高速公路改擴建護欄施工技術的應用與發展

文 / 固安縣日新月異交通設施有限公司 雷久倫

隨著高速公路改擴建進程不斷加快，高速公路的隔離防護安全要求也在不斷提高。本文對移動鋼護欄的穩定性與安全性進行了分析，并對幾種常用移動隔離護欄進行了比較，同時對國內外護欄技術的發展情況進行了闡述，最終在成本、存儲、環保及壽命等方面，得出鋼結構護欄適用性進行分析結果。

近年來，隨著我國社會經濟的高速增長，人民生活物質的水平不斷提高，國內高速公路建設幾乎飽和，下一步將面臨擴建、改建或大修。在高速公路改擴建進程中，移動隔離護欄作為高速公路上隔離防護的基本安全設施和重要組成部分，其安全穩定性、經濟適用性和易設便捷性也越來越引起人們的重視。部分公路在改擴建時原先采用水馬或者混凝土隔離墩，前者考慮了便捷性，但在防撞方面表現并不如意，后者雖然可以抵擋一定的沖擊，但卻屬于硬隔離，對人的傷害較大，也不便安裝，同時二者均沒有考慮環保的問題。近年來，移動鋼護欄的出現改變了這一情況。

護欄技術的應用

護欄的功能是一個系統，它包括護欄本身、立柱、立柱被打入的土壤、護欄與立柱的連接、終端以及終端的錨固系統，這些因素都對護欄的作用有影響。為了簡化，護欄由兩個關鍵的功能組件組成：終端和護欄面。

護欄的分類

1. 鋼肋導軌

常見的工業或設施安全護欄系統由鋼制成，其中立柱由厚壁鋼管制成，通常為圓形或者方形，重型帶肋鋼軌通過螺栓或其他緊固件機械連接到立柱上。立柱可以焊接到底板并錨固到地板上，或者設置并澆注到地板上。在工業和配送設施中，鋼制護欄系統通過限制和控制廠內車輛通行的位置，為財產和人員提供了堅實的保護。這些護欄系統還可以提醒人們注意設施車輛交通中的危險。一些設施安全鋼護欄系統使用一根水平導軌，而另一些則使用兩根或三根導軌。

取決于不同的應用場景，比如設施中使用的車輛的大小和類型、要控制的交通量或與被保護區域相關的價值/風險，制造商生產了不同等級的鋼安全護欄。

2.聚合物護欄

用于制造安全護欄的聚合物有很多種，常用的聚合物類型有：聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯。安全護欄使用這些聚合物有三種基本設計理念：（1）影響分散，它應用多組件工程，使護欄能夠在撞擊時彎曲，吸收和分散能量，然后再恢復其原始形狀；（2）混合型，其特點是采用聚合物包裹的鋼芯；（3）中央固定，它利用固體聚合物柱固定在地面上，用水泥和鋼地下固定裝置固定。

圖 2 混凝土護欄

聚合物沖擊分散安全護欄設計提供了優于鋼護欄的優勢。與鋼制護欄相比，如果受到足夠的能量撞擊，鋼制護欄將永久變形，而沖擊分散安全護欄設計允許護欄在沖擊時彎曲、分散能量并恢復其原始形狀，不會損壞護欄或撞擊車輛。

3. 移動隔離護欄

移動隔離護欄作為高速公路主要附屬設施，在防止車輛過馬路、保護車輛和駕駛員、防止物體駛入道路等方面發揮著重要作用。在道路養護中，通常需要檢查護欄的完整性和合理性。在自動駕駛的情況下，車輛通常需要檢測護欄以防止碰撞。在高精度地圖中，護欄可以提供邊界信息。高速公路兩側的移動隔離護欄有兩種類型。一種是鋼護欄板拼接在一起并由柱支撐的連續結構，本文稱為鋼護欄，如圖1所示。另一種是混凝土護欄，如圖2所示。在一些路段，這兩種護欄是相連的，如圖3所示。

圖 1 鋼護欄

圖 3 鋼-混護欄

作為新興的隔離護欄，移動鋼護欄使用新型鋼制作，護欄兩側進行特殊的角度的折彎，使護欄兩側形成防撞弧形，內部結構協助吸收車輛撞擊過來產生的沖擊力，并矯正車輪，改變行車方向，降低對人和對車的傷害。同時采用熱侵鍍鋅，具有非常強的抗老化，也具備了所有的隔離產品不具備的防腐性能。可以反復周轉20次以上，并且周轉費用低，極大的提高了使用率。上部與底部的塑料反光裝置，也保證了在狹窄、轉彎多的道路區域行駛，特別是在夜晚、雨中或霧中行駛的時候，駕駛員能非常清楚道路狀況，有充足時間避讓施工作業區域。

1.2 移動隔離護欄的對比

（1）水馬。水馬一直以紅黃兩色為傳統色，顏色醒目，但其只有隔離效果，并無防撞性能，無防護等級，破碎后滿地碎片，容易引發第二次交通事故，且增加人工成本。水馬周轉次數低，無重復使用，存儲占地面積大。同時水馬得安裝需灌水或沙，安裝周期較長，質量差異較大。此外，養護成本高、易自然損壞、壽命較短且無法回收利用。

（2）混凝土隔離墩。隔離墩屬于硬隔離法，可以吸收沖擊波但無法改變行車方向，容易對人、車產生較大傷害；同時不易周轉，且周轉成本高；占地面積也較大，存儲不便；安裝速度慢，耗時耗力；成本高，無回收利用價值；在惡劣環境下，壽命較短。在廢棄之后，對環境污染較嚴重。

（3）移動鋼護欄。這種護欄具有防撞性能，能夠吸收車輛撞過來的沖擊力并矯正車輪、改變行車方向，從而不會沖出道路，減少對人對車的傷害。移動鋼護欄隔離道路施工區域跟通車路段，起到很強的安全防護的作用。在外屏障兩側各有一處折彎伸出結構，增強了護欄整體的穩定性，在車輛碰撞到護欄時，車輛的輪胎能壓到護欄底部的伸出結構，靠車輛的自重壓住護欄以引增強護欄在受撞擊時的穩定性，保證車輛及護欄不會傾覆，增強了護欄整體的安全性。此外，移動鋼護欄可根據要求噴繪不同顏色，造型也可根據要求進行加工。存儲空間較前兩者也是大大減少，僅需水馬的1/3；主裝幾乎不存在交通干擾，具有優秀的交通分流、解決交通擁堵的功能。價格較為低廉的同時保證可以重復多次使用，相對其它材料更加經濟實惠。

護欄技術的發展現狀

國內發展現狀

1994年初，交通部頒布了第一個公路護欄行業標準《高速公路交通安全設施設計與施工技術規范(JTJ074-94)》。2013年12月1日，交通運輸部頒布實施了最新的《公路護欄安全性能評價標準》。在新標準中，護欄防護等級分為8個等級。同時，隔斷中央開有活動護欄、防撞墊、兩端及過渡段等結構碰撞條件及評價標準。

袁大杰等人建立了用于車輛碰撞的金屬梁柱護欄有限元數據模型，通過數值模擬，分析了防撞護欄最大動態變形對車輛質量、碰撞速度和碰撞角變化的敏感性。在分析過程中，采用平均靈敏度系數作為靈敏度評價的標準。

仿真結果表明，碰撞速度是影響防撞護欄最大動態變形最敏感的因素。Hai，Y. 針對路側護欄存在的問題，通過對護欄防護性能、緩沖性能、施工工藝、景觀造型、除雪便利性等方面的研究，研制了一種路側高防護等級梁柱混凝土護欄結構，并進行了工藝試驗和計算機仿真方法。通 troer試驗驗證了護欄墻的基本強度，各項評價指標均滿足五級(SA)防護等級要求。

國外發展現狀

在公路護欄的安裝方面，歐洲國家對護欄結構的研究很早就開始了，并建立了一套完整的試驗設施和相應的試驗程序。日本根據護欄的適用條件和性能要求制定了護欄安裝大綱[6]。Stolle， Coty S.開發了一種短半徑護欄系統，以提高十字路口的安全性。他提出對于一些交叉的道路位置，需要一個半徑大于10米的彎曲系統。美國從20世紀90年代開始對公路護欄的再利用進行研究，在一些領域取得了一定的進展，比如安全護欄的木樁再利用。在2011 年版的“美國州公路和運輸官員協會 (AASHTO)” 中。在《路邊設計指南》中，詳細討論了“護欄升級系統”，并建議將舊護欄作為新建或改建公路項目的一部分。日本通過碰撞試驗確定了具有緩沖功能的鋼絲繩防護柵欄的保護性能，并通過了相關標準，驗證了作為中央隔離設施使用的可行性。

高速公路改擴建護欄施工技術的應用

改擴建過程中移動隔離護欄的重要性

在高速公路改擴建過程中，由于路線長、工期長及人員設備的問題，使得施工區始終存在著四大安全隱患：一是高速上行車速度快、行車密度大，即便有遠端施工警示和提示牌，但因擁堵、超車、疏忽造成進入施工區域車輛仍不在少數；二是施工區域根據施工內容不同，場地變化快，在車流中移動施工更容易引發交通事故；三是施工人員、設備在施工場地穿梭較為頻繁，存在個別安全盲區；四是雨雪霧天氣、夜間施工，安全視線受限，更易發生事故。同時高速公路上一旦發生事故，極易形成連鎖反應，造成重大交通事故，造成惡劣的社會不良后果。因此，施工區的安全防護非常必要和重要， 這樣就必須設置必要的移動隔離防護設施，防止車輛沖入施工區，同時利用防護設施的引導作用和阻擋作用渠化交通，可對車輛和司乘人員起到很好的保護作用。

移動隔離護欄的應用

在交通工程中，高速公路護欄可以防止錯誤的車輛撞到路邊障礙物。今天使用的最常見的護欄類型是封閉式W型梁。強力柱W型梁護欄由木柱和木擋板或帶有木頭或塑料擋板的鋼柱組成。木頭或塑料擋板減少或最小化車輛在撞擊時卡在柱子上。此外，可以使用擋板來增加護欄與障礙物的偏移量。保持護欄高度還可以降低車輛在初始撞擊時越過護欄的可能性。

強柱式W型梁護欄的主要問題之一是該系統能夠容納和重定向具有更高重心以及這些車輛重量增加的現代車輛的能力。這樣做的問題是，汽車最佳高度的護欄可能無法防止卡車翻倒，而摩托車可能會在更高的欄桿下滑倒。在大多數情況下，僅靠車輛撞擊區域中各個柱子的強度，護欄將無法承受車輛的沖擊。護欄作為一個系統發揮作用，護欄、立柱、軌道與立柱之間的連接以及彼此之間的連接，以及端部錨都在護欄在沖擊時如何發揮作用方面發揮著不可或缺的作用。土壤條件、鐵軌高度、路緣石或堤壩的存在、撞擊車輛的重量、樁后部到鉸鏈點的距離以及樁在土壤中的深度都可以決定系統在撞擊時的運行情況。

護欄的現代安裝旨在允許導軌在碰撞載荷下變形，并以較淺的角度安全地將車輛重新引導回道路。重要的是護欄系統的接近坡度非常平坦，并且護欄后面的坡度和固定物體放置在一定距離處，以便在撞擊和偏轉時不會影響護欄的性能。吸收是沖擊力直接在車輛和護欄之間傳遞，可能導致端部刺穿車輛。為了減輕這種情況，存在許多導軌端部處理，它們導致鈍端在現代安裝中很少暴露在外。

高速公路改擴建護欄施工技術的發展趨勢

護欄是高速公路的重要輔助設施不僅提供路邊信息，還起到保護司機的作用。然而，現有的高速公路護欄提取識別研究不足，無法準確高效地提取和區分護欄及其類型。針對上述缺陷，有學者提出了一種聚類切片的方法，從道路場景中的護欄特征識別護欄。在護欄目標識別前，將改進的二值編碼樹平面分割算法應用于路面點過濾，減少了護欄識別中的數據量，提高了識別效率。利用護欄的幾何特征和空間特征，采用切片法對聚類后的護欄進行準確識別。還提出了一種根據截面特征來區分鋼和混凝土護欄的方法。實驗結果表明，所提方法能夠有效準確地識別高速公路點云場景中的護欄，整體識別準確率在90%以上。

我國高速公路交通的快速增長和大型車輛所占比例較大，原有護欄防撞能力的不相容性以及鋪裝增加導致的護欄工況變化引起了業界的關注。目前的護欄改造計劃只是針對個別情況制定的，對提高避碰水平的先決條件的研究尚不明確和不完善。因此，現有成果的適用范圍有限。其次，即使舊護欄的高度和強度通過一些改造措施達到了相關規范的要求，也只是針對某一情況下的護欄改造，不具有普適性，容易造成資源的浪費。利用計算機仿真分析方法對方案進行比較和優化，最終選擇性能安全、可維護性好的方案在真車上進行全尺寸碰撞試驗，使改進后的護欄滿足現行規范對護欄耐撞性等級的要求。

結論

在高速公路改擴建的進程加快的今天，原先的護欄技術逐漸不能滿足現有的需求，移動鋼護欄的優勢逐漸凸顯了出來，在保證護欄整體的穩定性與安全性的同時，兼顧了成本問題、存儲問題、環保問題及壽命問題，從而提高了移動隔離護欄的經濟效益、社會效益與環保效益。雖然鋼結構護欄造價也頗高，其價格也常常因鋼材市場的波動而波動，有一定的推廣難度，但從穩定性、便捷性和重復使用率等方面與傳統隔離防撞設施的綜合性價比相比，還是具有很好的應用推廣前景。