張 波

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

避險(xiǎn)車(chē)道是在公路主線(xiàn)外側(cè)設(shè)置，供失控車(chē)輛駛離主線(xiàn)安全減速的專(zhuān)用車(chē)道。目前針對(duì)避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)尚無(wú)專(zhuān)用規(guī)范，設(shè)計(jì)人員主要基于工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)參數(shù)沒(méi)有定量計(jì)算方法。這導(dǎo)致在避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了一些問(wèn)題，比如：避險(xiǎn)車(chē)道長(zhǎng)度不足，導(dǎo)致失控車(chē)輛沖出避險(xiǎn)車(chē)道；避險(xiǎn)車(chē)道縱坡過(guò)大，與公路主線(xiàn)交角過(guò)大；避險(xiǎn)車(chē)道制動(dòng)段缺乏足夠長(zhǎng)度的引導(dǎo)等。本文通過(guò)對(duì)失控車(chē)輛行駛過(guò)程以及受力情況分析，對(duì)失控車(chē)輛速度進(jìn)行了計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，提出了避險(xiǎn)車(chē)道主要設(shè)計(jì)參數(shù)的定量計(jì)算方法。

1 車(chē)輛失控位置判定方法

避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)置的目的是截停失控車(chē)輛，為失控車(chē)輛提供自救機(jī)會(huì)，避免造成更大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。因此避險(xiǎn)車(chē)道應(yīng)選擇設(shè)置在能最大限度截停失控車(chē)輛的位置。

因此，避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)置之前需要首先明確車(chē)輛失控的位置。對(duì)于已運(yùn)營(yíng)公路，可以通過(guò)事故調(diào)查確定車(chē)輛失控位置。對(duì)于新建公路則需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定。1989年美國(guó)聯(lián)邦公路局提出了坡度嚴(yán)重率分級(jí)法，該研究發(fā)現(xiàn)車(chē)輛下坡時(shí)，制動(dòng)器超過(guò)一定溫度限制（260 ℃）時(shí)，容易發(fā)生制動(dòng)失效的情況，將此時(shí)的位置定義為車(chē)輛失控位置。

近些年來(lái)，針對(duì)我國(guó)的車(chē)輛與公路情況，相關(guān)單位展開(kāi)了一系列研究，制定了制動(dòng)器溫度模型，來(lái)預(yù)測(cè)貨車(chē)制動(dòng)器容易失效的位置；例如某一模型選用車(chē)型為55 t 的大貨車(chē)，該車(chē)型在正常下坡速度60 km/h、制動(dòng)器溫度超過(guò)260 ℃時(shí)的位置為車(chē)輛失控位置。該模型為：

模型中：Tz為車(chē)輛下坡時(shí)某位置的剎車(chē)片計(jì)算溫度，℃；Tq為車(chē)輛剎車(chē)片初始溫度，℃，取坡頂位置130 ℃；l為路段的長(zhǎng)度，m；i為路段的下坡坡度，%。

2 失控車(chē)輛行駛過(guò)程分析

車(chē)輛失控位置為避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)置的理論位置，但在實(shí)際情況中，避險(xiǎn)車(chē)道實(shí)際位置要根據(jù)主線(xiàn)線(xiàn)形及構(gòu)筑物情況、周邊地形、工程造價(jià)予以調(diào)整，從車(chē)輛失控位置到避險(xiǎn)車(chē)道實(shí)際位置之間的距離為調(diào)整范圍長(zhǎng)度[1]。

圖1 失控車(chē)輛行駛速度變化示意圖

車(chē)輛在失控位置的速度為v0；制動(dòng)器失效后，在重力作用下，車(chē)輛加速進(jìn)入避險(xiǎn)車(chē)道引道，此時(shí)速度為v1；車(chē)輛經(jīng)過(guò)避險(xiǎn)車(chē)道引道到達(dá)避險(xiǎn)車(chē)道制動(dòng)段時(shí)的速度為v2，在重力與滾動(dòng)阻力作用下，最終車(chē)輛減速停止，其變化過(guò)程如圖1所示。

3 車(chē)輛速度計(jì)算

通過(guò)車(chē)輛在坡道上的受力分析，計(jì)算車(chē)輛在制動(dòng)器失控下的速度。忽略空氣阻力的影響，失控車(chē)輛在上坡路段的受力如圖2 所示，失控車(chē)輛在下坡路段的受力如圖3所示。圖中，G為車(chē)輛受到的重力，F(xiàn)N為路面反作用力，F(xiàn)k為滾動(dòng)阻力，θ 為坡道傾角。

圖2 失控車(chē)輛在上坡路段的受力示意圖

圖3 失控車(chē)輛在下坡路段的受力示意圖

對(duì)失控車(chē)輛進(jìn)行受力分析，根據(jù)牛頓第二定律，得到式（1）：

結(jié)合摩擦力公式，得到式（2）：

由于θ 較小，sinθ≈tanθ≈i，cosθ≈1。式（2）簡(jiǎn)化后得到失控車(chē)輛在上坡路段加速度計(jì)算式（3）：

同理可得到失控車(chē)輛在下坡路段的加速度計(jì)算式（4）：

式（1）～式（4）中：Fk為滾動(dòng)阻力，N；G為重力，N；m為質(zhì)量，kg；a為車(chē)輛加速度，m/s2；k為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為車(chē)道縱坡絕對(duì)值；θ 為車(chē)道坡度角；g 為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律，得到式（5）：

由于θ 較小，cosθ≈1，分別將式（3）、式（4）代入后可得到車(chē)輛在上坡路段初始速度與終止速度的關(guān)系式（6），下坡路段初始速度與終止速度的關(guān)系式（7）。

式（5）～式（7）中：Vz為某一路段車(chē)輛終止速度，km/h；Vc為某一路段車(chē)輛初始速度，km/h；a為車(chē)輛加速度，m/s2；L為坡道水平投影長(zhǎng)，m；θ 為車(chē)道坡度角；k為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為車(chē)道縱坡絕對(duì)值。

4 避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)分析

4.1 引道設(shè)計(jì)

引道連接著主線(xiàn)與避險(xiǎn)車(chē)道，可以給失控車(chē)輛駕駛員提供足夠的反應(yīng)時(shí)間駛?cè)胫苿?dòng)坡床，同時(shí)避免制動(dòng)坡床上的石子飛濺到主線(xiàn)行車(chē)道上。

引道分為漸變段與引入段兩部分。漸變段長(zhǎng)度受避險(xiǎn)車(chē)道與主線(xiàn)夾角及避險(xiǎn)車(chē)道橫斷面寬度的影響。失控車(chē)輛由主線(xiàn)駛?cè)胍罎u變段時(shí)，需要轉(zhuǎn)向。為方便失控車(chē)輛進(jìn)入避險(xiǎn)車(chē)道，避免因車(chē)速過(guò)快導(dǎo)致車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生側(cè)翻，避險(xiǎn)車(chē)道與主線(xiàn)夾角不宜過(guò)大，以3°～5°為宜，最大不能超過(guò)15°。

為保證失控車(chē)輛能順利駛?cè)氡茈U(xiǎn)車(chē)道，引道和制動(dòng)段的平面線(xiàn)形應(yīng)為直線(xiàn)。豎曲線(xiàn)一般設(shè)置在引道的引入段，避免設(shè)置在制動(dòng)段。因?yàn)槭Э剀?chē)輛行駛速度快，在豎曲線(xiàn)上將受到較大的向心力，同時(shí)在制動(dòng)段上滾動(dòng)阻力較大，車(chē)輛將受到很大的合力。若超出車(chē)輛承受范圍，將給司乘人員帶來(lái)危險(xiǎn)。

圖4 避險(xiǎn)車(chē)道平面與縱斷面示意圖

引入段長(zhǎng)度主要受引道與制動(dòng)段豎曲線(xiàn)的影響。一般情況下，引道與制動(dòng)段為反向坡，坡差較大，并且失控車(chē)輛行駛速度較高，若要保證豎曲線(xiàn)半徑滿(mǎn)足視距要求，則引入段長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，實(shí)際地形條件下難以滿(mǎn)足。為保證駕駛員進(jìn)入制動(dòng)段前有一定的準(zhǔn)備時(shí)間，建議引入段長(zhǎng)度以保證駕駛員3 s 準(zhǔn)備時(shí)間為宜。豎曲線(xiàn)半徑在引入段長(zhǎng)度范圍內(nèi)合理選取。

由上述分析可知，通過(guò)計(jì)算車(chē)輛到達(dá)避險(xiǎn)車(chē)道引道時(shí)的速度可以確定引入段長(zhǎng)度。

4.2 制動(dòng)段設(shè)計(jì)

制動(dòng)段長(zhǎng)度主要受失控車(chē)輛進(jìn)入制動(dòng)段時(shí)的速度、制動(dòng)段縱坡以及制動(dòng)坡床材料的影響。

制動(dòng)段設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的制動(dòng)坡床材料最為關(guān)鍵。良好的制動(dòng)坡床材料具有較高的滾動(dòng)阻尼系數(shù)，可以使車(chē)輛更容易陷入，幫助失控車(chē)輛盡快停下來(lái)；同時(shí)失控車(chē)輛停下來(lái)后，不會(huì)因?yàn)橹苿?dòng)段縱坡原因在自重作用產(chǎn)生滑動(dòng)。這都有助于縮短制動(dòng)段長(zhǎng)度。制動(dòng)段縱坡值取值一般為10%～20%。表1 為輪胎與不同材料之間的滾動(dòng)阻力系數(shù)。

表1 輪胎與不同材料之間的滾動(dòng)阻力系數(shù)[2]

對(duì)車(chē)輛在上坡路段處于靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行受力分析，如圖5所示。圖中，G為車(chē)輛受到的重力，F(xiàn)N為路面反作用力，F(xiàn)k為滾動(dòng)阻力，θ 為坡道傾角。

圖5 車(chē)輛在制動(dòng)段的處于靜止?fàn)顟B(tài)下受力示意圖

經(jīng)過(guò)分析可知，車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)下的條件為：

由于θ 較小，，結(jié)合摩擦力公式簡(jiǎn)化后，可得到制動(dòng)段最大縱坡取值為：

式（8）、式（9）中：Fk為滾動(dòng)阻力，N；G為重力，N；k為滾動(dòng)阻力系數(shù)；i為車(chē)道縱坡絕對(duì)值；θ 為車(chē)道坡度角；b為安全系數(shù)，取值為0.8。

由上述分析可知，制動(dòng)坡床材料的滾動(dòng)阻力系數(shù)決定了制動(dòng)段縱坡最大值，以坡床材料豆礫石為例，豆礫石滾動(dòng)阻力系數(shù)為0.250，其制動(dòng)段縱坡最大值為20%。在確定制動(dòng)坡床材料及制動(dòng)段縱坡的情況下，通過(guò)計(jì)算車(chē)輛到達(dá)避險(xiǎn)車(chē)道制動(dòng)段時(shí)的初始速度與終止速度可以確定制動(dòng)段長(zhǎng)度。

4.3 橫斷面設(shè)計(jì)

避險(xiǎn)車(chē)道橫斷面主要由路側(cè)防護(hù)設(shè)施、制動(dòng)段坡床、服務(wù)車(chē)道組成。

路側(cè)防護(hù)設(shè)施設(shè)置在避險(xiǎn)車(chē)道兩側(cè)，起到避免失控車(chē)輛翻出避險(xiǎn)車(chē)道以及導(dǎo)向的作用。路側(cè)防護(hù)設(shè)施可采用波形梁護(hù)欄、混凝土護(hù)欄或防撞墻。制動(dòng)坡床是避險(xiǎn)車(chē)道的核心組成部分，其寬度不小于4.5 m，條件具備時(shí)應(yīng)盡量提供更大的寬度。服務(wù)車(chē)道用于救援或養(yǎng)護(hù)車(chē)輛使用，為滿(mǎn)足起重機(jī)械固定的需要，服務(wù)車(chē)道的寬度宜為5.5 m。在多數(shù)情況下，受到地形條件限制，避險(xiǎn)車(chē)道橫斷面所需寬度往往無(wú)法滿(mǎn)足，此時(shí)可再適當(dāng)縮減服務(wù)車(chē)道的寬度。

5 避險(xiǎn)車(chē)道識(shí)別視距

車(chē)輛制動(dòng)失效時(shí)，駕駛?cè)诵睦硖幱跇O度恐慌狀態(tài)，避險(xiǎn)車(chē)道較好的視認(rèn)性有利于駕駛?cè)思皶r(shí)做出進(jìn)入避險(xiǎn)車(chē)道的決定，并操縱車(chē)輛順利進(jìn)入避險(xiǎn)車(chē)道。

避險(xiǎn)車(chē)道入口之前宜采用不小于表2 規(guī)定的識(shí)別視距。條件受限時(shí)識(shí)別視距應(yīng)大于1.25 倍的主線(xiàn)停車(chē)視距。通過(guò)計(jì)算車(chē)輛到達(dá)避險(xiǎn)車(chē)道入口處的速度，可以對(duì)避險(xiǎn)車(chē)道入口位置進(jìn)行識(shí)別視距驗(yàn)證。

表2 避險(xiǎn)車(chē)道入口的識(shí)別視距[3]

6 防撞消能設(shè)施

避險(xiǎn)車(chē)道末端應(yīng)設(shè)置防撞桶、廢輪胎等緩沖裝置或設(shè)施，以達(dá)到防撞消能、避免失控車(chē)輛沖出避險(xiǎn)車(chē)道的目的。但是為節(jié)約工程造價(jià)，通過(guò)設(shè)置消能設(shè)施來(lái)減小制定坡床長(zhǎng)度的方法不可取。原因是當(dāng)車(chē)輛以較高速度發(fā)生撞擊時(shí)，巨大的水平加速度會(huì)轉(zhuǎn)化為垂直加速度；并且前輪制動(dòng)后，加速度并未傳遞到后輪，貨廂仍然以較高速度向前運(yùn)動(dòng)，這些情況都會(huì)給司乘人員帶來(lái)生命危險(xiǎn)。

當(dāng)由于地形原因?qū)е轮苿?dòng)段長(zhǎng)度確實(shí)無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，應(yīng)對(duì)失控車(chē)輛與防撞消能設(shè)施發(fā)生撞擊時(shí)的速度進(jìn)行計(jì)算分析，保證撞擊時(shí)的速度不超過(guò)40 km/h[4]。

7 實(shí)例分析

以某省道設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道為例，對(duì)貨車(chē)代表車(chē)型進(jìn)行理論模型分析，路段下坡縱坡為3%，貨車(chē)正常下坡速度為60 km/h，車(chē)輛失控位置為K38+320 處。由于該處為橋梁段，不具備設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道的條件，避險(xiǎn)車(chē)道調(diào)整位置后，設(shè)置于K39+500 處。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形，避險(xiǎn)車(chē)道與省道主線(xiàn)夾角選取為5°，避險(xiǎn)車(chē)道橫斷面組成為0.5 m 設(shè)施帶+4.5 m 制動(dòng)坡床+3.5 m 服務(wù)車(chē)道+0.5 m 設(shè)施帶=9 m。主線(xiàn)路面為瀝青混凝土路面，服務(wù)車(chē)道路面結(jié)構(gòu)與主線(xiàn)相同。避險(xiǎn)車(chē)道制動(dòng)坡床材料選取為豆礫石，從制動(dòng)坡床入口至前方由8～10 cm 過(guò)渡至45～90 cm。

對(duì)失控車(chē)輛進(jìn)行速度計(jì)算分析，如表3所示。

表3 失控車(chē)輛速度分析 km/h

根據(jù)速度計(jì)算結(jié)果，對(duì)避險(xiǎn)車(chē)道入口進(jìn)行視距驗(yàn)證，滿(mǎn)足規(guī)范要求；選取避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)參數(shù)如下：避險(xiǎn)車(chē)道引道漸變段長(zhǎng)度65 m，引道引入段長(zhǎng)度80 m。制動(dòng)坡床縱坡為15%，長(zhǎng)度95 m。

8 結(jié)語(yǔ)

目前設(shè)計(jì)人員對(duì)避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，尚無(wú)定量計(jì)算方法。本文通過(guò)對(duì)失控車(chē)輛行駛過(guò)程以及受力情況分析，應(yīng)用定量計(jì)算方法確定避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)參數(shù)，為避險(xiǎn)車(chē)道設(shè)計(jì)提供參考。