（交通运输规划与管理专业论文）高速公路长大下坡路段安全设施研究.pdf

摘要 论文在国内外研究的基础上，对我国高速公路长大下坡路段安全性和治理措 施进行分析，指出事故发生的原因及机理，找出目前长大下坡路段安全设施存在 的问题。结合长大下坡路段道路、驾驶人、车辆、事故等特点，分别针对长大下 坡路段交通标志系统的设置原则、视认模型、标志类型及设置位置，交通标线系 统的设置原则、应设类型及设置位置，护栏设施类型的选取方法和设置中应注意 的问题等方面做了详细研究，并对长大下坡路段安全设施进行系统布设。 接着重点对长大下坡工程措施中避险车道的设置进行探讨。结合避险车道的 设置原则和考虑因素，比较了国内外常用的设置方法的优劣，详细介绍了图示法 的计算理论。进而分析了避险车道的制动机理、结构组成、参数计算及推荐取值 范围。对避险车道的附属设施进行研究，引入了一种新的减速消能设施被动 防护系统。 论文最后构建了高速公路长大下坡路段交通安全设施系统评价指标体系，并 对评价指标、指标的评定标准及预处理方法进行分析说明，最后在综合考虑各种 评价方法适用性的基础上确定高速公路长大下坡路段交通安全设施指标体系的 评价方法一基于层次分析法( 砧皿) 的模糊综合评价方法，以及该方法的实施 步骤。 关键词：高速公路；长大下坡路段；安全设施；避险车道；综合评价 a b s t r a c t b a s e do nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n i n v e s t i g a t e ds t a t u s ，t h e t h e s i s a n a l y z et h es e c u r i t ya n d a d m i n i s t r a t i o nm e a s u r eo ft h el o n ga n ds t e e pd o w n h i l lr o a d so ff r e e w a y , p o i n to u tt h er e a s o n 5a n d m e c h a n i s mw h yt h ea c c i d e n th a p p e n s ，f i n do u tt h ee x i s t i n gp r o b l e mo fs a f e t yf a c i l i t yi nt h el o n ga n d s t e e p d o w n h i l lr o a d so fe x p r e s s w a y c o a l e s c e n tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o a d ，d r i v e r ，v e h i c l e ，a c c i d e n t ，e t e s t u d yd e t a i l e d l yo nt h ee s t a b l i s h m e n tp r i n c i p l e ，w a t c hm o d e l ，i n d i c a t i n gt y p e sa n dt h ep o s i t i o no ft r a f f i c s i g ns y s t e m ；t h ee s t a b l i s h m e n tp r i n c i p l e ，s e t t i n gt y p e sa n dp o s i t i o no ft r a f f i cm a r k i n gs y s t e m ；t h es e l e c t i o n a p p r o a c ho ft y p e sa n dp r o b l e m st h a ts h o u l dn o t i c es e t t i n gu po fg u a r d r a i lf a c i l i t y , e t c a n ds e tu pt h es a f e t y f a c i l i t yi nt h el o n ga n ds t e e pd o w n h i l lr o a d so fe x p r e s s w a ys y s t e m a t i c a l l y t h e nr e s e a r c ht h et r u c ke s c a p er a m p so f p r o j e c tm e a s u r ei nt h el o n ga n ds t e e pd o w n h i l lr o a d se s p e c i a l l y c o m b i n ee s t a b l i s h m e n tp r i n c i p l ea n dc o n s i d e r a t i o no ft h et m e ke s c a p el a m p s ，c o m p a r et h es e t t i n g m e t h o d s ，i n t r o d u c et h et h e o r yo fg r a p h i c a lm e t h o d sd e t a i l e d l y a n dt h e na n a l y z et h eb r a k ep r i n c i p l e ， c o m p o s i t es t r u c t u r e ，p a r a m e t e rc a l c u l a t i o na n dr e c o m m e n d e dt h er a n g eo ft h ep a r a m e t e r c a r r yo nr e s e a r c h t h ea f f i l i a t e df a c i l i t yo ft r u c ke s c a p er a l p s ，i m p o r tak i n do fn e wd i s s i p a t ee n e r g yf a c i l i t y p a s s i v e p r o t e c t i o ns y s t e m t h ep a p e re s t a b l i s ht h et r a f f i cs a f e t yf a c i l i t i e se v a l u a t i o nq u o t as y s t e mo ft h el o n ga n ds t e e pd o w n h i l l f r e e w a y ，a n da n a l y z et ot h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r ，i t ss t a n d a r do fc r i t e r i o na n dt h ep r c t r e a t m c n ta p p r o a c h i n g ， c o n f i r mt h ee v a l u a t i o nm e t h o do ft h es y s t e mo nt h eb a s i so fc o n s i d e r i n gv a r i o u sa p p r a i s a lm e t h o d s y n t h e t i c a l l y , t h a ti st h em e t h o do ff u z z yc o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a lb a s e do na h p k e yw o r d s ：e x p r e s s w a y ；l o n ga n ds t e e pd o w n h i l lr o a d s ；s a f e t yf a c i l i t y ； t r u c ke s c a p er a m p s ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 戳力 爷b n 易日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 揿虹2 ： 川年f 7 月g 日 叫p | 7 年乡f l s n 长安大学硕上学位论文 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 提出问题 自1 9 8 8 年我国大陆第一条高速公路建成通车以来，总体上实现了持续、快速和有序 的发展。至u 2 0 0 8 年底，我国高速公路通车总里程达到6 0 3 万k m ，稳居世界第二位。高速 公路里程占整个道路总里程的比重也在逐年增加，虽然比例不大，但作用显著。高速公 路的快速发展，不但提高了我国公路的网络化水平，而且优化了交通运输结构，促进了 交通运输业的迅速发展，加强了沿线地区与其他地区的联系，改善了交通投资环境，有 力地促进了我国经济发展和社会进步。按照国家高速公路网规划的要求，今后1 0 - 2 0 年，我国高速公路的建设仍将保持较高的增长速度【1 1 。 随着我国公路建设步伐的不断加快，全国公路网在推动经济社会发展的同时，也带 来了引起世界关注的问题：我国道路交通安全水平令人担忧。表1 1 为我国1 0 年来道路 交通事故统计表【1 1 。 表1 1 我国十年来道路交通事故统计表 预目 、 事故次数 死亡人数( 人) 受伤人数( 人) 直接经济损失( 7 5万车死亡率( 人历 年狡 ( 起)元)车) 1 9 9 94 1 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 2 4 0 11 5 4 5 2 0 0 06 1 6 9 7 49 3 4 9 34 1 2 7 8 22 6 6 9 0 01 5 6 2 0 0 l7 6 0 3 2 71 0 6 3 6 75 4 9 0 0 0 3 0 9 0 0 01 5 4 6 2 0 0 27 7 3 7 3 71 0 9 3 8 15 6 2 0 7 43 3 2 4 0 01 3 7 1 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7 0 0 01 0 8 1 2 0 0 45 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 1 0 2 7 7 4 7 89 2 2 0 0 5 4 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 4 0 17 6 2 0 0 63 7 8 7 8 18 9 4 5 54 3 1 1 3 91 4 8 9 5 66 2 2 0 0 73 2 7 2 0 98 1 6 4 93 8 0 4 4 21 2 0 0 0 05 1 2 0 0 82 6 5 2 0 47 3 4 8 43 0 4 9 1 91 0 1 0 0 0 4 3 从表中可以看出，2 0 0 4 年以来无论事故四项指标还是万车死亡率都有明显降低，但 是事故数与伤亡人数依然很大，其中我国交通事故死亡人数占全世界事故死亡人数的近 1 1 0 。从万车死亡率可以看出，虽然我国交通事故万车死亡率逐年下降，至u 2 0 0 8 年已经 降到了4 3 人万车，但是与世界上其他国家相比，我国万车死亡率依然很高，见各国万 第一章绪论 车死亡率对比表( 表1 2 ) 。 表1 - 2 各国万车死亡率对比表 国家中国日本英国加拿大澳大利亚法国美国 万车死亡率( 人历车) 4 30 7 71 11 21 1 71 5 91 7 7 我国地势西高东低，山丘和高原面积占全国土地总面积的近2 3 ，中西部地区更是 如此，地势落差较大，因为当地经济落后，建设资金不足，所以已建高速公路许多技术 等级较低，施工质量较差，安全设施不足，且不少路段依山傍水，坡陡且道长。车辆在 这些长大下坡路段行驶时，因为频繁实施制动，使得制动器温度急剧上升，制动器“热 衰退”现象突出，严重时刹车失灵，导致重特大事故经常发生。因此，连续长大下坡路 段也常成为“事故多发路段”。这些长大下坡路段因事故多发而常被人民群众称为“食人 坡”、“死亡坡”。如京珠高速公路k 3 9 - k 5 2 ( 南行方向) 路段全长1 2 k m ，全路段的平均 纵坡为2 9 7 ，最大坡度5 。统计该路段在2 0 0 3 年4 月 - 2 0 0 5 年8 月期间交通事故 情况，共发生交通事故3 6 6 起，死亡2 9 人，受伤7 2 人【2 】；八达岭高速公路k 5 6 - k 4 8 ( 进 京方向) 路段全长8 7 5 k m ，全路段的平均纵坡为3 3 6 ，最大坡度达到5 5 。统计该 路段在2 0 0 2 年1 月 - 2 0 0 5 年1 2 月期间交通事故情况，共发生交通事故1 3 7 起，死亡 4 3 人，受伤1 2 3 人。 长大下坡路段严峻的交通安全形势引起了相关政府部门和社会各界的广泛关注。为 了预防和减少危险路段的道路交通事故，2 0 0 4 年初，公安部和国家安全生产监督管理 局对全国2 9 处危险路段进行督办治理。其中，这些路段多处位于山区，坡陡、弯急、 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以上的特大交通事故。在这些危险路段中，属于长大下坡路段的 就有1 6 处，所占比例高达5 5 t 3 1 。由此可见，与公路的平均事故水平相比，长大下坡 路段重特大交通事故率较高，交通安全形势也更加严峻。高速公路交通安全设施作为减 少事故率、降低事故程度的必要措施，在长大下坡路段越来越受到人们的重视。 1 2 国内外研究概况 为了改善高速公路长大下坡路段的交通安全状况，国内外目前主要采取3 种措施： 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 设施和护栏等被动防护设施的设置，避免失控车辆重特大交通事故的发生；管理措施一 般有在坡顶修建服务区强制车辆停车检查和冷却制动器，或特定时期在高速公路长大下 2 长安大学硕士学位论文 坡路段禁止大货车通行等措施；工程措施就是通过线路改造、修建工程设施等方法提高 高速公路安全水平，如避险车道、降温池、加水站、小型停车区等。 1 2 1 国外研究概况 山区公路连续长坡的情况在国外也比较普遍，各个国家也根据各自国家的情况开展 了相关研究。国外的研究主要集中在5 个方面：纵坡的坡度和坡长对交通安全的影响； 修订相关规范、限制纵坡的坡度和坡长指标在较安全的范围内；通过修建工程措施降低 交通事故率：完善车辆的性能，使之适应长大下坡路段；对驾驶人进行再教育。 为了改善长大下坡的安全状况，国外采取的设施主要是交通工程设施、服务设施和 被动安全设施，并且已经取得了有效的的成果。他们主要研究方向是对安全护栏材料以 及实施效果，解体消能标志设计理论，障碍物碰撞消能保护设施，新型公路安全设施的 开发等进行研究。 英国在公路的危险路段上，根据不同的地形，为了控制车辆的运行速度，保障行驶 安全，在路段上设置相应的强制减速装置，而在日本则主要在长大下坡路段设置视错觉 标线，这些措施在有效预防道路交通事故方面均发挥了重要作用。根据美国公路交通安 全管理部门统计，在美国的一个州，在高速公路长大下坡路段刹车失灵事故占货车事故 的1 4 ，估计每年失控货车事故总数为2 4 5 0 次，因之造成的经济损失近3 7 亿美元。在 所有失控货车事故中，约有8 7 8 的事故使用了被动安全设施，造成的损失只有o 1 亿 美元左右，而其余事故造成的损失高达3 6 亿美元 4 1 。可见，这些工程措施所产生的经 济效益和社会效益十分明显。 在长大下坡路段的安全措施中，避险车道是最有效的工程措施之一，它最早起源于 美国，到目前已经有5 0 多年的历史。避险车道在美国应用较早，针对避险车道也开展了 大量的研究工作。美国联邦公路管理局于1 9 7 9 年出版了避险车道设计的临时指南， 该指南成为自长大下坡路段设置避险车道的第一本根本性指南。在美国公路与运输协会 ( a a s h t o ) 制定的公路和城市道路几何设计原则中对避险车道的设置也作了专门 规定例。 为研究避险车道的制动机理，美国宾夕法尼亚大学交通运输学院的温伯德 ( j c w a m b o l d ) 于1 9 8 4 年 - 1 9 8 6 年共进行了5 2 次足尺实车试验，对圆形砾石和有棱角 的碎石两种材料的避险车道进行了研究，试验表明：车辆在圆形砾石材料的制动床内陷 入的更深，可获得减速度更大。基于试验获得了车速、制动床材料与车辆制动距离的关 系，提出了相应的计算模型和设计方法。 第一章绪论 1 9 8 9 年，b o w m a n 开发了避险车道设计及其潜在有效性的坡度严重率分级系统 ( g s r s ) ，用于作为设置避险车道的依据，并作为确定避险车道位置和估计其入口速度 的设计工具，但g s r s 仅仅关注于长大下坡路段的坡度，忽视了其平面线形【6 1 。 除美国之外，避险车道在世界上许多国家都获得了广泛应用。英国、澳大利亚和南 非在其公路设计标准和规范中对避险车道的设置作了具体规趔7 】。如雷克( i b l a k e ) 分别于1 9 6 6 年和1 9 7 1 年在英国对避险车道进行了研究，包括松散砾石制动床对车辆的 减速度研究和确定制动床设计参数的试验研究。库克斯( c o c k s ) 于1 9 8 2 年在澳大利亚 西部建造了两个试验性避险车道，对避险车道的减速度，车重对减速效果的影响，以及 制动材料粒径进行研究。在南非的几何设计手册中对长大下坡也做了以下规定，在有车 辆失控事故历史的山区公路，应该考虑设置带有制动床的避险车道；而新建道路，在那 些长大下坡无法避免的路段以及由失控车辆引起的伤害后果可能性比正常情况大的路 段，在项目设计阶段应该设置带有制动床的避险车道【8 】。 1 2 2 国内研究概况 近年来，在长大下坡路段交通安全设施方面，国内的专家学者和研究机构不断致力 于新材料、新技术的开发应用，同时也加强了相应设施检测技术的研究工作。同时，以 “安全、环保、舒适、和谐”为主旨的公路设计理念也逐步运用到安全设施的设计工作中， 主要集中在路侧安全设施、视线诱导设施设计、交通标志标线设计以及安全设施系统与 景观协调等，这些研究成果部分已经广泛应用于安保工程的实践中，并取得了一定的效 果。 2 0 0 0 年以来，北京深华达公司在护栏方面做了近2 0 0 辆车的实车碰撞实验研究，其 中包括公路陡崖峭壁护栏的开发研究、高速公路新型钢护栏研究、山区弯道混凝土护栏 研究等，在护栏的研究方面取得丰硕的成绩【9 】。交通部公路科学研究院在编制公路交 通安全设施设计规范、道路交通标志标线中，对长大下坡路段的标志标线做了详尽 的说明【1 1 】。长安大学陈荫三针对长大下坡路段的特点对交通标志做了合理化设计研 究，并取得了良好的实施效果1 2 】。长安大学在长大下坡路段重型车辆制动系统对车辆制 动性能的影响和公路减速装置等方面也进行了相关研究【l3 1 。 在长大下坡路段的工程设施研究中，关注最多的就是避险车道的研究。但是由于我 国避险车道起步较晚，尚未制定相应的技术规范或指南，各地在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( j 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”，并没有规定避险车道具体的设置原则和 4 长安大学硕士学位论文 设计指标。 交通部公路科学研究所的周荣贵等人通过对车辆制动器温度、车辆刹车效能以及坡 长坡度之间的对应关系研究，提出在平均坡度4 ，连续下坡3 k m 以上时，宜设置避险 车道【1 4 】。北京工业大学研究人员通过查阅国内外大量相关资料，以某高速公路重特大交 通事故的统计分布和典型事故案例分析为基础数据，分析长大下坡安全隐患中的若干关 键问题，发掘其中的要点及规律，提出了一系列提高长大下坡路段安全性能的措施，并 系统地总结了避险车道的设计方法、设置位置、考虑因素及注意事项【l 5 1 。 福建高速公路有限责任公司与北京中路安交通科技公司一起对避险车道进行了实 车足尺试验，研究了碎石道床避险车道对车辆阻尼效果与车辆质量、驶入速度以及避险 车道纵坡的关系，确定了碎石道床避险车道对车辆的平均阻尼系数，并进而提出了避险 车道的长度计算公式。广东粤赣高速公路有限公司采用定性和定量的方法对粤赣高速公 路的避险车道进行了设计阶段的安全性评价，包括设置的必要性和合理性、设计几何参 数和相关辅助设施掣1 6 】。北京科技大学对避险车道的施救设备进行了研究，设计了一种 可用于避险车道救援工作的施救车辆【1 7 】。 目前国内外的学者对于长大下坡路段的安全设施进行了大量的研究，取得了一些研 究成果。国外的研究和应用表明其长大下坡安全设施对于降低事故率起到了重要的作 用，但是由于国内外车辆性能不同、运行速度的差异和道路的修建等级及质量的不同， 我们不能完全照搬其研究成果。由于国内在这方面起步较晚，相关的理论和方法还不成 熟。虽然在部分高速公路的长大下坡路段设置了一定的安全设施，并取得了一定成效， 但还存在着许多问题。例如避险车道的设置问题，由于在我国应用的较晚，相关研究很 少，还仅仅停留在主体工程的设计、研究上，而对于交通工程如何有效与避险车道紧密结 合关注非常少，很多避险车道甚至没有考虑应用交通工程设施。 因此我们有必要结合避险车道对长大下坡路段的安全设施进行进一步的系统研究， 以此来提高长大下坡路段的交通安全性能。 1 3 研究目的及意义 随着我国近几年公路建设步伐的加快，东部地区的公路网逐步完善，正在向西部山 区不断延伸，而由于受各方面因素的影响，在这些地区修建高速公路，长大下坡路段不 可避免【1 3 】；对于己建道路，由于当时受工程投资、设计理念及自然环境等因素的影响， 长大下坡路段也占据了很大一部分，而且对此路段的行车安全重视不够，给驾驶人和车 辆带来了严重的事故隐患。在目前长大下坡路段仍大量存在的现实情况下，合理地设置 5 第一章绪论 交通工程设施，修建避险车道等工程设施是解决长大下坡路段交通安全问题最现实、最 有效的措施。本文的研究对最大限度的发挥交通安全设施的功能，保障山区公路交通安 全、健康、快速发展，推动高速公路长大下坡路段交通安全状况的改善具有十分重要的 理论和现实意义，主要体现为： 1 保障长大下坡路段的交通安全，提高我国道路安全水平； 2 合理布设交通安全设施，节约投资，减少浪费； 3 为避险车道的设置提供理论依据，为相关规范、标准的制定提供依据； 4 有效地保护道路使用者的生命财产安全。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 主要内容 本文在高速公路长大下坡路段交通安全性分析的基础上，从交通工程措施和工程措 施两个角度对高速公路长大下坡路段的交通安全设施进行系统研究，并对长大下坡路段 安全设施进行系统评价。本文研究的主要内容为： ( 1 ) 长大下坡路段交通安全性分析和事故机理分析。主要从长大下坡路段交通事 故发生的特征以及事故原因进行分析，重点对事故多发的大型货车进行研究，从中找出 事故发生的机理，然后总结现有长大下坡路段对事故的治理措施以及存在的问题。 ( 2 ) 长大下坡路段一般交通工程设施分析。主要介绍在长大下坡路段交通标志系 统、交通标线系统、路侧护栏以及其他交通安全设施的设置原则、方法、类型与位置。 ( 3 ) 长大下坡路段工程设施分析。主要介绍了避险车道的设置方法、原则、参数一 的选择计算以及其附属设施。 ( 4 ) 长大下坡路段交通安全设施的系统评价。主要内容包括长大下坡路段安全设 施系统评价指标的选取原则、方法，评价指标体系的建立以及预处理过程，评价指标体 系的评价方法的具体实现步骤，并计算得到各评价指标相对和组合权重。 1 4 2 研究思路 本文的研究思路见图1 1 ： 6 长安大学硕士学位论文 图1 - 1 本文的研究思路图 7 第二章长大下坡路段安伞性分析 第二章长大下坡路段安全性分析 对长大下坡路段进行安全性分析主要包括交通事故特征分析、事故原因分析、载重 货车事故产生机理分析和目前安全设施设置方面存在的问题等，这是进行长大下坡路段 安全设施合理设置的前提。 2 1 长大下坡路段交通安全形势 对于长大下坡的界定，各国根据不同的国情所作的最大纵坡控制标准不刚2 1 ，见下 表2 1 。 表2 1 各国公路最大纵坡汇总表 设哥。车速( k m h ) 国家 6 07 08 09 01 0 01 1 01 2 0 中国6543 澳 平原 6 84 6 3 53 5 大 丘陵7 95 74 6舢石 利 亚 山区9 一1 07 曲6 8 加拿大6 767 86 75 75 65 法国 765 德国 87654 54 希腊 1 09 8 7 54 5 4 。 意大利 7 765555 日本 5 432 平原 543 5333 南 非 丘陵 65 554 54 山区 87 6 瑞典 1 0 864 平原 5544333 美 丘陵 6655444 国 山区 87 76655 注：表中各国的最大纵坡规定均为标准最大纵坡，没有考虑特殊情况下的绝对最大纵坡。 从各国规定值看：由于国外公路小客车比例高、载重货车动力性能较好，因此国外 对最大纵坡的规定不仅普遍比国内标准稍大，而且可根据地形特征灵活采用。由于我国 8 长安 学碗i 学位论文 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，尽管国家严禁车辆超载超 速，但是车辆超载仍然存在，这样较大的最大纵坡标准将会导致超载车辆出现很多事故 隐患。 2 1 我国典型长大下坡路段事故特征分析 目前国内高速公路长大下坡路段几乎全部为事故多发路段，在交通量大的路段形成 死亡谷”，本文选择比较典型的京珠高速k 3 9 k 5 2 ( 南行) 段的事故情况进行分析1 2 i 。 1 道路条件及事故情况概述 该路段于2 0 0 4 年建成通车，按双向四车道标准建设设计时速为丘陵区1 0 0 k m h ， 山岭区8 0 k m h 。在k 4 6 + 0 5 7 k 5 1 + 2 6 4 路段南行方向为长大下坡，其中两处路段采用了 坡度的极限值5 ，全路段的平均纵坡为29 7 ，克服高差3 7 62 9 3 m ，其中有连续弯道， 平曲线半径小于1 0 0 0 m 的有4 处。通过对k 3 9 k 5 2 段内2 0 0 3 年4 2 0 0 5 年8 月期问 交通事故情况的统计，共发生交通事故3 6 6 起，死亡2 9 人，伤7 2 人。 2 事故特征分析 ( i ) 肇事车辆所属地区分布 根据统计分析，肇事车辆所属地区分却如图2 - 1 所示。从中可以看出，肇事车辆多 为外地车，占总数的8 6 。 图2 - 1 肇事车辆所属地区分布图图2 - 2 肇事年辆半犁分布图 ( 2 ) 肇事车辆类型分布 由图2 - 2 可以看出，在肇事车辆中，最多的是大货车，所占比例高达9 2 。据2 0 0 5 年该路段交通流量统计，大型车辆比例占5 0 。 ( 3 ) 事故地点分布及对应纵断面线形图 从事故地点分布图2 - 3 可以看出，k 4 8 - k 5 l _ 5 路段是事故多发段，即长大下坡的底 部，共发生事故2 8 1 起，占总数的7 67 8 ；且所有伤亡事故都是在这段区自j 发生的， 图2 - 4 是该路段的纵断面线形图。 图2 - 3 事故地点分布图 图2 4 级断面线形 ( 4 ) 事故类型 通过事故资料统计分析，在该高速公路长大f 坡路段差要的事故类型为追尾、同向 刮擦、撞固定物、侧翻等，其中前3 项占了事故比重的7 0 0 。 2 2 事故原因分析 1 驾驶人方面原因 由于该下坡路段坡度较大，坡道过长很容易使驾驶人对坡度判断失误，而且驾驶人 长时间视角不适，也会造成其认识狭隘，精力分散，造成违法操作、超速行驶等引起交 通事故。此处违法操作主要是指持续制动，另外由肇事车辆地区分布可以看出，外地车 辆发生事故率较高，占总数的8 6 ，这是因为该路段是南北经济往来的主要通道，几乎 从广州、珠海沿海方向京津塘地区的车辆都要走这条高速。本地驾驶人对道路情况较为 熟悉，相对于第次走此路段的外地驾驶人，能够在出车前做好安全行车准备，在行车 过程中有较大的心理优势来应对在长大下坡路段行车所发生的各种紧急情况；而外地驾 驶人对地形路况没有一个整体的认识，不知道这段下坡到底有多长，有时采用高速档行 车，驾驶人为了维持较为稳定的车速就会采取频繁制动来降低车速，实际上这种操作 方式是十分错误的，很容易造成刹车失灵而发生事故。 超速行驶是驾驶人因素导致交通事故的又一主要原因。从汽车行驶理论分析，大型 车辆在长下坡路段应使用低档位，采用发动机辅助制动来平衡由于车辆自重带来的下坡 长安大学硕+ 学位论文 力，以减轻其行车制动器的负荷强度。但通过实际调查发现，驾驶人在路段下坡的过程中， 尤其是载重货车的驾驶人，往往抱有侥幸心理，考虑近期的利益而忽视行车安全，如 为节约用油采用空档滑行，为节约行车时间采用高速挡行驶等。 2 车辆方面原因 由肇事车辆类型分布可知，肇事车多为大货车，占总数的9 2 ，说明大货车是该长 大下坡路段上危险性最大的车辆。我国货运车辆车况较差、超载严重，下坡路段行驶过 快，频繁制动，导致车辆制动性能下降，甚至制动失效。另外，我国道路上行驶的车辆 性能和质量差异较大，在长大下坡路段由于动力性、制动性的差异，不同性能的车辆的 速度差异较大，频繁的速度变化，很容易造成交通事故。主要表现为超载和制动失效： ( 1 ) 超载严重 由于受经济利益的驱使，大量大型货车为了节约运营成本，普遍对货车进行加工改 造，提高车辆的装载量，车辆实际载重大大超出额定载货量。根据调查行驶在此路段的 大货车9 0 都严重超载，这些大货车的载重量一般超出核载的2 - 4 倍。长大下坡路段 车辆超载对行车安全的影响主要表现在以下几方面：( 1 ) 因为重心的作用致使惯性冲击 力增大，加上车速过快，频繁制动，车辆制动距离延长，制动器制动强度增大，引起热衰 退，导致制动性能严重下降甚至完全失效；( 2 ) 会导致车辆转向器不能轻便灵活转向， 出现侧滑、轻飘、摆振等现象；( 3 ) 导致汽车重心过高、过后，行驶时轴荷转移过大， 引起汽车行驶稳定性、操作稳定性变坏。因为我国公路最大纵坡和坡长限制以及长距离 下坡路段的平均纵坡限制都是依据典型车辆在标准载货量的情况下得出的。超载车辆的 刹车毂温度实测表明：3 倍标准荷载的装载率下，4 的纵坡，车辆在行驶3 k m 左右时刹车片 就达到2 6 0 c 的安全临界温度，与标准荷载相比，刹车片的温升情况十分明显【1 8 】。可见， 超载大大降低了车辆制动性能。车辆若发生碰撞，在速度和质量两个因素共同作用下， 其滑行、冲撞的距离将延长，能量增大，适用于普通路段的护栏很可能无法承受这么大 的冲量，也就无法起到保护作用。如果弯坡组合出现在长大下坡的后半段，并且路侧高 陡险要，会导致事故异常严重。 ( 2 ) 制动失效 在长大下坡路段行驶时，要求汽车具有足够的持续制动能力，保证汽车行驶至坡道 结束时其主制动器还具有足够的制动性能。由于下坡路段较长，车辆持续制动的时间也 较长，长时间的制动容易使车辆制动器的温度迅速上升，引起制动失效。北京工业大学 周荣贵及西南交大陈渤的相关研究：当制动器的温度不超过2 0 0 。c 时，实际停车距离在 第二章长大下坡路段安全性分析 安全停车视距范围内，车辆的制动器制动力还未发生明显衰减；当制动器温度在2 0 0 3 0 0 。c 范围时，实际停车距离开始大于安全停车视距，车辆的制动器的制动力开始产生 一定的衰减，特别是当制动器温度超过3 0 0 。c 时，车辆的制动器制动力已经发生明显衰 减【1 9 】。通过分析可以看出在该长大下坡路段，当大货车行驶7 k m 以_ l 时，事故率开始逐 渐增加，该结论与北京工业大学的张勇、侯典建等的研究结论相一致。说明大货车在行 驶至7 k m 附近时，制动器温度超出正常工作范围，开始出现制动失效【2 0 】【2 1 1 。 3 道路原因 此路段南行方向为长大下坡路段，最大坡度5 ，并且有连续弯道，另外由于路面 铺装质量较好，路侧有防护设施，给驾驶人较强的安全感，车辆往往以高于设计速度的 时速行驶，而在山区高速公路建设时往往由于工程造价和客观因素的影响，公路的修建 指标采取了标准规范中的极限值，不能满足车辆高速行驶的要求，因此接近坡底和弯道 处事故多发。在调查中还发现标志标线欠缺、护栏防护等级不够，沿途检修区、加水点、 降温池等服务设施严重不足，虽然此长大下坡路段在k 4 4 和k s1 处设置了避险车道， 但是间距太长，不能满足其间制动失灵车辆的需求等问题，从而增加了车辆失控发生事 故的概率。 2 3 载重大货车事故机理分析 通过以上分析，结合相关研究【2 2 1 表明载重大货车在肇事车辆中所占的比重最大，在 长大下坡路段也最容易失控而引发交通事故，所以在此仅对载重大货车的事故机理进行 分析研究。 1 载重大货车下坡制动时受力分析 载重大货车在下坡制动时所受作用力较多。由于本文主要探讨车辆的制动情况，所 以在此主要考虑重力和行驶方向上的惯性力、制动力和非制动阻力。载重大货车在下坡 过程中的受力图2 5 如下【2 3 】： 图2 - 5 载重大货车长大下坡受力分析图 1 2 长安大学硕士学位论文 图中假设载重货车行驶方向的加速度为口，则其受力平衡方程式2 - 1 为： m e t = g s i n o + f i 一疋一e ( 2 1 ) 式中：m 载重货车质量( k g ) ； g l 载重货车重力( n ) ； 秒坡度( o ) ； 局惯性力( n ) ； 兄靠0 动力( n ) ； 乃非制动阻力( n ) 。 2 载重大货车下坡过程中所受作用力分析 本文主要对载重大货车下坡时所受的惯性力、制动力和非制动阻力进行分析。 1 ) 惯性力局 惯性力是指当物体加减速时，惯性会使物体保持原有运动状态倾向的力。其大小可 用公式2 2 计算： 互= - m a ( 2 - 2 ) 式中参数同上。 2 ) 制动力r 当载重大货车在下坡过程中，制动力主要有两部分组成：制动器的制动力和辅助制 动力。 ( 1 ) 制动器制动力尼l 该制动力大小取决于制动器内制动片与制动鼓间的摩擦力，可通过公式2 3 计算： e l = m r ( 2 - 3 ) 式中：膨一制动器摩擦力拒( n m ) ； ，车轮半径( m ) 。 ( 2 ) 辅助制动力易2 我国载重货车常用的辅助制动装置是发动机缓速器或排气制动系统。在排气制动阀 闭合的情况下，发动机缓速器消耗车辆动能的能力取决于发动机在特定转速下的输出功 率，发动机的转速取决于下坡时的车速与挡位。因此，载重货车辅助制动装置的制动力 可以表示2 4 为： f 一气6 p ( g i ，v ) ( 2 4 ) 疋2 = 3 l 一 “q ， 1 3 第二章长大下坡路段安全性分析 式中：f 2 r 发动机辅助制动装置的制动力； p _ 发动机辅助制动装置的功率，是挡位传动比g i 与速度v 的函数； g i - 挡位的传动比； v - 嘶驶车速( k r n h ) 。 3 ) 非制动阻力凡 载重货车下坡过程中所受的非制动阻力只主要有3 部分组成：车轮的滚动阻力、空 气阻力、底盘机械结构的摩擦阻力。 1 ) 滚动阻力尼l 汽车运动是通过车轮实现的，车轮不仅要将车辆的重量传递给路面，而且还要承受 绕轮轴作用的力矩、轮胎与路面接触的圆周力等。车轮所受的滚动阻力一般用车辆所受 重力与滚动阻力系数的乘积来表示。其表达式见2 5 ： f 3 l = g f ( 2 5 ) 式中：f 3 l 滚动阻力( n ) ； l 车辆滚动阻力系数。 2 ) 空气阻力尼2 根据流体力学原理，气流与行驶车辆接触后，一部分气流从汽车顶面和侧面通过， 另一部分气流从车身底部与路面之间通过，气流在车后形成涡流而产生阻力。所产生的 空气阻力主要与车辆的形状和行驶速度有关，我国一般用空气阻力系数与车辆的迎风面 积的乘积来表示车辆外形的影响。载重货车空气阻力的表达式为2 - 6 ： 耻罴v 2 ( 2 - 6 ) 式中：局r 空气阻力( n ) ； q 空气阻力系数； 彳车辆迎风面积( m 2 ) 。 3 ) 底盘摩擦阻力尼3 底盘摩擦阻力由汽车底盘上的各种传动机构的摩擦力组成，与发动机转速和车重密 切相关，而这个关系一般通过实验可以得到。 从以上载重货车下坡时受力情况分析可以看出，要控制载重货车在下坡时保持稳定 的安全车速，就需要使制动力与非制动阻力的合力抵消重力在行驶方向上的分量与惯性 力的合力。通过上述阻力表达式的分析可知，空气阻力、滚动阻力和底盘摩擦阻力在低 1 4 长安大学硕士学位论文 速下坡时很小，尽管辅助制动近年得到了不断改进，但其提供的制动力依然很小，并且 相对于载重货车而言，总质量越大，平均质量能够得到的发动机功率越小，因此能够提 供的发动机辅助制动力就越小。所以在下坡时，载重货车的安全行驶主要依靠行车制动 系统的制动力【2 1 。 3 制动系统的热衰退原理 货车行车制动系统的工作原理是依靠制动片与制动毂内表面之间的摩擦来获得制 动力。载重货车在长大下坡过程中，为了保持行驶速度的稳定，要求制动系统不断工作， 吸收和转换载重货车因势能降低转变成的动能，这样会使得主制动器温度不断升高。而 随着制动片和制动毂的温度升高，它们之间摩擦系数会不断下降，而下降程度的大小受 制动器结构、制动毂和制动片材料等因素的影响。而这个下降直接影响到车辆的制动能 力，当下降到一定程度后，其制动能力将无法满足法规对车辆制动的要求。并且如果进 一步下降，可能无法满足车辆下坡行驶过程中坡度对制动器制动能力的要求，使车辆速 度不断升高，最终造成交通事故的发生。 制动器片和制动毂之间的摩擦性能随着温度的升高而降低的原因很多，较为主要的 有3 个方面：一是随着温度不断上升，制动片产生一种气态物质，能够“润滑”制动片与 制动毂之间的摩擦面，从而降低摩擦效果；二是随着温度的升高，制动毂膨胀，脱离制 动片，超出制动踏板的可用行程范围，因而制动性能降低甚至失效。同时，在高温下由 于制动片与制动毂之间的巨大压力，导致制动毂表面发生变形，这种变形使得制动片无 法与制动毂保持良好的接触，制动片与制动毂之间的完全面面接触变成了制动片边缘与 制动毂摩擦面的接触。接触面面积的减小，导致了制动力大幅度的下降；三是随着温度 升高，制动片磨损严重，导致制动效果降低甚至失效【1 5 】【2 4 1 。 从制动器性能随温度升高而衰退的规律来看，存在一个临界温度2 6 0 c ，制动器温 度只有超过该温度，其性能才会大幅度下降。因此，为确保车辆的安全，当载重货车下 坡时驾驶人应合理控制车速和进行制动操作，使制动器温度低于该临界值。 2 4 目前治理措施和存在问题 2 4 1 治理措施 由以上分析可知，长大下坡路段的事故主因就是车辆的制动系统不良或失效，因此， 要解决这些安全问题，必须消除车辆刹车失灵的情况，或者在车辆制动失灵后及时将失 控车辆引出行主线车道并对其强制制动。目前对长大下坡路段的安全治理，主要从两个 方面着手： l 防止刹车失灵的安全设施。在k 大下坡的起点和中途适当路段设置加水站，给车 辆补充制动冷却水：在长大下坡路段适当路段设置警示标志，提醒驾驶人减速、小心行 驶：在长大下坡的起点和中闯适当路段设置检修区，为过往车辆提供检修服务；在长大 f 坡路段的适当位置施划减速标线等。通过这砦措施防患于未然减少车辆在长大下坡 路段产生事故的几率。 2 刹车失灵后的强制减速设施。在长大下坡的坡底和中间适当路段设冠避险车道， 制动失效的车辆能及时驶入避险车道强制减速停车；在长大下坡的事故多发段设置路侧 强制消能设旖，制动失效的车辆利用路侧强制消能设施与车辆一侧产生的摩擦阻力及时 减速停车等。从实际的应用情况来看这些措施在定程度上减少了长大下坡的事故率， 减轻了人员伤亡和财产损失。但是由于我国还没有系统的对强制减速设施进行研究，公 路设计规范中也没有具体的设计方法和参数，所以尚不能从根本上解决长大f 坡的安仝 问题。 2 42 存在的问题 通过对我国高速公路长大f 坡路段安全状况调查与分析表明，交通安全设施在设计 蹬置过程中存在一定的缺陷，这也是导致长大下坡路段事故频发的原因之一。 1 标志设置不合理 由于我国没有专门针对长大下坡路段进行安全设施的标志标线进行系统研究，实际 设置过程中大多根据经验，所以五花八门，对驾驶人认识、理解造成很大影响，不利于 相关设施功能的充分发挥。从图2 - 6 可以看出标志设胃密度过火，次序杂乱。 图2 - 6 部分路段标志密度 2 在标志使用方面过分地依赖文字型标志，而部分文字型的标志汉字数量多，也不 规范，如图2 7 所示，一般研究认为汉字数量应在9 个以下效果较好。大部分长大下 坡的标志，可以使用国标中规定的相应警告标志来代替 2 ”。 3 标志设黄缺乏系统性。缺少表达道路关键信息的标志，如长大下坡长度预告标志、 长安 学顿十学位论立 线型走向标志；过多标志影响驾驶人有效信息的获取；无原则的设置导致警告标志可信 度的降低等。 ( 2 1 个字)( 4 2 个字)( 1 6 个字) 图2 - 7 文字数量过多的交通标志 4 标线设置混乱。新材料、新工艺的标线泛滥应用于连续下坡路段，影响路容，导 致驾驶人视觉疲劳，影响行车安全。 5 度通安全设施的实时使用情况传递不及时。当避险车道己存在车辆时，如果又 出现制动失灵车辆驾驶人因无法获知避睑车道的情况而冲入进险车道，报容易发生二 次事故，后果非常严重，见图2 - 8 。 e ： 图2 - 8 信息发布