山区高速公路危险路段交通安全设施系统的研究报告简本.docx

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山区高速公路危险路段交通安全设施系统的研究报告简本

山区高速公路危险路段交通安全设施系统的研究

报告简本

1.引言

1.1项目研究背景

随着我国经济的快速发展，高速公路的建设重心正逐渐从东部的平原微丘区进入中西部的山岭重丘区，连续长下坡路段越来越多。

车辆（特别是大型货车）在这些路段行驶时，常常由于连续制动造成刹车失灵，引起追尾、坠崖或穿越中分带与对向车辆相撞的重大恶性事故。

国内近年来开展了一些与长下坡安全治理相关的研究工作，但对于当车辆在长下坡路段已经制动失灵时，应该采用什么方法或使用哪些安全防护设施来降低事故的危害性方面还没有系统的解决方案。

为解决上述问题，本课题以高速公路长下坡危险路段为研究对象，以调查数据资料为依据，以解决云南蒙新高速公路38公里连续长下坡路段行车安全问题为目标，提出车辆制动失灵概率的预测方法，研发长下坡路段制动失灵车辆专用减速带、消能减速护栏、网索式避险车道等三种新型安全设施，并总结分析长下坡路段安全设施的设计方法及施工工艺技术，编制《连续长下坡路段安全保障系统设计与施工指南》，为相关标准规范提出依据。

1.2项目研究目的和意义

通过本项目新技术的研究，结合应用现有技术成果，能够为长下坡危险路段的行车安全提出系统的解决方法，减少或避免重大交通事故的发生，大幅度降低事故死亡率，提高高速公路长下坡路段的服务质量和运营效益，同时也较好的解决依托工程蒙新路连续长下坡路段的行车安全问题。

1.3主要研究内容

子题一——山区高速公路危险路段安全预评估技术的研究

1）山区高速公路危险路段安全预评估技术的研究

2）安全预评估方法的研究

3）对依托工程蒙新路连续危险下坡路段的安全预评估

子题二——长下坡路段制动失灵车辆专用减速带的研究

1）长下坡路段制动失灵车辆专用减速带减速机理的研究。

2）减速垄结构及其性能的研究。

3）长下坡路段制动失灵车辆专用减速带总体布设方法的研究。

4）减速垄制造工艺的研究。

5）施工工艺和养护技术的研究。

子题三——消能减速护栏的研究

1）护栏碰撞试验条件的确定

2）车辆与护栏贴靠作用机理的研究

3）护栏迎撞摩擦面设计

4）护栏结构强度设计

5）施工工艺及维修养护技术研究

子题四——网索避险车道的研究

1）总体结构设计及原理分析

2）阻尼器与拦截网索设计

3）低速网索试验研究

4）网索避险车道高速实车试验

5）依托工程应用研究

子题五——编制《连续长下坡路段安全保障系统设计与施工指南》

1）连续下坡路段驾驶行为

2）连续下坡路段危险等级

3）连续下坡路段安全预评估

4）避险车道设计

5）路侧护栏设计

6）标志标线设计

7）管理与服务设施设计

8）速度管理与控制设施设计

9）连续下坡安全保障系统设计

2.国内外研究现状

美国、英国、澳大利亚等发达国家已经建立了道路安全影响评价体系（RoadSafetyImpactAssessment，简称RIA），在交通运输基础设施项目决策过程和规划阶段，对道路安全进行明确的论证，从而减少了道路交通事故隐患。

我国在交通安全评价方面也有很多相关研究成果，但是，针对山区高速公路连续长下坡路段的交通安全预评估在国内还没有进行过专项研究。

目前，国内外尚没有见到用于对刹车失灵车辆进行强制减速的路面结构或安全设施。

道路上设置的减速设施大多数是警示性的，其目的是提醒或迫使驾驶员采取制动措施，降低车速，保证行车安全。

在护栏设计方面，国内外目前的研究经验只针对其防撞功能，未考虑车辆主动碰撞时的消能作用。

将消能减速护栏作为一种特殊交通安全设施，应用于长大下坡路段，国内外未进行过专门研究。

经过十余年的实际应用发现，目前广泛应用的碎石路床避险车道存在结构本身不尽合理，一些路段无法设置碎石路床避险车道等问题。

近几年，美国一些公司开始致力于新型网索式避险车道的开发，这种网索避险车道原理简单布设方便，已经在美国公路上使用。

然而该设施是不可重复利用的一次性设施，使用、养护成本很高，且多为专利技术，不适合我国直接采用。

3.长下坡路段安全预评估技术的研究

3.1长下坡路段安全预评估指标的确定

根据调查结果显示，造成长下坡路段的安全事故诱因主要只有“制动失灵”一个，采用国内外普遍使用的安全评价方法不能得到准确的模型。

因此，在综合分析已有研究成果和长下坡路段事故特点的情况下，选定车辆制动失灵事件发生概率和事故发生次数作为两个预测指标，用某一连续下坡路段一年内（任何一种车型）可能开始发生1次制动失灵事件的事故点作为判定安全的依据。

3.2大型货车制动效能热衰退现象的理论分析

车辆在连续长下坡路段行驶时，如果不采取发动机制动、排气制动等辅助制动措施，其行车制动器就必须较长时间地、连续地做大强度的制动。

当大量的汽车势能转化为制动器的热能又来不及散发掉时，必然引起摩擦副温度的升高，导致制动器的摩擦系数会变小，使得摩擦力矩显著降低，从而使汽车的制动性能明显下降，甚至完全失去制动性能，这种现象即为制动效能的热衰退。

3.3连续长下坡路段车辆制动失灵预测模型建立

在建模中主要依据福建漳龙高速公路的制动失灵事故数据回归分析出模型的参数A和

。

根据调查报告中福建漳龙高速连续长下坡路段的道路线形和事故记录数据，运用式W=mg∑Siρi（1-f/ρi）*（1-e-kv），可以求得每一个发生制动失灵事故的车辆制动器吸收的能量值。

结合连续长下坡路段的交通量，可以计算出制动失灵事故中制动器吸收的能量在小于等于某一个数值时的制动失灵概率。

由车辆制动失灵的概率和能量值的对应关系，回归方程中的参数A和

可用最小二乘法求得，也就是求出使估计值

与我们实际调查的值p（w）i的误差平方和Q=

为最小的一套回归系数A和

值。

通过计算可以求得A值为6.282*10-7，

为0.6359×107（单位：

焦耳）。

所以连续长下坡路段车辆制动失灵预测模型为：

3.4制动失灵事故预测模型在蒙新高速公路上的应用

利用本课题研究确定的制动热衰退理论和制动失灵事故预测模型，我们对蒙新高速公路38km连续长下坡路段2010、2020和2027年的制动失灵事故发生情况进行了预测。

综合比较分析各个特征年制动失灵事故的发生情况如下图所示。

图3-1各个特征年发生制动失灵事故次数比较图

结果显示：

1）蒙新高速公路连续长下坡路段汽车行驶过程中制动失灵概率较高，而且概率随下坡行驶距离增加而增加；

2）年制动失灵事故发生次数和失灵死亡人数不容忽视；

3）制动失灵车辆以重型车为主；

4）下坡起始段的相对安全距离S1值：

5）车速对制动失灵影响明显

可见，车速越低，车辆发生制动失灵事故的次数越少，控制车辆的运行速度对控制失灵事故的次数具有重要作用。

4.长下坡路段制动失灵车辆专用减速带的研究

长下坡路段制动失灵车辆专用减速带是一种安装在路侧硬路肩或独立的行车道上，当制动失灵车辆经过减速带时，其自身提供给车辆的滚动阻力系数不小于0.08,使车辆逐渐被动降速的新型安全防护设施。

4.1长下坡路段制动失灵车辆专用减速带基本组成形式的确定

通过试验论证，改变路面的特性可以使失控车辆减速，因此分别对橡胶垫、钢管、木板、碎石阻尼路床等多种不同材料以不同布设方式组成的阻尼路床进行可行性试验研究，得出橡胶减速垄可以做到较大的滚动阻力系数，乘员及车辆的安全性能较好，综合性能可以达到设计开发的目标，是长下坡路段制动失灵车辆专用减速带研究开发的最优选择。

通过模型试验的方法比选出减速垄单体构件形式及基本布设方式，得出长下坡路段制动失灵车辆专用减速带的基本结构形式如图4-1所示。

图4-1长下坡路段制动失灵车辆专用减速带基本形式

4.2结构设计与试验验证研究

（一）结构形式和几何尺寸的选取

橡胶空腔减速垄的结构形式及主要几何尺寸如下图所示：

图4-2橡胶空腔减速垄的结构形式及主要几何尺寸

（二）橡胶空腔减速垄的加工

图4-3上模照片图4-4下模照片

图4-5橡胶空腔减速垄半成品照片

（一）图4-6橡胶空腔减速垄半成品照片

（二）

图4-7橡胶空腔减速垄成品照片

（一）图4-8橡胶空腔减速垄成品照片

（二）

（三）实车试验

橡胶空腔减速垄的设置与试验车辆见图4-9。

图4-9橡胶空腔减速垄设置与试验车辆

试验得出结论，在纵向间距选择1.3m、顶高距路面高度为13.5cm、安装方向与车行方向垂直布设方式下，其减速性能和安全性方面均满足开发目标的要求，可进行产品验收试验。

（四）结构优化与试验验证

综合试验结果，对橡胶空腔减速垄进行优化：

为进一步提高成员舒适度，在不影响长下坡路段制动失灵车辆专用减速带阻尼系数的前提下，可考虑适当降低橡胶空腔减速垄的强度，主要方式为减少加筋肋的数量。

优化前后的单体构件成品见图4-10，4-11。

图4-10优化前的单体构件图4-11优化后的单体构件

优化后的橡胶空腔减速垄在试验过程中车辆没有损坏现象，振动程度驾驶员可以接受。

其阻尼系数能够达到0.06以上，并且乘员舒适性及对车辆的损坏均满足评价标准的要求。

图4-12橡胶减速垄现场设置照片

5.消能减速护栏的研究

5.1护栏结构形式确定

开发的消能减速护栏以加强型混凝土护栏为原型，防撞等级为SS级，护栏高度为120cm；迎撞摩擦面采用混凝土波浪型迎撞摩擦面，波浪长度为2m，波浪高度为5cm，最终确定护栏结构形式如图5-1、图5-2、图5-3所示。

图5-1护栏结构横断面图

图5-2护栏结构立面图

图5-3护栏结构平面图

5.2实车碰撞试验验证

（一）护栏防撞功能实车碰撞试验验证

1..小客车实车碰撞试验

图5-4试验车辆图5-5碰撞后护栏损坏

图5-6车辆运行轨迹

图5-7车辆损坏情况

2.大客车实车碰撞试验

图5-8试验车辆图5-9碰撞后护栏损坏

图5-10车辆运行轨迹

图5-11车辆损坏情况

碰撞评价结果显示，均满足《高速公路护栏安全性能评价标准》（JTG/TF83-01-2004）规定。

（二）护栏减速功能实车试验验证

1.试验过程

图5-12整体车辆贴靠护栏行驶图5-13整体车辆贴靠碰撞后护栏的损坏

图5-14拖挂车辆贴靠护栏行驶图5-15拖挂车辆贴靠碰撞后护栏的损坏

2.试验结论

在驾驶员舒适度容许的范围内，消能减速护栏能使10t整体式货车在56m距离内速度从35.1km/h降至21.3km/h，使44t拖头式货车在60m距离内速度从33.7km/h降至18.2km/h，可达到有效安全消能减速的目的。

6.网索式避险车道的研究

网索式避险车道是在传统碎石路床避险车道的基础上，增设阻尼拦截系统，在长下坡需要修建避险车道的路段因路侧空间受限，导致制动路床长度不足无法实施时使用的一种新型安全设施。

6.1网索式避险车道方案的选定

针对蒙新高速公路的设计条件，网索避险车道的减速消能系统主要由网索拦截装置、碎石路床、反坡等组成。

总体结构如图6-1所示。

图6-1网索避险车道总体结构平面简图

传统的避险车道通常结合碎石路床和路面反坡设计，以实现消能减速功能，而网索避险车道则在此基础上新增了网索拦截装置，它由拦截网索和阻尼器组成，如图6-2所示。

图6-2网索消能减速系统平、立面图

6.2网索式避险车道结构设计

（一）阻尼器结构设计

搅拌式阻尼器整体结构初期总装剖面图和实物照片如图6-3。

图6-3阻尼器结构总装剖面图和实物照片

（二）拦截网索结构设计

拦截网是网索——阻尼器系统的重要组成部分，结合调查数据并经过多次实车试验后，拦截网设计为下缘钢丝绳距地面的高度为50cm，拦截网高度为60cm，拦截网的宽度为8m，如图6-8所示。

图6-4改进型钢丝绳拦截网结构图

6.3网索避险车道实车试验

（一）网索避险车道低速实车试验

摄像机

力传感器

拦截网索

图6-5试验场地

图6-6阻尼器及其搅拌臂照片

（二）网索避险车道低吨位、高速实车试验

图6-7重锺加速系统及跑道图6-8试验车辆

图6-9拦截网索与碎石路床图6-10高速试验用阻尼器

（三）阻尼器结构优化及实车试验

针对优化前阻尼器结构与网索避险车道实车试验的分析结果，对中间评审确定的阻尼器结构主要从两个方面进行了改进，改动示意图见图6-11。

改进前的上轴与筒结构改进后的上轴与筒结构

图6-11改进前后阻尼器结构对比示意图

对优化后的阻尼器结构进行网索避险车道高速实车试验。

改进后的阻尼器结构见图6-12。

图6-12低吨位、高速试验优化后的阻尼器结构

图6-13试验后车辆与拦截网的姿态

图6-14试验前后阻尼器结构

（四）网索避险车道高吨位、高速实车试验

试验条件:

55t、100km/h实车试验

图6-15大吨位试验用阻尼器

图6-1655t试验前车辆

图6-1755t试验前避险车道与拦截网索

图6-1855t试验后避险车道形态图图6-1955t试验后车辆形态

图6-2055t试验后阻尼器形态

通过三期网索避险车道实车试验研究，结果表明由阻尼器、优化后的拦截网索、碎石路床与反坡结合组成的网索式避险车道可有效防护55t、100km/h的车型组合（能量21219kJ）不冲出避险车道，停驶距离小于70m。

图6-21依托工程4#网索自救匝道现场设置照片

7.连续长下坡路段安全保障系统设计与施工指南的研究

根据本课题的科研成果，综合考虑车辆的载重、行驶速度、道路状况、驾驶行为、制动方式、交通环境及信息提示等多因素，采用连续长下坡路段汽车制动器温升模型、以制动器温度阈值为控制标准，推荐下表所列的平均纵坡与坡长建议值，作为各等级公路越岭线中连续长下坡路段的量化指标规定。

表7-1山区高速公路连续长下坡路段界定标准

平均纵坡度（%）

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

路线长度（km）

15

7.5

3.5

3.0

2.5

2.0

7.1连续下坡路段驾驶行为

从驾驶员的驾驶行为出发研究道路交通可充分体现“以人为本”的道路设计理念原则，有助于提高道路的安全性。

研究内容包括三方面：

车辆行驶速度规律、驾驶员速度控制措施、驾驶员生理心理状态。

7.2连续下坡路段危险等级

连续下坡路段危险等级的划分，是安全保障系统设计的依据。

在综合考虑道路线形、交通量和路侧环境特征等因素的基础上，将山区公路连续下坡路段划分为四个危险等级，即路侧环境危险等级、线形指标危险等级、连续下坡路段危险等级，以进行有针对性的安全保障系统设计。

7.3连续下坡路段安全预评估

连续下坡路段安全预评估为山区高速公路建立的安全保障体系提供依据。

本部分针对连续长下坡路段的道路条件和行车安全问题，结合连续下坡路段驾驶行为、路段危险等级划分、历史事故资料分析,提出基于连续长下坡路段车辆失控预测的安全预评估体系，根据评估结果为山区高速公路建立的安全保障体系提供依据，依此可对建立安全保障系统后的连续长下坡路段的行车安全进行后评估

7.4避险车道设计

避险车道主要是为在连续长下坡路段行驶制动失灵的车辆，特别是大型载运车辆，使其能够与公路主线交通流分离并安全的减速停车，主要目的是为了减少制动失灵货车发生事故的可能性，降低对车辆、公路财产和道路使用者的伤害程度。

总体结构包括三大系统，即引导系统、减速消能系统和安全保护系统。

引导系统包括一系列的诱导、预告合警示标志标线等；消能减速系统是避险车道的核心部分，用有效的耗能方法使车辆的动能转化并在一定距离内安全停止；安全保护系统是在避险车道的末端设置砂堆或废旧轮胎等缓冲材料筑成的保护装置，用以增加系统的安全保障。

7.5路侧护栏设计

（一）基于危险等级的路侧护栏设计

路侧护栏的形式、防撞等级和设置原则应满足《公路交通安全设施设计细则》，同时路侧护栏的防撞等级应与相应的路侧危险程度协调。

（二）路桥护栏过渡段设计

目前，高速公路安全设施设计中，路桥护栏过渡段的形式一般均为搭接方式，存在一定的安全隐患。

设计应改进：

一方面可采用“细则”提供的设置端部翼墙的过渡方式，另一方面也可采用GDD2型路桥护栏过渡段结构形式。

此过渡段结构形式经过了实车碰撞试验的验证，结构合理，安全可靠。

7.6标志标线设计

作为主动安全措施，标志标线的设计应优先考虑完善。

指南以国标及规范的明确规定为基础，并根据连续长下坡危险路段的特殊性，结合危险路段的事故特点推荐增加长下坡警示标志、安全设施距离预告标志、停车区和服务区标志、警示性语句等部分标志标线。

7.7管理与服务设施设计

连续长下坡路段的服务设施，特指按照道路设计规范设置的服务区以外的、专门为连续长下坡路段设置的服务设施。

主要是针对这种路段的特征和可能引发事故的因素，有目的地使驾驶员加强安全行车意识，在下坡前提高准备工作的有效性，确保驾驶员在纵坡前具有足够的心理准备和物质准备，减少坡段行驶过程中发生事故的可能性，也是提高公路管理水平和安全水平的主要物质保障基础。

7.8速度管理与控制设施设计

对于连续长下坡路段，应从行驶的安全角度，根据制动器失效对应的温升范围来确定车辆的安全下坡速度，作为连续长下坡路段合理限速的重要依据。

对连续长下坡速度控制措施的研究，应作针对性分析，确定制动装置的温升与载重质量、线形、速度等因素间的关系，从而来指导相应限速标准的制定，如分车重限速、分车型限速等。

7.9连续下坡安全保障系统设计

以连续长下坡路段驾驶行为分析和路段危险等级划分为基础，以安全预评估结果为依据，通过一系列的主动和被动安全措施，进行安全保障系统设计，切实达到连续长下坡路段安全运行的目标。

连续下坡安全保障系统设计包括以下几个方面：

（1）几何线形设计

（2）安全设施的总体设计

安全设施的总体设计由四个部分组成，即下坡起始上游、下坡起始位置（坡顶）、下坡中间路段和下坡终止位置（坡底）。

8.依托工程

本课题的依托工程为云南蒙新高速公路，冷泉至蛮耗段，坡长37.826km，平均纵坡3.83%，最大纵坡6%，是典型的连续下坡路段。

采用本课题研究成果的依托工程于2009年9月全部施工完毕，目前使用效果良好，消能减速护栏在施工期间就已经成功防护多次制动失控车辆并使其安全停车。

依托工程实际采用科研成果情况归纳如下：

1）采用安全评估模型结论，进行了长下坡路段安全设施的设计与施工；

2）K22+320～K60＋600路段长下坡路段下坡方向桥梁段全部采用本课题科研成果消能减速护栏，累计设置长度30332.18米；

图8-1消能减速护栏实际应用情况

3）在主线桩号K57+549处设置一处网索式避险车道；

4）在主线桩号K57+549处网索式避险车道过渡段内试用18米长的长下坡路段制动失灵车辆专用减速带。

图8-2施工完毕减速带与网索式避险车道试验段照片

9.效益分析

9.1经济效益

（一）长下坡路段制动失灵车辆专用减速带设置位置一般为无法修建避险车道的路段，起到等同于避险车道的使用效果。

国内山区高速公路一处避险车道的平均造价一般不低于450万元，而修建500米的长下坡路段制动失灵车辆专用减速带可使80t，80km/h车速的车辆安全停车，造价仅为修建避险车道的一半。

（二）消能减速护栏的造价是组合式护栏的72%，是波形梁护栏的1.1倍，但波形梁护栏维修费用高，养护工人作业危险性大，而混凝土护栏在使用中维护费用很少，因此消能减速护栏具有良好的性价比。

（三）网索式避险车道的土建设施与传统的碎石路床避险车道相比，设置长度可减少50％左右，土建设施的造价可降低30％，若一处碎石路床避险车道的造价为300万元，则网索式避险车道的土建设施为210万元。

网索式避险车道的机械设施主要是防护网及相关设施，其造价预计为10万元/道，预计每处避险车道需设置5道防护网，那么机械设施的总造价预计为50万元/道。

可见，网索式避险车道的消能减速设施总造价预计为260万元/处，低于碎石路床避险车道。

9.2社会效益

本课题是完整的针对长下坡路段安全治理的综合研究，各个研究成果的综合应用可有效提高长下坡危险路段的行车安全，最大限度降低车辆刹车失灵的事故损失，减少人员伤亡，这是社会效益的直接体现。

10.结论

10.1研究成果

本课题取得的主要技术成果包括以下18个方面：

1）通过研究载重汽车在连续长下坡路段上的行驶特征和制动失控原因，建立了车辆制动热衰退理论；

2）建立了连续长下坡路段的制动失控事故预测模型；

3）应用制动热衰退理论和制动失控事故预测模型对蒙新高速公路连续长下坡路段各个特征年进行了制动失控事故预测，定量的确定了该连续长下坡制动失控事故的严重程度；

4）应用以上研究成果，可对高速公路（尤其是山区高速公路）常用的一些交通设施的布设提出建议，从主动减少事故数量和被动减轻事故严重程度两方面来提高连续长下坡路段的安全性能；

5）以减少刹车失灵车辆追尾事故为解决问题的根本目的，以被动强制车辆降速为基本方法，提出了全新的长下坡安全设施的设计思路；

6）改变了传统减速垄的视觉警示减速作用，利用柔性材料自身的力学特性，通过合理的结构设计，设计了可以强制车辆被动减速的新型减速垄；

7）通过实车试验的方法，合理布设新研制的橡胶空腔减速垄设备，寻找最合理的布设方式，设计了长下坡路段制动失灵车辆专用减速带；

8）通过长下坡路段失控车辆的车型调查确定护栏减速功能实车试验的碰撞车型，结合护栏防撞等级和失控时的车辆速度，得出了车辆碰撞贴靠护栏时的碰撞角度，从而确定了车辆碰撞护栏贴靠减速的碰撞条件；

9）通过护栏与车辆贴靠减速机理研究可知，车辆减速主要依靠车体与护栏的摩擦作用，摩擦力的大小直接决定车辆的减速效果。

因此，车辆与护栏贴靠减速的过程为：

驾驶员在路面标线的引导下，以较小的角度主动贴靠护栏，并打方向盘尽量让车辆贴靠护栏运行，如果一次贴靠不成功，再进行第二次贴靠，直至贴靠成功，贴靠过程中，驾驶员应持续打方向盘以保证车辆与护栏之间的正压力；

10）根据防撞功能要求和计算机仿真分析确定了护栏的结构形式，包括护栏坡面优化和迎撞摩擦面的设计；通过护栏配筋计算、桥梁翼缘板强度验算、路基护栏基础验算确定了护栏的具体结构尺寸和配筋量；

11）通过实车碰撞试验验证了护栏的防撞功能，护栏防撞能力、缓冲功能、导向功能的各项指标均满足评价标准要求；

12）通过整体式货车和拖头式货车的贴靠减速实车试验验证了护栏的消能减速功能；在驾驶员舒适度容许的范围内，消能减速护栏可使10t整体式货车在56m距离内速度从35.1km/h降至21.3km/h，使44t拖头式货车在60m距离内速度从33.7km/h降至18.2km/h；

13）确定护栏迎撞摩擦面时，结合施工及维修养护难易程度的对比，采用施工及维修养护较为方便的混凝土结构形式，根据护栏碰撞后可能的结构性破坏和非结构性破坏，给出了相应的维修养护指导方法；

14）通过大吨位、高速度的实车试验研究开发出适用于山区高速公路连续长下坡路段的新型网索式避险车道，防护能力达到19753千焦（防护