张 波

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

避险车道是在公路主线外侧设置，供失控车辆驶离主线安全减速的专用车道。目前针对避险车道设计尚无专用规范，设计人员主要基于工程经验进行设计，对避险车道设计参数没有定量计算方法。这导致在避险车道设计中出现了一些问题，比如：避险车道长度不足，导致失控车辆冲出避险车道；避险车道纵坡过大，与公路主线交角过大；避险车道制动段缺乏足够长度的引导等。本文通过对失控车辆行驶过程以及受力情况分析，对失控车辆速度进行了计算。在此基础上，提出了避险车道主要设计参数的定量计算方法。

1 车辆失控位置判定方法

避险车道设置的目的是截停失控车辆，为失控车辆提供自救机会，避免造成更大的人员伤亡及财产损失。因此避险车道应选择设置在能最大限度截停失控车辆的位置。

因此，避险车道设置之前需要首先明确车辆失控的位置。对于已运营公路，可以通过事故调查确定车辆失控位置。对于新建公路则需要通过实验研究确定。1989年美国联邦公路局提出了坡度严重率分级法，该研究发现车辆下坡时，制动器超过一定温度限制（260 ℃）时，容易发生制动失效的情况，将此时的位置定义为车辆失控位置。

近些年来，针对我国的车辆与公路情况，相关单位展开了一系列研究，制定了制动器温度模型，来预测货车制动器容易失效的位置；例如某一模型选用车型为55 t 的大货车，该车型在正常下坡速度60 km/h、制动器温度超过260 ℃时的位置为车辆失控位置。该模型为：

模型中：Tz为车辆下坡时某位置的刹车片计算温度，℃；Tq为车辆刹车片初始温度，℃，取坡顶位置130 ℃；l为路段的长度，m；i为路段的下坡坡度，%。

2 失控车辆行驶过程分析

车辆失控位置为避险车道设置的理论位置，但在实际情况中，避险车道实际位置要根据主线线形及构筑物情况、周边地形、工程造价予以调整，从车辆失控位置到避险车道实际位置之间的距离为调整范围长度[1]。

图1 失控车辆行驶速度变化示意图

车辆在失控位置的速度为v0；制动器失效后，在重力作用下，车辆加速进入避险车道引道，此时速度为v1；车辆经过避险车道引道到达避险车道制动段时的速度为v2，在重力与滚动阻力作用下，最终车辆减速停止，其变化过程如图1所示。

3 车辆速度计算

通过车辆在坡道上的受力分析，计算车辆在制动器失控下的速度。忽略空气阻力的影响，失控车辆在上坡路段的受力如图2 所示，失控车辆在下坡路段的受力如图3所示。图中，G为车辆受到的重力，FN为路面反作用力，Fk为滚动阻力，θ 为坡道倾角。

图2 失控车辆在上坡路段的受力示意图

图3 失控车辆在下坡路段的受力示意图

对失控车辆进行受力分析，根据牛顿第二定律，得到式（1）：

结合摩擦力公式，得到式（2）：

由于θ 较小，sinθ≈tanθ≈i，cosθ≈1。式（2）简化后得到失控车辆在上坡路段加速度计算式（3）：

同理可得到失控车辆在下坡路段的加速度计算式（4）：

式（1）～式（4）中：Fk为滚动阻力，N；G为重力，N；m为质量，kg；a为车辆加速度，m/s2；k为滚动阻力系数；i为车道纵坡绝对值；θ 为车道坡度角；g 为重力加速度，取值为9.8 m/s2。

根据牛顿运动定律，得到式（5）：

由于θ 较小，cosθ≈1，分别将式（3）、式（4）代入后可得到车辆在上坡路段初始速度与终止速度的关系式（6），下坡路段初始速度与终止速度的关系式（7）。

式（5）～式（7）中：Vz为某一路段车辆终止速度，km/h；Vc为某一路段车辆初始速度，km/h；a为车辆加速度，m/s2；L为坡道水平投影长，m；θ 为车道坡度角；k为滚动阻力系数；i为车道纵坡绝对值。

4 避险车道设计分析

4.1 引道设计

引道连接着主线与避险车道，可以给失控车辆驾驶员提供足够的反应时间驶入制动坡床，同时避免制动坡床上的石子飞溅到主线行车道上。

引道分为渐变段与引入段两部分。渐变段长度受避险车道与主线夹角及避险车道横断面宽度的影响。失控车辆由主线驶入引道渐变段时，需要转向。为方便失控车辆进入避险车道，避免因车速过快导致车辆转向时发生侧翻，避险车道与主线夹角不宜过大，以3°～5°为宜，最大不能超过15°。

为保证失控车辆能顺利驶入避险车道，引道和制动段的平面线形应为直线。竖曲线一般设置在引道的引入段，避免设置在制动段。因为失控车辆行驶速度快，在竖曲线上将受到较大的向心力，同时在制动段上滚动阻力较大，车辆将受到很大的合力。若超出车辆承受范围，将给司乘人员带来危险。

图4 避险车道平面与纵断面示意图

引入段长度主要受引道与制动段竖曲线的影响。一般情况下，引道与制动段为反向坡，坡差较大，并且失控车辆行驶速度较高，若要保证竖曲线半径满足视距要求，则引入段长度过长，实际地形条件下难以满足。为保证驾驶员进入制动段前有一定的准备时间，建议引入段长度以保证驾驶员3 s 准备时间为宜。竖曲线半径在引入段长度范围内合理选取。

由上述分析可知，通过计算车辆到达避险车道引道时的速度可以确定引入段长度。

4.2 制动段设计

制动段长度主要受失控车辆进入制动段时的速度、制动段纵坡以及制动坡床材料的影响。

制动段设计时选择合适的制动坡床材料最为关键。良好的制动坡床材料具有较高的滚动阻尼系数，可以使车辆更容易陷入，帮助失控车辆尽快停下来；同时失控车辆停下来后，不会因为制动段纵坡原因在自重作用产生滑动。这都有助于缩短制动段长度。制动段纵坡值取值一般为10%～20%。表1 为轮胎与不同材料之间的滚动阻力系数。

表1 轮胎与不同材料之间的滚动阻力系数[2]

对车辆在上坡路段处于静止状态下进行受力分析，如图5所示。图中，G为车辆受到的重力，FN为路面反作用力，Fk为滚动阻力，θ 为坡道倾角。

图5 车辆在制动段的处于静止状态下受力示意图

经过分析可知，车辆处于静止状态下的条件为：

由于θ 较小，，结合摩擦力公式简化后，可得到制动段最大纵坡取值为：

式（8）、式（9）中：Fk为滚动阻力，N；G为重力，N；k为滚动阻力系数；i为车道纵坡绝对值；θ 为车道坡度角；b为安全系数，取值为0.8。

由上述分析可知，制动坡床材料的滚动阻力系数决定了制动段纵坡最大值，以坡床材料豆砾石为例，豆砾石滚动阻力系数为0.250，其制动段纵坡最大值为20%。在确定制动坡床材料及制动段纵坡的情况下，通过计算车辆到达避险车道制动段时的初始速度与终止速度可以确定制动段长度。

4.3 横断面设计

避险车道横断面主要由路侧防护设施、制动段坡床、服务车道组成。

路侧防护设施设置在避险车道两侧，起到避免失控车辆翻出避险车道以及导向的作用。路侧防护设施可采用波形梁护栏、混凝土护栏或防撞墙。制动坡床是避险车道的核心组成部分，其宽度不小于4.5 m，条件具备时应尽量提供更大的宽度。服务车道用于救援或养护车辆使用，为满足起重机械固定的需要，服务车道的宽度宜为5.5 m。在多数情况下，受到地形条件限制，避险车道横断面所需宽度往往无法满足，此时可再适当缩减服务车道的宽度。

5 避险车道识别视距

车辆制动失效时，驾驶人心理处于极度恐慌状态，避险车道较好的视认性有利于驾驶人及时做出进入避险车道的决定，并操纵车辆顺利进入避险车道。

避险车道入口之前宜采用不小于表2 规定的识别视距。条件受限时识别视距应大于1.25 倍的主线停车视距。通过计算车辆到达避险车道入口处的速度，可以对避险车道入口位置进行识别视距验证。

表2 避险车道入口的识别视距[3]

6 防撞消能设施

避险车道末端应设置防撞桶、废轮胎等缓冲装置或设施，以达到防撞消能、避免失控车辆冲出避险车道的目的。但是为节约工程造价，通过设置消能设施来减小制定坡床长度的方法不可取。原因是当车辆以较高速度发生撞击时，巨大的水平加速度会转化为垂直加速度；并且前轮制动后，加速度并未传递到后轮，货厢仍然以较高速度向前运动，这些情况都会给司乘人员带来生命危险。

当由于地形原因导致制动段长度确实无法满足要求时，应对失控车辆与防撞消能设施发生撞击时的速度进行计算分析，保证撞击时的速度不超过40 km/h[4]。

7 实例分析

以某省道设置避险车道为例，对货车代表车型进行理论模型分析，路段下坡纵坡为3%，货车正常下坡速度为60 km/h，车辆失控位置为K38+320 处。由于该处为桥梁段，不具备设置避险车道的条件，避险车道调整位置后，设置于K39+500 处。结合现场地形，避险车道与省道主线夹角选取为5°，避险车道横断面组成为0.5 m 设施带+4.5 m 制动坡床+3.5 m 服务车道+0.5 m 设施带=9 m。主线路面为沥青混凝土路面，服务车道路面结构与主线相同。避险车道制动坡床材料选取为豆砾石，从制动坡床入口至前方由8～10 cm 过渡至45～90 cm。

对失控车辆进行速度计算分析，如表3所示。

表3 失控车辆速度分析 km/h

根据速度计算结果，对避险车道入口进行视距验证，满足规范要求；选取避险车道设计参数如下：避险车道引道渐变段长度65 m，引道引入段长度80 m。制动坡床纵坡为15%，长度95 m。

8 结语

目前设计人员对避险车道设计主要依据工程经验，尚无定量计算方法。本文通过对失控车辆行驶过程以及受力情况分析，应用定量计算方法确定避险车道设计参数，为避险车道设计提供参考。