談如何從寬容性設計角度提高公路安全

龔華鳳， 周約珥， 趙聰霄， 肖潔， 劉慶

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司， 重慶 401121)

中國高速公路規(guī)模急劇增長，截至2018年末，高速公路里程已達14.25萬km。與此同時，高速公路交通事故數量巨大，致死率偏高，惡性事故多發(fā)。其產生原因，除駕駛者導致的錯誤、車輛故障及天氣原因等不可抗力因素外，很多是由設計人員的失誤所致，如平縱線形指標、平縱組合、標志標線及路側設施等設計不合理。不良設計往往很難從圖紙上或日常觀察中顯現，卻能對特定條件下駕駛員造成影響。如果設計之初便意識到整個系統應從設計上包容人類的錯誤，并在設計時使高速公路修得更“寬容”一點，按人性化設計理念對高速公路進行規(guī)劃和設計，滿足人的需求，使高速公路為駕駛員提供一個安全的行車環(huán)境，那么交通事故發(fā)生概率和嚴重程度將大大降低。該文基于寬容性理念，對設計速度、路側凈區(qū)及防撞護欄等高速公路路側設計提出符合中國實際情況的建議。

1 寬容性設計的定義

寬容性設計是一種以人為本的設計理念。設計人員在設計之初就充分考慮道路及其附屬設施的設計要能有效避免交通事故的發(fā)生，并在事故中保證車內人員的人身安全，降低因駕駛員犯錯而造成重大損失的概率。寬容性設計起源于美國，于20世紀70年代開始逐漸作為高速公路設計的一部分。其經歷的理論萌芽、技術整合、理念成型、技術革新幾乎與美國高速公路交通安全的發(fā)展同步。在該理念的支撐下，雖然美國汽車保有量隨經濟平穩(wěn)增長，道路交通安全卻呈驚人的下降趨勢(見圖1)。

圖1 歷年美國交通事故致死率與事故率

2 高速公路寬容性設計現狀

2.1 國外寬容性設計

國外對高速公路寬容性設計的研究和實踐主要從兩方面開展：一是運行速度代替設計速度優(yōu)化高速公路設計；二是對高速公路路側安全的研究和優(yōu)化設計。

美國國家公路與運輸協會(AASHTO)在《路側設計指南》中首次提出路側凈區(qū)(clear zone)的概念，認為路側凈區(qū)的寬度取決于設計速度、日交通量、道路曲率和邊坡坡度，對于交通事故高發(fā)區(qū)域，應基于建議值適當拓寬。但歐洲多個國家認為美國AASHTO要求的高速公路9 m路側凈區(qū)太過寬泛，會造成浪費。相關歐洲設計規(guī)范規(guī)定應根據不同高速公路類型、交通量及平面線形確定凈區(qū)寬度，并將路側凈區(qū)作為標準納入規(guī)范強制執(zhí)行。

傳統的速度設計是以公路線形、車輛動力性能及地形條件為基礎確定某一路段的行駛速度，是一固定值，不能客觀地體現實際行駛速度。文獻[6]指出平均自由流速度和車輛之間的速度差是決定限速的重要安全指標。文獻[7]認為應使用運行速度來評價線形的一致性，優(yōu)良的道路線形應具備以下條件：小客車在整個路段上的平均運行速度變化不大于16 km/h；設計速度在相鄰路段的變化值不大于16 km/h；普通路段小客車和大貨車的平均速度差不大于16 km/h。文獻[8]提出高速路彎道處的設計速度和標志設計應根據實際運行速度確定。文獻[9]提出公路的寬容性設計對護欄端部、減速振動帶、路側外結構物及路肩寬度的考量應有別于一般道路。

2.2 國內寬容性設計

中國高速公路建設起步比國外發(fā)達國家晚很多，隨著國內高速公路建設進入突飛猛進的階段，逐漸顯現出越來越多的矛盾和問題，尤其是交通安全形勢日益嚴峻。新形勢下高速公路設計不僅要解決“到”和“達”的問題，更要滿足出行過程中的安全性和舒適性。

文獻[10] 概述了國內高速公路的寬容性設計理念，提出在條件滿足的情況下，可在高速公路上設置緩邊坡、取消路側護欄。文獻[11]研究了寬容性設計思路在高速公路線形設計及互通立交設計中的應用，提出將線形設計、路側設計和交通安全設計三方面內容作為寬容性設計的控制因素。文獻[12]提出了高速公路長陡下坡路段寬容性設計理念的應用方法，并研究了如何通過對避險車道進行優(yōu)化設計來提高高速公路運行的安全性。

重慶市就高速公路工程提出 “生命保障工程” 和 “數字化工程” 建設方案，并采用護欄、減速帶、凸面鏡、防撞墩、防撞墻、警示樁和標志標牌等安全防護措施綜合治理危險路段，將人性化和安全性設計理念融入高速公路建設中。北京110國道改造項目基于寬容性設計理念，探索并實施了以交通安全、舒適為核心的高速公路設計新方法。

寬容性設計理念已被行業(yè)設計和評價標準逐漸接受，但多應用于普通公路，且有很多細節(jié)尚待完善。鑒于中國人多地少，高速公路設計應遵循減少占地的原則，美國等西方國家的寬容性設計理念不能完全與中國實際情況接軌。下面就如何將寬容性理念轉變成實用性設計、除傳統意義上的路側帶設計外還有哪些高速公路要素可使用寬容性設計、如何針對國內具體情況進行寬容性設計等展開研究。

3 高速公路寬容性設計建議

3.1 設計速度的選擇

如圖2所示，運行速度與事故率大體成拋物線關系。但在本質上，運行速度對事故率的影響是通過平均速度差與事故率之間的關系體現出來的。文獻[13]指出，車輛之間的平均運行速度差越大，發(fā)生事故的可能性越大。

圖2 運行速度與事故率的關系

相對事故率為：

A2/A1=(v2/v1)n

式中：A1為速度變化前事故率；A2為速度變化后事故率；v1為變化前速度；v2為變化后速度；n為模型參數，由事故類型或傷亡程度決定。

目前,中國高速公路的行駛速度普遍設置為80～100 km/h。建議針對不同道路情況，高速公路設計速度秉承彈性理念。彈性理念考慮的范圍包括如何使用地方及國家設計標準、如何識別設計異常值并提出調整方案、了解各類道路設計特征的安全性和運營特性及在情況允許時使用較低的設計速度等。彈性理念的優(yōu)勢，一是在道路安全得到保證的條件下，能著重改善高速公路與周邊環(huán)境的相融性，進而實現高速公路品質提升與高速公路安全、周邊自然與人文環(huán)境的整合；二是可根據實際運行速度確定設計速度，以達到減小車輛運行速度差的目的，降低以車輛追尾為典型代表的碰撞事故率。

3.2 高速公路側方區(qū)域布局

高速公路側方區(qū)域(路側凈區(qū))是指從車行道邊緣起向高速公路以外的延伸區(qū)域，主要由路肩、應急停車帶、非機動車道、輔道、路側放坡組成(見圖3)。該區(qū)域原則上不設置任何障礙物(如喬木、過高的灌木)且邊坡保持在控制值以下，以便于游離、事故車輛能平穩(wěn)停車或在路側調整行駛狀態(tài)后返回行車道繼續(xù)行車。路側區(qū)域布局的寬容性設計包括：

圖3 公路路側凈區(qū)示意圖

(1) 路側凈區(qū)的寬度。包括前坡和后坡，根據功能不同，路側凈區(qū)寬度取決于其坡度、高速公路類型、運行速度、設計交通量及平曲線等因素。

(2) 排水。橫向和縱向排水設施不僅考慮路面，還需考慮兩側排水管廊的連通，必要時還需連通中央分隔帶。排水設施的寬容性主要從設施的可穿越設計、延伸設計、防護措施三方面考慮，盡量減少不必要的結構，從根本上降低車輛與設施發(fā)生碰撞的概率。

(3) 路緣石設計。高速路段應避免使用任何形式的路緣石。不可避免時，應使用斜坡型路緣石而不應使用垂直型路緣石，且路緣石高度不得大于100 mm，使高速行駛車輛與路緣石發(fā)生碰撞時可以穿越而不至于翻車。

(4) 立交匝道的寬容性設計。主要考慮平曲線的實際設計半徑及銜接位置，并由此確定凈區(qū)寬度(一般在曲線外側)及設計速度。

由于目前中國對凈區(qū)布局尚無統一規(guī)范，加之公路用地的限制，等級公路的凈區(qū)布局很難理想化。建議在設計凈區(qū)時，除根據實際情況合理考慮以上幾點外，對凈區(qū)內的障礙物以移除—移位—解體消能裝置—引導的優(yōu)先級進行設置，以降低其對駕駛者的危險性，必要時對危險物進行標識和防護。

3.3 高速公路側方設施設計指引

高速公路側方設施包括交通標志標牌、照明設施、交通控制設備。在條件允許的情況下，應盡可能使用消能解體結構。從撞擊后的破壞形式來看，消能解體結構大致可分為屈服變形、整體破壞、支座分離三類。從車輛撞擊受力特點、解體性能來看，消能解體結構設計應遵循以下原則：

(1) 消能解體結構的受撞擊高度應為0.5 m，保持與常見車型(保險杠)撞擊高度基本一致。實際預估撞擊高度還應考慮高速公路超高、橫坡、偏移、事故車輛撞擊角度等因素。

(2) 消能解體結構設置在前坡時，前坡坡比不大于1V∶6H(V為坡高，H為坡寬)。若坡度大于1V∶6H且小于1V∶4H，消能解體設施應距離高速公路邊緣600 mm以內。

(3) 消能解體結構的基礎埋深必須得到保證，避免受力時整個結構連根拔起。應根據實際工程土壤條件確定其埋深，對于屈服變形和整體破壞的消能解體結構，埋深通常大于1 m。

(4) 解體后的設施桿件根部高度應小于100 mm(沿坡度方向)。

(5) 設置在防撞護欄后方的消能解體設施，其設置位置應在防撞護欄受撞擊后的最大側向位移范圍以外。

3.4 防撞護欄設計

高速公路防撞護欄為沿車輛行駛方向布設的路側防護屏障，確保事故車輛不會沖出高速公路范圍而與路側障礙物撞擊造成人身、財產損失。寬容性設計著重考慮防撞護欄的基本設置要求及常見路側和中央防撞護欄的性能指標、適用條件、過渡區(qū)布局、高速公路施工區(qū)安全設計。

一般防撞護欄的設置與安裝需考慮護欄本身的性能指標、防撞等級需求、安裝影響因素。高速路段工作性能和防護等級較高，應在中央分隔帶處設置以砼為主的防撞護欄。砼護欄在受到沖擊后的位移和變形較小，可最大程度保護中央分隔帶另一側的行駛車輛。設置路側障礙物護欄的主要依據包括事故的可能性及嚴重性、事故歷史和路側凈空等，路側凈區(qū)內所有固定障礙物均應考慮設置護欄防護。

合理設置防撞護欄端部漸變率，可實現防撞護欄的外側偏移，有助于降低相應位置的事故風險及損失。而防撞護欄末端的防護性能主要受結構(是否為解體消能結構)、類型(偏移式或直線式)及長度等因素的影響。

根據寬容性設計原則，建議在條件允許的情況下使用解體消能的防撞護欄端點及防撞墩；條件不允許時，根據防護等級針對護欄薄弱段進行人性化設計和錨固，并考慮設置引導性設施，使事故車輛發(fā)生碰撞時可被引導到相對安全的地方。

4 結語

作為一種設計理念，高速公路寬容性設計具有以下優(yōu)點： 1) 主動引導防患于未然。通過各種引導手段使車輛正常行駛，不至于沖出路外。如在路側設置輪廓標，通過視線誘導；在路側設置振動標線、減速標線或在危險路段設置錯覺標線幫助駕駛者主動減速。2) 路側凈區(qū)讓事故車輛“軟著陸”。如果引導手段不能完全避免路側事故，當車沖出路外時，高速公路設計應盡可能提供路側凈區(qū)，使事故車輛“軟著陸”。3) 人性化護欄。科學合理地設置護欄，實現最小的傷害、最大的保護。

人性化的高速公路設計理念已成為發(fā)展趨勢和大眾的共識。在標準、規(guī)范為高速公路設計指明大方向的同時，各地區(qū)應根據各自特點，結合實際道路情況進行寬容性設計，避免生搬硬套。人性化設計理念的實現建立在現有規(guī)范和傳統道路設計的基礎上，結合細節(jié)設計、體驗感受，并引入動態(tài)設計及容錯設計的系統化理念，只有結合實際情況的寬容性理念，才能提供行之有效、安全友好的高速公路設計。