通工程有限责任公司，重庆市 4000213；3.桂林理工大学，广西 桂林 541004）

0 引言

我国道路交通事故数量、死亡人数和受伤人数一直呈上升趋势，2016年我国道路交通事故864.3万起，造成死亡人数约6.3万人。特别在复杂地形山区，车辆驶入长大下坡路段后持续使用刹车容易造成刹车毂过热，致使车辆制动性能降低或制动失灵，而发生追尾、对撞及冲下悬崖车毁人亡的恶性交通事故[1]频发。为尽快消除安全隐患，在线路外侧设立引道过渡段（与主车道交叉）的避险车道，使司机把车辆转向避险车道的方式是很重要的山区公路安全保障措施。

避险车道线路纵坡一般设置8%～20%，路床铺阻尼系数较大的0.5～1.5 m厚卵石或碎石，车道末端应堆放提供缓冲的砂桶、废旧轮胎、阻拦索等[2]，使车辆停下来。由于避险车道需要较厚的消能路床，且受力复杂，所以避险车道一般设置在路基部分，可方便设置消能路床和缓冲装置。但山区地形复杂，有的位置需要设置避险车道，但设置在路基段十分困难，强行设置路基段避险车道则存在路基造价高，安全性低等问题，桥梁上设置避险车道成为可能。

1 桥梁避险车道设置原则

桥梁避险车道路设置应满足路基避险车道设置原则[2]，且应满足桥梁设计规范[3-6]要求：

（1）桥梁避险车道应满足桥梁设计规范的受力要求，确保安全性和耐久性。

（2）在连续长陡下坡路段，交通组成中大、中型载重车比例较高时，宜在连续下坡长度大于表1中平均纵坡度的路线长度后，开始设置第一处为失控车辆专用的避险车道，并按表中规定的路线增加长度增设避险车道。避险车道应由标志标线、减速路面、路侧护栏、端部抗撞设施、施救设施等组成[2]。

表1 避险车道设置位置及间距

（3）桥梁避险车道一般宜设置在连续长陡下坡路段右侧视距良好的路段，在车辆高速行驶时不能安全转弯的主线平曲线之前或人口稠密区之前；入口在较小半径的曲线上时应尽量以切线方式从主线切出，在直线或大半径曲线上时，进入避险车道的驶入角不应过大，避免侧翻，主线应设置醒目标志，确保失控车辆安全、顺利驶入。禁止在右转弯曲线上设置避险车道[2]。避险车道设置示意见图1。

图1 避险车道设置示意图

（4）桥梁避险车道路段的平面线形应设计成直线，与行车道夹角以3°～5°为宜。当条件受限必须采用曲线时，曲线半径应尽量采用较大值，一般宜大于不设超高的曲线半径值。避险车道的纵断面线形宜采用单向上坡。当需要设置竖曲线时，竖曲线半径应满足视距要求的半径值。避险车道的纵坡坡度应根据避险车道的长度和路床材料综合确定，保证车辆不发生纵向倾覆和纵向滑动。其值宜控制在8%～20%[2]。

（5）桥梁避险车道的宽度一般为4～6 m，服务车道的宽度一般为3.2 m。若需要满足两辆车辆先后进入避险车道，则车道宽度宜为8～10 m，见图2、图3[2]。

图2 路基避险车道横断面示意图

图3 桥梁避险车道横断面示意图

（6）桥梁避险车道的长度应根据失控车辆驶出速度、避险车道纵坡及路床材料综合确定。其计算公式[2]如下：

式中：Sz为避险车道长度,m；V为进入避险车道的速度,km/h；iz为避险车道坡度；fz为路床材料滚动阻力系数。

（7）桥梁避险车道路床材料宜选择具有较高的滚动阻尼系数，陷落效果较好，不易板结和被雨水冲刷的非级配卵（砾）石材料，材料粒径一般以2～5 cm为宜；制动路床铺筑厚度一般为0.5～1.0 m[2]。

（8）桥梁避险车道应在车道末端设置刚性防撞护栏，在刚性防撞护栏前增设如砂桶、废轮胎护栏、阻拦索等合适的缓冲装置或设施[2]。

（9）桥梁避险车道周围及梁板下应做好排水设计，不得让车道外侧水进入车道，亦不得在路床内停有积水。

（10）桥梁避险车道侧面防撞需有足够刚度，能抵抗车辆撞击及消能路床侧压力。

（11）桥梁避险车道应优先设计墩梁固结，防止车辆制动造成的支座损坏或梁体变位。

（12）桥梁避险车道跨径不宜太大，应尽量采用结构连续体系。

2 桥梁避险车道结构设计

桥梁避险车道与普通桥梁相比，荷载数值更大，受力更为复杂，对结构的要求也就更高。且由于桥梁避险车道的特殊作用，结构构件功能与普通桥梁也不尽相同。在桥梁避险车道设计之初，应对受力主体结构—桥梁体进行详细的受力分析，根据受力情况合理设计结构尺寸，使之满足功能和安全性需要。

2.1 受力分析

2.1.1 主梁受力分析

主梁是直接承受上部荷载的构件，消能路床、附属结构、缓冲装置、汽车荷载、积水（积雪）等都是直接作用在主梁上。

恒载按照实际重量计算。消能路床按照实际填充量与材料密度折算线荷载；主体受力主梁与附属结构按照实际尺寸与材料密度折算线荷载；缓冲装置按照实际重量按点荷载计算。

活载则应计算两辆重车同时使用避险车道计算，同时应计入服务车辆重量，按一辆重车计算。活载应考虑10%消能路床体积的积水作为控制活载计算。由于反向坡存在，活载应考虑汽车的竖向离心力和制动力。由于避险车辆进入避险车道有从下坡路段转为上坡路段的过程，且凹曲线半径较小，汽车离心力与桥梁设计规范上定义的离心力计算模式不同，应着重考虑由下坡转为上坡而产生的竖曲线方向离心力；制动力主要考虑消能路床的摩擦力。受力模式见图4。

图4 冲击力受力模式图

忽略空气阻力等数值较小的因素，动能、势能、摩擦耗能能量守恒，公式如下：

式中：m为车辆质量；v1为进入竖曲线初速度；g为重力加速度；vi为竖曲线中任一点速度；hi为竖曲线中任一点距离曲线起点竖向距离，向下为正，向上为负为竖曲线半径；a为进入竖曲线入射角度；μ为摩擦系数，取消能路床材料摩阻系数；fi为竖曲线中任一点离心力；si为行驶距离。

计算示意图5。

图5 计算示意图

带入离心力公式，则可求得：

带入离心力公式后，可获得竖曲线上任一点位置si处的离心力fi=mv2i/r，以及此处制动力Fi=μ（fi+mg）。

2.1.2 下部结构受力分析

下部结构应满足《公路桥涵地基与基础设计规范》[6]的要求。此处除需要考虑恒载组合外，活载应考虑竖向离心力与制动力组合情况。由于消能路床等造成的竖向力大，制动力等造成的剪力大等影响，下部结构一般尺寸较大，需要考虑墩柱和桩基的抗弯、抗剪，以及墩台的抗倾覆等。由于一般采用小跨境连续固结体系，应加大对基础沉降的计算，控制沉降产生的次内力。

2.2 结构设置

2.2.1 消能路床

桥梁避险车道受到成本及结构尺寸影响，消能路床应在满足消能要求的前提下，尽量减小消能路床的尺寸。桥梁避险车道应选用摩擦阻力系数大的材料，如豆砾石，豆砾石摩阻系数为μ=0.25，大于碎砾石μ=0.05和砾石μ=0.10[2]，是避险车道首选材料。

2.2.2 服务车道

桥梁避险车道的服务车道设置重点是服务车道基层材料。为保证服务车道有一定强度，且为保证桥梁左右受力的一致性，应选用与消能路床密度相似的具有一定强度的材料。泡沫混凝土是桥梁避险车道服务车道的首选材料。

泡沫混凝土通常是用机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料。由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙，泡沫混凝土的密度较小，密度等级一般为300～1 800 kg/m3，密度为160 kg/m3的超轻泡沫混凝土也在建筑工程中获得了应用。

泡沫混凝土具有一定强度，且通过气泡配比可控制泡沫混凝土整体密度，可达到设置要求。

2.2.3 主梁设置

桥梁避险车道的主梁可根据施工能力进行选型，如装配式T梁、装配式小箱梁、现浇箱梁等结构形式。应尽量采用小跨径连续体系，避免一跨自重过大而加大结构尺寸造成的资源浪费，也应避免由于伸缩缝的设置，造成松散的消能路床泄露或者破坏的情况。

桥梁避险车道主梁应充分设置排水孔，避免消能路床内积攒水分，增加结构二期自重。并保持排水设备的畅通。排水孔位置应设置过滤层，如土工布等，防止消能路床内材料消耗形成空洞，造成消能路床工作是突然失效的情况。

桥梁避险车道主梁应对荷载考虑充足，特别竖向离心力和制动力应作为主要组合进行计算。

2.2.4 附属（护栏）设置

附属设置主要是护栏及底座。底座应与护栏和主梁连接紧密，护栏、底座、主梁连接部分应满足尺寸、受力等设计规范要求。

护栏在桥面根部应设置排水孔，减小消能路床汇水量。且底座根部也应设置排水孔，加快消能路床排水能力。排水孔位置应设置过滤层，如土工布等，防止消能路床内材料消耗形成空洞，造成消能路床工作是突然失效的情况。

应设置末端护栏，防止车辆动能过大，消能池和缓冲装置未能完全止停冲出避险车道情况。桥梁避险车道与主要通行结构相连处应设置前端背墙（底座），防止消能路床材料消耗。

桥梁避险车道末端的缓冲装置应设置合理，可采用废旧轮胎、砂桶、阻拦索等形式，废旧轮胎应选用外形完整，磨损较小的轮胎。建议采用组合缓冲装置，最大能力吸收动能，避免车辆未能止停撞击末端护栏。

2.2.5 下部结构设置

桥梁避险车道下部结构是保证主体结构安全的关键性构件之一。下部结构必须承担上部结构恒载和活载，并能抵抗风荷载和地震荷载的作用。

桥梁避险车道由于制动力大，桥墩横向剪力大，且由于避险车道纵坡较大，各种原因造成跑梁的概率高，一般建议设置墩梁固结，防止由于支座滑移和破坏造成的安全事故。

由于上部结构自重大，横向剪力大，基础建议采用嵌岩桩，并增多和加大墩柱桩基尺寸。没有嵌岩桩条件的，应加大摩擦桩安全系数控制，减少沉降等措施，达到设计要求。

墩台处设置支座的，应设置较强的防落梁装置，特别纵向限位装置，防止制动力情况下主梁位移过大造成破坏。

2.3 使用要求

（1）定期巡检，即时发现问题，特别伸缩缝、支座等位置应加强监测，防止突发问题。

（2）为保证消能路床工作状态，防止因雨、雪、气温等因素造成的消能路床必然损耗，应定期对消能路床更换消能路床材料。

（3）由于一些特殊原因，消能路床内有油渍、塑料、纸张等垃圾时，消能路床的工作状态会下降，所以应定期清除异物，保证消能路床清洁。

（4）缓冲装置受到外界影响较大，容易产生老化、腐蚀等破坏。如砂桶老化泄露、阻拦索锈蚀等，应定期更换缓冲装置。

（5）桥梁避险车道实际产生工作效能后，消能路床材料会发生剧烈的相对位移，其磨损会降低摩擦消能作用。此时应即时更换工作段消能路床材料。

3 工程实例

3.1 工程背景

西藏某快速通道项目线路全长约50.366 km，起点位于拉萨市达孜县德庆镇，设置达孜枢纽互通与林拉公路工程相衔接，利用拉萨至山南地区的古道为走廊带，沿多雄朗沟道经念喀、新仓、仲莎、拿嘎穿过圭嘎拉山，经过聂果村、前达村，终点止于山南地区扎囊县桑耶镇，与即将实施的曲乃公路工程相衔接。本项目采用一级公路技术标准建设，分别采用60 km/h、80 km/h两种设计速度，路基宽度23.5 m。

项目地处高原山区，为越岭线。受到藏中地震带和喜马拉雅地震带影响，造山运动[9]剧烈。由于第四纪冰川及地表径流[10]及西藏高原特有的昼夜温差及季节温差影响，项目位置沟壑丛生，泥石流、崩塌体众多，山体表面破碎严重，形成长达几十公里的长大上、下坡，其中圭嘎拉隧道前23 km左线无路基避险车道设置条件。

3.2 结构形式

本段桥梁避险车道设计范围为K6+530、K11+750两个位置。K6+530避险车道跨径布置为8×20 m，上部结构采用20 m跨径的预制装配式小箱梁,梁高1.6 m。下部结构采用矩形实心桥墩，由于避险车道纵坡较大，为了结构安全，采用墩梁固结体系。K11+750避险车道跨径布置为19×20 m，上部结构采用20 m跨径的预制装配式小箱梁,梁高1.6 m。下部结构采用矩形实心桥墩，由于避险车道纵坡较大，为了结构安全，采用墩梁固结体系。

3.3 计算结果

各类材料重力密度取值根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60－2015）（以下简称《规范JTG D60》）的相关规定。主要材料：钢筋混凝土、素混凝土、沥青混凝土的重力密度取值分别为26.0、24.0、24.0 kN/m3，二期恒载为桥面铺装、防撞护栏、检修道护栏、过桥管线等汇总后的重量；开始段竖曲线半径为600 m，按照失控车速100 km/h计算计入速度，进入角度为0.9°，弧底距离进入点30 m，得到竖向离心力为58.3 kN，制动力为121.6 kN；其他荷载按规范取值。

结构总体静力计算采用MIDAS/Civil桥梁结构分析软件，基于空间杆系结构理论,根据施工程序将全桥结构离散成165个节点、96个单元，见图6。因各联平曲线半径较大，纵坡较小，主梁按直线桥分析，且不计纵坡的影响。

图6 桥梁避险车道单元离散图

计算结果见表2。

表2 上部结构计算结果

计算结果表明，结构安全设计达到《规范JTG D60》要求。

4 结语

复杂山区地形长大下坡很多路段难以设置道路避险车道，通过桥梁避险车道结构分析与设置，结合工程实例，通过对桥梁结构的合理设计和设置，实现在桥梁上设置避险车道功能，通过设置桥梁避险车道，提高公路安全通行能力。