（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路避险车道设置技术研究.pdf

摘要 由于地形和经济条件的限制 山区高速公路不可避免连续长大下坡路段 为改 善山区高速公路连续长大下坡路段的交通安全状况 避险车道是目前解决连续长 下坡路段交通安全问题最为有效的工程措施 本文依托云南省交通科技项目 山区高速公路综合运营安全技术研究 通 过实车试验和的数值分析分方法 并结合国内外研究成果 分析了失控车辆进入 避险车道的运行规律 系统地阐述了避险车道的位置设置原则 夹角 长度 坡 度 材料 末端防撞消能设施以及交通安全辅助设施等技术方法 本文重点研究了以下几个方面 1 通过长下坡路段的安全分析 结合车辆性 能 分析了山区高速公路紧急避险车道设置中存在的问题 提出了紧急避险车道 的设置原则 2 通过理论分析 提出了避险车道线形设计原则 引道长度和制动 床长度的计算公式 3 系统地分析了避险车道服务车道 末端防撞消能设施的设 置原则 4 通过实车试验研究 分析了在车重 路面材料 路床坡度等因素的影 响下 失控车辆进入避险车道的运行规律 5 应用颗粒流离散元 p f c 数值模 拟 通过对比试验分析 验证数值模拟的可行性 分析失控车辆在避险车道中的 运行规律 最后利用本文的研究成果 结合云南省水麻高速公路 设置了多处避险车道 取得较好的效果 证明了避险车道设置的合理性 对避险车道的设计具有重要的 指导意义 关键词 交通安全 连续长下坡 数值分析 避险车道 a b s r r a c t b e c a u s eo ft h et o p o g r a p h ya n de c o n o m i cc o n d i t i o n s t h e r ea r em a n yc o n t i n u o u s a n dl o n gd o w n g r a d e si n e v i t a b l yi nm o u n t a i n o u se x p r e s s w a y i no r d e rt oi m p r o v et h e t r a f f i cs a f e t ys a t u a t i o no fc o n t i n u o u sa n dl o n gd o w n g r a d e ss e g m e n ti nm o u n t a i n o u s e x p r e s s w a y t r u c ke s c a p er a m pi s t h em o s te f f e c t i v e e n g i n e e r i n gm e a s u r e so ft h e c u r r e n ts o l u t i o n st ot r a f f i cs a f e t yp r o b l e mo fac o n t i n u o u sa n dl o n gd o w n g r a d e s s e g m e n t i nt h i sp a p e r r e l y i n go nt r a f f i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t si ny u n n a n p r o v i n c e r e s e a r c ho ns a f e t yt e c h n o l o g yo fg e n e r a lo p e r a t i o n a li nm o u n t a i n o u s e x p r e s s w a y t h r o u g ha n a l y s i sm e t h o d so ft h er e a lv e h i c l et e s ta n dn u m e r i c a la n a l y s i s a n dc o m b i n a t i o n 晰t l lr e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d a n a l y s i so p e r a t i o nr u l e s o ft h eo u t o f c o n t r o lv e h i c l e st oe n t e rt r u c ke s c a p er a m p s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d t e c h n i c a lm e t h o d so fp r i n c i p l eo fs e t t i n gp o s i t i o n a n g l e l e n g t h s l o p e m a t e r i a l s f a c i l i t i e so fa n t i c o l l i s i o n f a c i l i t i e so fe n e r g yd i s s i p a t i o na n da u x i l i a r yf a c i l i t i e so f t r a f f i cs a f e t y e t c i nt h i sp a p e r r e s e r c ho nt h ek e ya s p e c t sf o l l o w i n g 1 t h r o u g hs a f e t ya n a l y s i so f c o n t i n u o u sa n dl o n gd o w n g r a d e ss e g m e n t c o m b i n a t i o no fv e h i c l e sp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fs e t t i n g sp r o b l e m so ft r u c ke s c a p er a m pi nm o u n t a i n o u se x p r e s s w a y p u t s f o r w a r da ns e t t i n gp r i n c i p l e so ft r u c ke s c a p er a m p 2 t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s p u tf o r w a r dt h e l i n e a rd e s i g np r i n c i p l e so ft r u c ke s c a p er a m p t h ef o r m u l af o r c a l c u l a t i n gt h el e n g t ho fa p p r o a c hr o a d sa n db r a k i n gb e d 3 s y s t e m a t i ca n a l y s i so f s e t t i n gp r i n c i p l e so ft h es e r v i c el a n e a n t i c o l l i s i o nf a c i l i t i e sa n df a c i l i t i e so fe n e r g y d i s s i p a t i o ni nt h ee n d 4 t h r o u g hr e s e a r c ho nr e a lv e h i c l et e s t s a n a l y s i so ft h e o p e r a t i o nr u l e so fo u t o f c o n t r o lv e h i c l e sa tt r u c ke s c a p er a m pu n d e rt h ei n f l u e n c e f a c t o r so fv e h i c l ew e i g h t r o a dm a t e r i a l s r o a db e ds l o p e e t c 5 t h r o u g hp f c p a r t i c l e f l o wc o d e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n a l y s i so i lo p e r a t i o nr u l e so fo u t o f c o n t r o lv e h i c l ea tt r u c ke s c a p er a m p f i n a l l y t h eu s eo fr e s e a r c h r e s u l t si nt h i s p a p e r c o m b i n e dw i t h s h u i m a e x p r e s s w a yi ny u n n a np r o v i n c e h a ss e tu pan u m b e ro ft r u c ke s c a p er a m p a c h i e v e d g o o dr e s u l t s p r o v e dt h a tt r u c ke s c a p er a m ps e t t i n gi sr e a s o n a b l e t h e r e i sa n i m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rd e s i g no ft r u c ke s c a p er a m p k e yw o r d s t r a f f i cs a f e t y c o n t i n u o u sa n dl o n gd o w n g r a d e n u m e r i c a la n a l y s i s t r u c ke s c a p er a m p 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者 日期 扫明年 月 多日 学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并进行信 息服务 包括但不限于汇编 复制 发行 信息网络传播等 同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊 光盘版 电子杂志社c n k i 系列数 据库中全文发布 并按 中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享 受相关权益 学位做作者签名 套 醐 1 年中月寥 指导教师始髫絮年 日期 7 年妒月 多日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国高速公路发展情况和前景 高速公路是2 0 世纪3 0 年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通服务 的基础设施 高速公路在运输能力 速度和安全性方面具有突出优势 对实现国 土均衡开发 建立统一的市场经济体系 提高现代物流效率和公众生活质量等具 有重要作用 目前全世界已有8 0 多个国家和地区拥有高速公路 通车里程超过了 2 3 万公里 其中美国 日本 德国 加拿大等发达国家已经构筑起与本国经济和 社会发展相适应的高速公路网 高速公路被誉为一个国家走向现代化的桥梁 是发展现代交通业的必经之路 高速公路不仅是交通现代化的重要标志 也是国家现代化的重要标志 高速公路 以 快速 安全 经济 舒适 为特征 从诞生的那一刻起 就深刻影响着它所 服务的每一个人和触及的每一寸土地 高速公路的发展不仅仅是经济的需要 也 是人类文明和现代生活的一部分 而中国在这条路上 则迈出了非同寻常的一个 个令人赞叹的脚印 随着国家综合国力的全面提升 我国陆路 航空 水路交通 建设经历了历史性的跨越式发展 1 9 8 8 年上海至嘉定高速公路建成通车至今2 0 余 年间 在 国道主干线系统规划 的指导下 中国高速公路总体上实现了持续 快速和有序的发展 特别是1 9 9 8 年以来 国家实施积极的财政政策 高速公路得 到快速发展 年均通车里程超过了4 0 0 0 公里 交通运输部部长李盛霖日前在全国 交通工作会议上接受记者采访时表示 2 0 0 8 年我国新建高速公路通车6 4 3 3 公里 高速公路总里程已达到6 0 3 万公里 继续位居世界第二 有2 1 个省区市高速公路 里程超过1 0 0 0 公里 其中 河南 山东两省突破4 0 0 0 公里 江苏 广东两省突 破3 0 0 0 公里 高速公路的发展 极大提高了中国公路网的整体技术水平 优化了 交通运输结构 对缓解交通运输的 瓶颈 制约发挥了重要作用 有力地促进了 中国经济发展和社会进步 2 0 0 4 年1 2 月1 7 日 国家高速公路网规划 已经国务院审议通过 标志着 中国高速公路建设发展进入了一个新的历史时期 国家高速公路网规划采用放射 线与纵横网格相结合的布局方案 形成由中心城市向外放射以及横连东西 纵贯 南北的大通道 由7 条首都放射线 9 条南北纵向线和1 8 条东西横向线组成 简 称为 7 9 1 8 网 总规模约8 5 万公里 其中 主线6 8 万公里 地区环线 联络 线等其他路线约1 7 万公里 图1 1国家高速公路网布局方案 f i g 1 1t h el a y o u ts c h e m e so f n a t i o n a le x p r e s s w a y n e t w o r k 1 2 山区高速公路交通安全的形势及研究意义 随着我国经济的快速发展 公路交通运输基础设施也得到了前所未有的发展 公路路网结构得到了较大的改善 国省道干线逐渐由高等级公路构成 公路交通 的瓶颈制约和全面紧张状况得到缓解 2 0 0 8 年中国高速公路通车总里程达到6 0 3 万公里 居世界第二位 同时我国的机动车保有量持续快速增长 2 0 0 5 年全国机 动车保有量达1 亿7 0 0 多万辆 截至2 0 0 7 年底 全国机动车保有量为1 5 9 8 亿辆 截止2 0 0 8 年底 全国机动车保有量为1 6 9 8 8 7 7 4 4 辆 比2 0 0 7 年增加1 0 1 l 万多 辆 公路交通的快速发展和汽车的普及给人们出行带来方便 又使人们面临着交 通事故高发的严峻形势 目前 我国正处于道路交通事故的高发期 并呈道路交 通事故死亡绝对数高 万车死亡率高 事故死伤比例高的 三高 状态 第一章绪论 3 表1 1 道路交通事故死亡绝对数 t a b l e1 1a b s o l u t en u m b e ro fr o a dt r a f f i ca c c i d e n tf a t a l i t i e s 项目名称中国占世界比例 汽车保有量8 交通事故死亡人数1 6 左右 表1 2 万车死亡率 国家名称 万车死亡率 日本 o 7 7 英国 1 1 法国1 5 9 美国 1 7 7 中国 6 2 表1 3 事故死伤比例 国家名称事故死伤比例 法国1 2 1 美国 1 6 2 日本 1 1 7 3 中国l 4 8 我国地势西高东低 山地 高原和丘陵约占全国土地总面积的三分之二 特 别是中西部地区地理位置特殊 地形特点是高原 重丘和山岭区较多 地势落差 大 坡陡且长 地质环境恶化 地质灾害急剧增加 交通安全问题的形势严峻 随着 7 9 1 8 国家高速公路网和西部大开发战略的实施 山区高速公路迎来了新 的建设高峰 大量的山区高速公路的出现使得道路安保工程显得尤为重要 山区 道路由于坡度大 转弯急 极易出现交通事故 为克服地形起伏变化 降低工程 造价 山区公路往往具有连续长大下坡路段 连续长大下坡路段造成车辆尤其是 大型货车制动效能降低 往往由于频繁制动 由制动失效引起的追尾撞车 坠车 或弯道处车速过高而冲出路外或对向车道的恶性交通事故时常发生 仅按照现行 有关规范进行设计施工往往难以确保运营的安全 特别是部分已经建成的高速公 路中出现了较多的事故危险区 黑点 有效行车视距迅速缩短 转弯半径不足 在连续弯道路段 在高速行驶的车辆上 驾驶员对前方路况的判断力下降 遇前 4 第一章绪论 方有突发情况时 若采取措施不当 就容易发生追尾或撞击固定物的交通事故 在连续下坡路段 驾驶员空挡滑行或长时间使用刹车 使得制动器温度急剧上升 制动 热衰退 现象突出 严重时车辆制动能力完全丧失 在速度较高的情况下 会因无法控制车辆以致重特大事故经常发生 因此 连续长大下坡路段也常常成 为 事故多发路段 如3 1 2 国道陕西省境内k 1 3 9 2 k 1 4 4 0 段全长4 8 k m 沿线 地势险要 坡大沟深 为典型的山区公路 该路段从1 9 9 9 年7 月建成通车到2 0 0 1 年1 2 月 短短两年半的时间 共发生交通事故5 6 0 起 死亡8 1 人 伤3 6 3 人 直接经济损失8 8 1 3 8 4 万元 其中在突出的8 公里连续长大下坡路段集中了其中的 大部分事故 连续长大下坡路段严峻的交通安全形势给国家西部大开发战略的实施产生了 一定程度的负面影响 也引起了政府相关部门和社会各界的严重关注 为了预防 和减少道路交通事故 按照国务院的统一部署 2 0 0 4 年初 公安部和国家安全生 产监督管理局研究确定了两部局督办治理的全国2 9 处危险路段 这些路段多地处 山区 坡陡 弯急 路窄 或由于气候多雨雾 路面湿滑 视线不良 不利于安 全通行 已连续发生重大交通事故或发生一次伤亡数十人的特大道路交通事故 在这2 9 处危险路段中 属于连续长大下坡路段的事故多发路段就有1 6 处 比例 高达5 5 由此可见 相比于公路的平均事故水平 连续长大下坡路段重特大交 通事故的发生率较高 所面临的交通安全形势也更加严峻 由于地形和经济条件 的限制 在山区建设高等级公路 连续长大下坡路段几乎不可避免 连续长大下 坡路段的交通安全问题将会越来越突出 山区高速公路中长下坡路段安全问题己 严重困扰着公路的运营安全 因此 加强这些路段的安全保障措施 改善其安全 性 已成为当前山区公路建设中刻不容缓的问题 第一章绪论 图12 建大高速公路莲续长坡 f i 9 12c o n t i n u o u sl o n g d o w n g r a d eo f c h u d a e x p r e s s w a y 为了改善连续长大下坡路段的交通安全状况 目前国内外主要采取交通工程 措施 管理措施和工程措施 交通工程措施主要是通过标志 标线等主动引导设 施和护栏等被动安全设施的设置 也就是通过 主动引导 和 被动防护 的方 法 避免失控车辆发生翻车 冲下悬崖等重特大交通事故的发生 管理措施一般 有在坡顶强制车辆停车检查和冷却制动器 或在连续长大下坡路段禁止货车通行 等方法 国内外改善连续长大下坡路段交通安全形势的实践证明 避险车道是目 前解决长下坡路段交通安全问题最为有效的工程措施 1 3 国内外研究现状 13 1 国外研究状况 避险车道起源于美国 2 0 世纪5 0 年代 人们发现公路上失控的车辆经常冲出 道路 停在路边的废料堆上 或者冲到山上用于运滚木的旧路上 道路工程技术 人员由此受到启发 开始在相关的位置设置避险车道 避险车道是一种特殊的匝 道式的设计 主要设置在公路的危险路段上 专门用于减少山于刹车失灵 车速 过高 车辆失控时而造成翻车 撞山 掉崖事故的一种预防性道路安全设施 它 可以让急速行驶的车辆在几秒钟内减低车速直至停稳 就像跳远运动员跳入沙坑 后速度猛然受阻且不受损伤一样 绝对起到安全有效的保护作用 最早进行避险 车道建设的美国加利福尼亚州 该州于1 9 5 6 年建设了第一条为失控的卡车而设 计的避险车道 1 9 5 6 年至q 1 9 7 7 年期间 美国2 0 个不同的州先后进行避险车道规划 6 第一章绪论 和建设避险车道达6 0 条以上 经过二十余年的充分实践证明 避险车道对提高失 控卡车是一项有效的安全措施p 1 美国联邦公路管理局于1 9 7 9 年出版了一本有关 避险车道设计技术建议 避险车道设计的临时指南 该指南成为自从在下坡路 段设置避险车道以来的第1 本根本性的指导 根据美国有关调查 在有避险车道记 录的2 7 个州中 约有1 7 0 个避险车道 与2 0 世纪7 0 年代的5 8 条避险车道相比 数量 增长了三倍 大多数的避险车道都分布在西部各州 其中密西西比河东岸的1 2 个 州内就分布了6 0 余条避险车道 1 9 7 9 年e c k r w 1 4 i 完成了一份 货车避险设施的使用与设置位置的实践与经 验 的报告 该报告对避险车道设置的影响因素做了总结 结果如图1 3 所示 美 国交通工程学会 i t e 出版的 g u i d e l i n e st od e t e r m i n en e e d 中关于紧急避险车 道的叙述 认为在确定是否需要设置紧急避险车道时需要考虑三个因素 即 事 故率 平面线形与运行速度的关系以及潜在的严重事故 如大容量的客车 在决 定建造紧急避险车道之前还应实施渐进式的改善措施 依次为 设置标志 速度 控制 设置强制检查站 确定避险车道的设置与否并没有这么简单 还需要综合考虑失控货车其他事 故因素来确定是否需要设置避险车道 卡车失控的比倒一 级坡的长度 纵坡的坡度一 该道路上卡车所占的比例 纵坡终峭的状况 平均日交通量一 平面线形的曲率一 事故严重程度 道路用地范围 地形一 图1 3 紧急避险车道设置因素 f i g1 3t h es e t u pf a c t o r sf o rt r u c ke s c a p er a m p 19 8 9 年美国联邦公路局 f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n f h w a 开发的坡 道严重度分级系统 g r a d es e v e r i t yr a t i n gs y s t e m g s r s 它是到目前为止连续 长大下坡路段是否需要设置紧急避险车道运用最为广泛的分析工具 该系统利用 汽车动力学原理 结合道路的几何线形 可定量地分析出公路危险路段的位置 是评价山区高速公路长下坡路段安全性能的一个历史性突破 g s r s 的核心是可计 第一章绪论 7 算出车辆载重时对应的最大安全行驶速度 它使用预先确定的制动器温度限制 2 6 0 来建立坡道的最大安全下坡速度 最大安全速度被定义为以此速度在坡 底紧急制动 制动器温度不会超过预先确定的温度限制 g s r s 是分析是否需要设 置紧急避险车道的一个有用的工具 它能根据给定的车辆总重 g v i i 和坡度严 重性 即道路曲线 产生制动器温升曲线 通过判断制动器温度是否超过制动器温度 限制的办法就可以确定是否应设置紧急避险车道 在选定长下坡条件下 车辆每 行驶一定距离 如0 8k m 系统相关软件就可计算出刹车片温度的增高值 根 据这个温度增高值和汽车动力学即可反算出车辆的行驶速度 刹车片的极限温度 是5 0 0 f 2 6 0 c 那么与极限温度相对应的速度应为车辆行使的最大安全速度 如 果最终的制动器温度没有超过 则说明不需要设置避险车道 如果超过2 6 0 则 说明此连续长大下坡路段应该设置避险车道 制动器温度超过2 6 0 的位置即为避 险车道设置理论位置 有了 坡度严重率分级系统 工程技术人员就可以定量 地分析载重车辆条件下高速公路长下坡路段的安全性 并可为各路段是否需要设 置避险车道以及避险车道的设置位置提供重要的依据 美国土木工程师协会 a s c e 出版的文献p 介绍了一种确定是否需要设置紧 急避险车道的方法 这种方法定义了曲线的相关速度 即车辆不会因为离心加速 度而侧翻地通过此曲线的最大速度 在分析紧急避险车道是否需要设置时 考虑 的主要因素为 坡道的严重程度 即坡道的长度和险峻程度 相关限制 即曲线的 相关车速 事故历史记录 即以前车辆失控事故率 事故后果 即在失控事故的 期望地点人员伤亡的可能性 坡底的情况 对于一个特定的坡道 首先要选择设计 车辆 并指明汽车总重 g v w 和制动器衰退温度 即制动器开始丧失有效制动 时的温度 接着要判断坡顶制动检查站是否存在 鉴别货车驾驶员是在坡顶制动 检查站停车并以零速下坡还是在制动检查站不会停车并以建议的速度开始下坡 然后绘制下坡坡道纵断面曲线图 货车下坡速度曲线图并指明坡道上所有曲线的 相关速度和货车制动器温度曲线图 再鉴别有无货车下坡速度超过其相关速度和 制动器温度超过制动器衰退温度的情况发生 并判断在货车潜在的失控轨迹内有 无固定的物体存在 最后就可以判断是否需要设置紧急避险车道 如果该路段以 前发生过汽车失控事故和在失控汽车的运行轨迹之内 即在坡底或在受限平曲线 的交叉点附近 存在固定的物体 如房屋 学校 交叉口 水陆联运站等 则进 一步说明需要设置紧急避险车道 美国通过大量的研究 已经初步形成了有关紧急避险车道设置理论和设计方 法 国外对紧急避险车道的研究大多采用理论 实践统计 实车足尺实验等各种 方法 来求得经济有效的设计方案 近年来 美国一些道路安全设施公司还开始尝试网索式紧急避险车道的研究 第一章绪论 开发 通过调整网索的道数及几何参数可以满足不同车辆质量和速度组合的防护 要求 最高防护等级可以达到4 0 t 和1 4 0 k m h 的组合 但这种阻尼装置损害率高 价格昂贵 并不适合我国国情 1 32 国内研究状况 随着我国公路事业的快速发展 山区高速公路得以大规模建设 通车里程已 超过l6 万公里 车辆运行车速的快速提高 交通事故率也随之上升 在山区高速 公路上 连续长大下坡路段的频繁出现 大型货车因刹车失灵导致的重特大交通 事敬显著增加 连续k 下坡路段往往成为 死亡之路 或 死亡谷 严重威胁驾 乘人员生命财产安全 近年来 通过国内外技术交流 国内的管理者和工程设计 人员也开始效仿国外的长陡坡处治的工程经验 在国内的高速公路和一般公路上 的连续长下坡路段设置紧急避险车道 1 9 9 8 年北京八达岭高速公路设置了国内第 一条紧急避险车道 其它各省市也陆续修建了一些紧急避险车道 如京珠高速 公路 泰赣高速公路等均在长陡坡处设置了避险车道 据统计 现在国内的避险 车道的数量将近8 0 条 在一定程度上取得了一定的效果 被司机称为 救命车道 例如 修建在风嵋公路罗汉洞坡道的避险车道投入使用3 年以来 使数百辆车成 功避险 挽回经济损失数千万元 图l4 云南高速公路紧急避险车道 f i g1 4t r u c ke s c a p er a m po ny u n n a ne x p r e s s w a y 自2 0 0 2 年以来 北京深华达和中路安公司陆续对蚓内多条长大下坡路段进行 了专项调研 取得了较丰富的第一手资料 2 0 0 3 年北京中路安平n 北京深华达公司 埘紧急避险车道碎石路床进行了初步的试验研究 取得碎石路床平均阻尼系数与 车辆质量 速度 紧急避脸车道纵面线形的关系等一些成果 这是我国首次对紧 急避险车道进行的专项研究 但是由于条件限制 当时的研究成果在研究深度上 存在较大不足 需进一步研究才能够更好的服务实际工程 誊 一 麴 田1 5 运城高速公路避睑车遭 f i 9 1 5t r u c ke s c a p er a m po ny u n c h e n ge x p r e s s w a y 近年来 毳国还相继在其它一些山区高速公路长下坡段修建了紧急避险车道 如河南焦晋 广东京珠 福建漳龙 云南元磨 重庆渝黔等多条高速公路上修建 了紧急避险车道 但由于对紧急避险理论和方法研究深度不够 尚没有形成一套 科学的紧急避险车道设计方法 已修建成的紧急避险车道中一些在实际应用中取 得了一定的效果 但也由一些存在比较严重的问题 图1 6 是发生在北京八达岭高速公路上的车祸 图中一辆装载着2 0 余吨汽油 的油罐车因为刹车失灵 一头冲向了路边的紧急避险车道 并将护墙撞毁 车头 悬在半空中 大量汽油外泄 所幸没有造成人员伤亡 一 一酗勰圈陲黧 第一章绪论 图16 油罐车冲出北京八达岭避险车遵 f i g l6t a n k e ro u to fb e i j i n gb a d a l l n gt r u c ke s c a p er a m p 由于我国紧急避险车道研究和应用起步较晚 相关的研究很少 相应的规范 或指南还没有出台 各地在紧急避险车道设置方面还没有统一的标准可以遵循 公路工程技术标准 u t gb 0 1 2 0 0 3 中只是规定在 连续长陡下坡路段 危及运 行安全处应设置避险车道 h 并没有规定避险车道具体的设置原则 现阶段 对 于己运营道路 国内在确定是否设置紧急避险车道时主要考虑的是失控车辆事故 数 对于新建道路 在设计阶段考虑是否设置紧急避险车道主要还是依靠设计人 员的主观判断 避险车道设置在线形 材料 减振等附属设施方面还存在一些问 题 给使用避险车道的司机和车辆带来了事故隐患 虽然国内对紧急避险车道的研究不多 但是连续长人f 坡路段重特大事故频 发的事实已经引起了国内研究人员的重视 交通部公路科学研究所的周荣贵 等人通过排除其他影响因素的实地试验 分别在汽车试验场和野外实地校验1 研究了车辆制动器温度和车辆刹车效能之间 的对应关系 分析表明 对应车辆刹车效能 制动器温度在2 0 0 c 以内为安全 在 2 0 0 3 0 0 之间为基本安全 超过3 0 0 为不安全 并结合长下坡路段的交通事故 分析 提出了山区公路连续下坡路段的平均纵坡和坡长限制要求 在车辆正常配载 各种制动设备完好的情况下 聚取辅助刹车措施后 公路越岭线的平均纵坡 不 应大于5 5 相对高差为2 0 0 m s 0 0 m 和5 相对高差大于5 0 0 m 而且任意 相连3 k m 路段的平均纵坡不宜大于55 并提 i 了交通组织和交通管理措施建议 在平均纵坡达到4 连续下坡3 k r a 以上时 宜增设紧急避险车道 北京工业大学的刘情文等人以某高速公路重人交通事故的统计分布和典型事 第一章绪论 故案例为基础数据 分析长大下坡安全隐患中的若干关键问题 发掘其中的要点 和规律 提出了一系列提高长大下坡路段安全性能的措施 并指出紧急避险车道 应设置在越界频率高的地段 1 2 1 3 1 以年为单位的越界频数砑 车辆驶出正常行车 道区域而驶入路侧区域事件的发生次数 为 e f e r 乃够 e e p g 皿 e f u 1 1 其中 职 越界频数 越界次数 公里 年 e r 平均越界频率 即标准路段单位交通量的越界频数 越界次数 公里 年 车 天 丁耽扩 有效交通流量 辆 天 e p 越界计算中的幂函数 矾 坡度调节系数 ef 曲线调节系数 t 皿 用户调节系数 合肥工业大学张建军等建立长下坡路段车辆制动温度预测模型 1 t 3 8 3 7 5 6 i 15 8 7 5 7 i n g i 7 4 6 9 8 i n v 8 2 2 6 6 h a l 1 2 其中 r 旆4 动鼓温度 g 下坡坡度影响因素 y 车辆下坡速度影响因素 k m h 工 距坡顶的距离影响因素 1 1 1 1 1 4 研究内容 1 长下坡路段交通事故特征分析 2 避险车道技术参数及计算方法 3 实车试验和数值模拟失控车辆在制动车道中的运行规律 并将研究成果应 用于云南水麻高速公路避险车道 4 避险车道配套交通安全设施分析 1 5 研究方案 1 在国内外研究成果的基础上 分析汽车在在下坡路段的受力特性和制动性 能 建立制动器温升模型 确定需要设置紧急避险车道的位置 并配合线形进行 合理设置 建立避险车道布设间距原则 并提出避险车道的设置原则 2 通过实车试验和数值模拟相结合 论证避险车道数值模拟的可行性 并数 值模拟失控车辆在避险车道中的运行规律 完善紧急避险车道的设计理论 提出 1 2 第一章绪论 紧急避险车道新的设计方法 3 长下坡路段的交通事故应主动预防 从交通安全设施的角度着手 对避险 车道交通辅助设施进行比较深入地研究 4 对水麻高速公路连续长大下坡路段设计特征 针对水麻高速公路设计情况 和沿线地形 水系分布 论证了水麻高速公路紧急避险车道设置参数合理性 提 出了水麻高速公路连续长下坡路段紧急避险车道设置建议 第二章长下坡路段避险车道设置技术研究 1 3 第二章长下坡路段避险车道设置技术研究 2 1 长下坡的界定 长大下坡路段一般指线形设计上出现的容易造成车辆长时间制动或空档滑行 的长距离 大坡度的路段 引 长大下坡依山傍崖 地势落差大 常伴随长上坡和 连续弯道 使得车辆长时间使用制动器 引起制动鼓过热而导致制动减弱或者失 效 进而车辆失控引发交通事故 川 不同国家 不同地区对长大下坡有不同的技 术要求 2 1 1 日本高速公路设计要领 表2 1 日本高速公路设计纵坡标准 最大容许纵坡 设计速度 k m h 标准最大纵坡绝对最大纵坡 1 2 025 4 1 0 036 5 8 047 6 6 058 6 注 括号内为寒冷地区采用的数值 根据设计车速 纵坡坡度要采用小于左栏所示的标准最大纵坡值 但当地形 及其他条件限制不得已 可以用到右栏所示的最大绝对值 而在寒冷积雪地区 绝对最大纵坡坡度要小于括号内的数值 此外 对于超出标准最大纵坡的路段 其坡长限值如表2 2 所示 表2 2 采用标准最大纵坡以上的坡度时的坡道限制 设计速度 1 a n h 1 2 01 0 08 06 0 坡度 345456 567678 限制坡长 m 8 0 05 0 04 0 07 0 05 0 04 0 06 0 05 0 04 0 05 0 04 0 03 0 0 注 设计车速8 0 6 0 k m h 容许最小速度不是设计速度的1 2 而分别是4 5 4 0 k m h 2 1 2 原联邦德国最大纵坡设计标准 关于事故与纵坡程度关系的调查研究表明 在单方向行车的公路上 下坡方 1 4 第二章长下坡路段避险车道设置技术研究 向的事故数要比山坡多 而且当纵坡坡度大于6 时 行车事故明显超出平均事故 数 因此 在其道路设计规范中 从经济性与安全性出发 对允许的最大纵坡进 行了表2 3 所示的规定 表2 3 联邦德国的最大纵坡设计标准 t a b l e 2 3t h el a r g e s tl o n g i t u d i n a lg r a d ed e s i g ns t a n d a r d so f 设计车速 1 0 r e h 4 05 06 07 08 09 01 0 01 2 0 最大纵坡 87654 54 2 1 3 东盟公路设计标准 东盟公路的设计标准按公路等级进行划分 如表2 4 所示 表2 4 东盟公路设计标准 公路分类重要公路一级公路二级 2 车道 三级 2 车道 地形分类 平原 丘陵山岭平原丘陵山岭 平原丘陵 山岭 平原丘陵 山岭 设计车速1 0 0 8 0 6 0 8 0 6 0 5 0 8 0 6 0 4 0 6 0 5 0 4 0 k m h 1 2 01 0 08 01 1 08 07 01 0 08 06 08 07 06 0 最大纵坡 4 5 6 5 6 7 6 7 8 6 7 8 2 1 4 美国a a s h t o 标准 美国公路协会 a a s h t o 按照典型货车 重量 功率比为1 2 0 k g k w 的爬坡 性能曲线 高速公路按照不同的设计速度 分地形给出了全国性应用的最大纵坡 控制值 表2 5 美国各级公路最大纵坡值 t a b l e 2 5m a x i m u ml o n g i t u d i n a lg r a d ev a l u ea ta l ll e v e l s 设计速度 k r n h 1 2 01 0 08 0 地形类别平原丘陵山岭平原丘陵山岭平原丘陵山岭 最大纵坡3 4 5 3 4 6 4 5 7 2 1 5 中国的公路工程技术标准 公路工程技术标准 例规定 高速公路即使纵坡为2 其坡长也不宜过长 第二章长下坡路段避险车道设置技术研究 1 5 二级以下道路当连续纵坡大于5 时 应在不大于表2 7 所规定的长度处设缓和坡 段 缓和坡段的纵坡应不大于3 其长度应符合纵坡最小坡长的规定 设计车速 k m h 1 2 01 0 08 06 04 03 02 0 最大纵坡 3456789 表2 7 不同纵坡的最大坡长 一最大坡长 m km h 1 2 01 0 08 06 04 03 02 0 最大坡长 m 3 9 0 01 0 0 0l 1 0 01 2 0 0 4 7 0 08 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 1 0 01 2 0 5 6 0 07 0 08 0 09 0 09 0 01 0 0 0 6 5 0 06 0 07 0 0 7 0 08 0 0 纵坡坡度 7 5 0 05 0 06 0 0 8 3 0 03 0 04 0 0 9 2 0 03 0 0 1 0 2 0 0 相比较而言 我国的最大纵坡设计标准要比这些国家和地区更为宽松 由于 我国大型货车在运输业中的比例逐年增加 法律法规机制不健全 尽管国家三令 五申严禁车辆超载超速 但是车辆超载仍然存在 这样的最大纵坡标准将会导致 超载车辆出现很多事故隐患 如此低的最大纵坡标准目的是减少纵坡长度 降低 工程造价 基于我国发展中国家的现状 最大纵坡的标准在短时间内不会变化 而且运输中大货车的比例增加和超载的现象也成为一种趋势的情况下 增设必要 的防治措施是一项很重要的事情 根据我国对长大下坡的设计标准 可确定高速路上的连续长下坡路段 并根 据道制动器温度模型 路沿线及周边的环境 确定设置避险车道 2 2 基本理论 2 2 1 定义和原理 避险车道 t r u c ke s c a p er a m p 是设置在连续长大下坡路段路侧的 通过把失控 1 6 第二章长下坡路段避险车道设置技术研究 车辆分离出主线交通流 并利用重力减速度和 或 滚动阻力的方法来消散其能量 进而控制失控车辆的特殊设施 1 它是专门为减慢失控车辆速度并使车辆安全停车 的辅助车道 是一种被动型道路安全设施 避险车道一般为上坡车道 表面为铺 满砂石或松软砂砾的制动层 其原理 叫是利用汽车上坡时的重力和轮胎与路面产 生的滚动阻力使失控车辆的动能转化为重力势能和抗路面摩擦的能量 从而使车 辆降低车速直至安全停止 因此制动层的目的是增加大型车辆的流动摩擦阻力 这种增加的流动摩擦还能阻止大型车辆在停车后向下翻转 一条完善的避险车道应由引道 避险车道 服务车道及其他附属设施组成 图2 1 避险车道示意图 f i g 2 1d i a g r a mo ft r u c ke s c a p er a m p 2 2 2 作用 紧急避险车道的作用可以归纳为两个方面 1 使失控车辆从主线中分流 避 免对主线车辆的干扰 2 在紧急避险车道上 使失控车辆在安全的减速度下平稳 地停车 不应出现驾乘人员受伤 车辆严重受损的现象 避险车道的广泛应用不仅是对交通事故的预防性作用 还产生巨大的经济效 益 19 8 9 年美国联邦公路管n j f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n 在 g r a d es e v e d t y r a t i n gs y s t e m g s r s 卜用户手册 中给出了避险车道的经济效益 据此报告统 计 在某一多山州 1 6 的货车事故都是由于车辆在下坡路段冲出车道所造成 1 9 8 1 年全国公路交通安全委员会 n h t s a 估计每年总计发生2 4 5 0 起货车冲出路外的交 通事故造成的经济损失达3 7 亿美元 其中2 1 5 0 起货车冲出路外时应用了避险车 道 其事故损失略高于0 1 亿美元 在其余的3 0 0 起事故中 冲出路外的货车没有 采用避险车道 事故损失达3 6 亿美元 由此可见 避险车道所产生的经济效益非 第二章长下坡路段避险车道设置技术研究 1 7 i 司一般 2 2 3 类型 根据地形 环境 气候 造价和养护维修等方面综合考虑 目前避险车道多 采用的四种形式 1 如图2 2 所示 纵坡坡度增加的避险车道 水平的避险车道 纵坡坡度降低的避险车道 砂堆式避险车道 其中最为经济合理的形式是纵坡坡 度增加的避险车道 它能最有效的降低车速 保证安全 效果最差的是纵坡坡度 降低的避险车道 仅用于地形受限制等特殊情况下 这几种类型的紧急避险车道 的造价相对低廉 在国内比较多的采用的就是这几种砂坑型的紧急避险车道 尤 其是纵坡坡度增加的避险车道的应用比较多 一 卅繇颡瓢 公西 o o 避险车道 公路 一 醒碟 碟 c 水平的避险车道 d 砂堆式避险车道 图2 2避险车道类型 f i g 2 2t y p e so ft r u c ke s c a p er a m p 避险车道根据路面材料和避险车道纵坡 分为3 种类型 引 重力分布式路床 砂堆式路床和制动式路床 1 重力分布式路床 在数十年前较普遍 通常是集材 道路或其它废弃的旧道路 这种避险车道的长度和比较陡的纵坡不仅能够确保失 控的车辆能够及时停车 而且能够解决车辆退回的问题 2 砂堆式避险路床 通 常是一系列 按一定间隔堆放的货车荷载 在避险车道的早期时普遍使用 多用 于纵坡和线形条件受限的东部各州 这类避险车道是利用车辆的重力使得车辆降 低车速 3 制动式避险路床 主要是通过在路面上铺装大而松散的集料来取得较 大的滚动阻力 此类避险车道可以应用在如下情形 平坦地区 下坡路段 或在 受限地形条件用于改变匝道的纵坡坡度 由于重力型和砂堆型避险车道存在较大 的弊端 现在工程中已渐渐停止使用 制动式避险路床 因其具有不受匝道坡度 限制等优点 已成为最普遍和最安全的避险车道形式 目前我国避险车道均以砂 床型为主 1 8 第二章长下坡路段避险车道设置技术研究 2 3 设置原则和设置位置 2 3 1 设置原则 规范u 对避险车道的设置原则仅有以下规定 连续长陡下坡路段 为减轻 失控车辆的损失或危及