干线高速公路中央分隔带护栏设置研究

【摘 要】:本文通过分析干线高速公路的交通流特点和中央分隔带护栏的安全防护要求,从安全防护、维修养护等多方面分析了现有波形梁护栏的不足,提出了几种适用于我国干线高速公路发展需要的中分带护栏形式。

高速公路 安全设施 中央分隔带护栏

引言

根据交通部制定的《国家高速公路网规划》,我国将建成布局为“7918”的高速公路网络,即:7条射线、9条纵线、18条横线,总里程约8.5万公里。“五纵七横”国道主干线是国家高速公路网的重点,总长度约为2.5万公里,目前在建和未开工项目还有6200多公里。干线高速公路的安全通畅对于我国公路运输有着重要的意义。中央分隔带护栏的主要作用在于防止事故车辆冲越中分带,减少或避免因车辆冲入对向车道而引发的正碰等重特大恶性事故。合理设置中分带护栏对于干线高速公路的安全运营具有重要意义。

1.干线高速公路的交通流特点

为了了解我国干线高速公路的交通流情况,我们对北京-珠海、连云港-霍尔果斯、上海-成都、北京-福州、同江-三亚、北京-上海等六条干线高速公路进行了调查。与中央分隔带护栏相关的交通流特点主要有:

交通量大

交通量大是干线高速公路第一个显著特点。我国高速公路大多为双向四车道,根据《公路工程技术标准》的规定,其适应的折合小客车交通流量约为25000~55000辆。根据目前几条干线高速公路6个路段交通流量的调查,2003年平均日混合交通量约为15000辆,折合小客车交通量约为35000辆。

大型车比例较高

相对于区域内的高速公路,干线高速公路的另一个典型特点是,大型车过境车辆比重高,在靠近大城市的路段车型两极分化明显。具体见下表1:

2.干线高速公路中分带护栏的设置要求

中央分隔带的作用是分隔对向车流,避免或减少车辆正面相撞的事故,防止夜间行车炫目,为通讯管线等有关设施提供空间等。中央分隔带护栏在防止事故车辆失控后进入对向车道中起着主要的作用,合理设置中央分隔带护栏对于干线高速公路的安全、通畅具有重要的意义。干线高速公路中分带护栏的设置应着重考虑以下几方面的因素:

由于干线高速公路交通组成中,过境的长途货运车辆比重大(如表1所示,2轴以上货车达到了46.3%),由于我国国情的限制,货车车况整体水平较发达国家差,驾驶员素质相对较低,疲劳驾驶及车辆机械故障引起的交通事故较多,碰撞中央分隔带护栏的单车事故率较高。同时由于交通量大,碰撞中分带护栏的绝对事故数较多。而这些事故中,一旦发生车辆越过中央分隔带的情况,引发重大恶性事故的概率要比其他高速公路的概率高的多。鉴于此,干线高速公路中央分隔带护栏的防护能力应该高于一般高速公路;

同样由于干线高速公路的交通量大,在公路运输中的地位高于其他公路,在实际的公路运营管理中,应该在不影响使用功能的前提下,尽可能缩短对中分带护栏维修和养护时间,减少对交通流的影响。

如表1所示,干线高速公路交通组成中,客货车比例大或相同,货车略高于客车。按照“以人为本”的原则,考虑车辆的载客数权重,则大型客车的比重达到41.9%。因此,中分带护栏的防护对象应同时考虑小型客车、大中型货车和大型客车等主流车型。

3.中央分隔带护栏的使用情况

3.1 中分带护栏的设置现状

我国现行《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》规定的中央分隔带护栏的形式有波形梁钢护栏和新泽西混凝土护栏两种,因新泽西护栏容易引起小型车辆内侧翻车及大型车辆骑越,交通部公路司与上世纪90年代初曾发文要求慎用。目前我国高速公路中央分隔带护栏采用的形式绝大部分是波形梁护栏,只有少部分路基宽度受限的山区路段采用混凝土护栏。波形梁钢护栏的一般结构见图1。

图1 中分带波形梁钢护栏一般断面图

3.2 波形梁护栏事故形态分析

按照事故的严重程度,我们将波形梁护栏的事故形态分为三类。

A.轻微破坏

轻微破坏是指车辆在护栏上留下明显的擦痕,护栏板发生轻微变形,横向位移量一般在10cm以内,护栏的防护能力基本不受影响,不需要更换护栏板的破坏形态。这类事故大多是由于驾驶员疲劳驾驶,对一些意外情况处理不当所致,一旦车辆刮蹭护栏后,往往又能够及时驶离护栏,因而对交通流一般没有影响。由于没有造成大的路产损失,因此在路政管理部门的事故处理档案中一般没有纪录。见图2。

图2 护栏板轻微破坏

B.严重破坏

严重破坏是指护栏有效的阻止车辆冲过中央分隔带,但是护栏的破坏较大,必须进行维修才能恢复其防护能力的破坏形态。

图3 护栏板严重破坏

C.穿越中分带

这类事故是指事故车辆冲过护栏,致使车体的一部分或者全部侵入对向车道的事故;严重情况下,车辆穿过对向车道的路侧护栏驶出路外。见图4、5。

图4、5 车辆穿过中分带,并冲出路外

3.3 车辆碰撞中分带护栏的事故率

根据我们对2003年六条高速公路的5个管理处的调查统计,车辆碰撞中央分隔带护栏的事故率约为0.16起/百万车公里,平均每次事故损坏护栏板11块。由于路政管理处仅对涉及路产损失的碰撞事故立案登记,故上述事故率不包括对护栏仅造成轻微破坏的事故。在所有碰撞中分带护栏的事故中,车辆穿越中央分隔带两道护栏,车体的部分或全部侵入对向车道的事故约占1/20;没有穿越中分带的事故中,包括车辆冲过第一道护栏,后停止在中央分隔带的情况(见图6)。

图6 车辆停在中分带

4.中分带波形梁护栏存在问题分析

波形梁钢护栏由于其外形美观、施工维修方便、造价较便宜,并且防护能力与我国高速公路的道路交通条件基本相适应,因此在我国得到了大量应用,总体使用效果良好。但是随着公路运输事业的发展,干线高速公路逐步连成网络,车辆两极分化日趋明显,大型货车在长途货运车辆中的比重逐渐增加,大型客车的运距逐渐增大,以及交通量的不断增长,在干线高速公路上采用波形梁护栏存在一些不足,具体如下:

4.1 安全防护能力

根据现行规范的说明,波形梁钢护栏的防护能力为93kJ,防护的主要车型组合为“10T重的解放牌中型货车+60km/h+15º”。波形梁护栏对小客车和中型货车的防护能力较好,但是对于大型货车和大型客车来说,波形梁护栏的防护能力不足。原因在于:碰撞能量和车辆质量成正比;和速度的平方成正比。大型货车的总质量大也远大于10t重的中型货车,大型客车的速度远大于60km/h,其他条件相同时,它们碰撞护栏的能量也远大于93kJ。大型客车和大型货车车辆重心较高,波形梁护栏的高度相对不足。

4.2 维修与养护

由于波形梁护栏自身的特点,在受到事故车辆碰撞时,护栏板、立柱一般要发生变形,严重时护栏板断裂、立柱完全倒伏或弯曲,护栏受到破坏后,不仅仅影响护栏的外观,更重要的是造成护栏防护能力的降低,甚至完全丧失。为了及时恢复护栏的防护能力,不给中央分隔带造成安全防护的漏洞,必须快速、保质地完成维修工作。

在对中央分隔带护栏进行养护维修作业时,出于安全考虑,必须严格按照规定设置警告区、上游过度区、缓冲区、作业区等,还要每隔一定距离设置有关标志。根据实际调查情况来看,一般需要封闭内侧的一个车道(如果车辆穿越中分带的情况,则需要封闭两个内侧车道),封道长度大约为1km。若按每处维修施工需要10个小时、路段长度为100km、年平均日混合交通量为15000辆计算,则每年需要876个小时(约3个月的白天)在超车道封道1km用于护栏施工。

车辆碰撞护栏的事故发生后,首先需要公安部门完成对事故的处理,路政管理部门完成路产索赔所需要的取证工作后,再由路政部门发给养护公司正式的修复通知,并由养护公司在规定的时间内进行修复。按照我们对全国十多个省市高速公路管理部门的调查,从事故发生到护栏维修完成,需要的时间为3天。在这3天之内,该路段就构成了安全防护的漏洞;如果遇上雨季、雪天等恶劣天气,这段时间还要加长。

由于在车辆碰撞护栏的过程中,护栏立柱基础受到扰动;在维修中,由于要拔除受损的立柱,往往也会对基础的周边土体进行疏松。但是,在打入更换后的立柱前,周边土体却缺少有效的压实设备和施工作业空间。立柱基础压实度不足的情况,在大多数路段都存在。这在一定程度上又降低了护栏的防护能力。

4.3 对路基稳定性的影响

由于波形梁立柱的埋深要求,立柱打入路基中时,要穿过路基中的防水隔离层;当护栏受到车辆碰撞后,立柱的倾斜会加剧防水隔离层的破坏范围;维修养护过程中,也会对防水隔离层进一步破坏。假设某100km的干线高速公路的年平均日混合交通量为15000辆,若按0.16的事故率,每次事故破坏长度为48米,且假设碰撞事故的分布位置是均匀的,则每年后大约有4.2km的中分带护栏需要更新,5年后将有20%的路段的中分带防水隔离层受到损伤。在我国南方多雨地区,已经出现由于雨水沿立柱渗入路基,引起路基稳定性降低的现象。

4.4 与其他道路设施的相互影响

我国高速公路中央分隔带的宽度大多较窄,按照2004年的《公路工程技术标准》中的规定,一般的中央分隔带宽度为2米。为了防止波形梁护栏立柱在施工中和碰撞事故中对通讯管线的破坏,目前我国的通讯管线埋置深度基本上是在1m以下。这给通讯管线的施工、维修、养护带来了不便,而且也增加了施工费用。

一些跨线桥在中央分隔带设置了桥墩,由于中分带的宽度不足,桥墩占用了波形梁护栏在事故中的变形空间,不仅给事故中人员的生命造成隐患,也给桥梁的安全造成隐患。

在一些暗通或挖方路段,护栏立柱很难打入到规定的深度,而目前大量采用的立方体形混凝土立柱基础,不能为护栏达到设计防护能力提供所需要的稳定性要求,为护栏的安全防护造成另一个隐患。

5.几种新型护栏形式

我国公路护栏研究经过近几年的研究和实践,出现了几种新的护栏形式。这些护栏均经过了实车碰撞试验验证,防护能力可靠;并在实际工程中经过实践检验,效果良好。现分别介绍如下:

5.1 单片式单坡面混凝土护栏

单片式单坡面混凝土护栏的断面形式如图7所示,该护栏的防护能力为400kJ以上,实车足尺试验碰撞车型组合见表3。

图7 单片式单坡面混凝土护栏横断面图

与波形梁护栏相比,单片式单坡面混凝土护栏优点在于:

防护能力强。防护能力约为波形梁护栏的4.3倍,且可以同时防护小客车、大型货车和大型客车多种车型。若以防撞能力反算,该种护栏可以防护25吨重的大型货车,以60km/h的碰撞速度(相当于75km/h的行驶速度。由于车辆在碰撞护栏事故前,一般会有一定的减速过程,按国际惯例,碰撞速度一般为行驶速度的80%)和20°碰撞角所产生的碰撞能量;假设车辆的行驶车速为60km/h,则碰撞速度为48km/h,若碰撞角度不变,则可以防护38t总质量的大型货车。

引起路产损失的事故率低,减少了护栏维修养护对交通流的影响;养护费用低。根据我们对桂柳路和柳王路自1998年12月至2000年11月底的统计数据来看,混凝土护栏路段引起护栏损失的事故率约为波形梁护栏路段的1/3;混凝土护栏的维护养护费用约是波形梁护栏维护费用的10%左右。

5.2 槽形混凝土护栏

槽型混凝土护栏的断面形式如图8、9所示,该护栏的防护能力为400kJ以上,实车足尺试验碰撞车型组合见表6。

槽形混凝土护栏拥有单片式单坡面混凝土护栏的所有优点同时,由于护栏槽内的填土可以用来绿化,大大改善了混凝土护栏的景观,是一种较好的中分带护栏形式。

5.3 三波形梁钢护栏

三波形梁钢护栏的断面形式如图10、11所示,该种护栏提供了两种立柱基础形式,对于南方多雨地区,可采用形式A,以防止护栏立柱对路基防水隔离层的破坏;对于北方少雨地区,仍可以采用立柱打桩的形式(形式B)。

该护栏的防护能力为163kJ,实车足尺试验碰撞车型组合见下表:

与两波形梁护栏相比,三波形梁护栏保留了施工方便、外形美观的优点。改进点有:

三波板护栏的中心高度由原来的60cm提高到70cm,护栏总高度提高了约20cm,从而大大改善了对重心较高的大型客车的防护效果。

防护能力提高了1.75倍。

提出了协作式的混凝土基础形式,既不会破坏防水隔离层,又保证了基础的稳固性。