布设中央分向护栏和回复区的要点及误区

衡量各相关因素决定必须布设中央分向护栏后,需考虑采用何种型式、何种材质的分向护栏,其布设要点及防护效果存在差异。

中央分向护栏开口如果没有进行适当处理将增加存在安全隐患的危险端头,必须以某种安全、容易布设且便于移动的设施填满开口。

回复区为车辆在紧急情况下可自行返回原行车路径的区域,是失控车辆驾驶人在突发状况下的自救空间,道路设计速度越高,针对回复区的重视程度应越高。

道路是否必须布设中央分向护栏属于上位思考问题,在《衡量是否布设中央分向护栏需要考虑多方面因素》一文中介绍了其需要考虑的重要因素,衡量各相关因素而决定必须布设中央分向护栏之后,紧接着便是深层的专业构思,究竟应采用何种型式、何种材质的分向护栏。图1为美国加州运输厅(Caltrans)针对中央分向护栏的建议:在平均日交通量达到某一数量的前提下,中央分向带宽度在6.1米以内,建议采用混凝土护栏;中央分向带宽度介于6.1米与11米之间,可同时考虑采用混凝土护栏或三波梁钢板护栏;中央分向带宽度大于11米,可考虑采用三波梁式中央分向钢板护栏(Thrie Beam Median Barrier)。如果想要提升三波梁钢板护栏的耐撞等级也可思考采用改良式三波梁钢板护栏(Modified Thrie Beam Barrier)。需要注意,图1仅为美国加州运输厅的建议,道路工程须考虑的相关安全事项繁多,只有经过客观、详实且具深度专业的工程研究(Engineering Study)才可评估得知究竟应采用何种中央分向护栏。

中央分向护栏型式多样,下面以混凝土护栏与W型钢板护栏为例进行介绍,以供选用时参考。

可作为中央分向功能的混凝土护栏,凡是新建高、快速公路,有两种混凝土护栏可供采用:F型混凝土护栏和单斜率式混凝土护栏。早期道路建设常用的是纽泽西混凝土护栏,目前虽已不获青睐,甚至被某些道路主管机关明文禁用,但仍然大量存在于既有道路的路侧护栏与中央分向护栏中。混凝土材质具有坚硬的特性,中央分向混凝土护栏端头本身即为致命性危险障碍物,需考虑在端头前方布设“外置式”吸能设施,早期最常见的是如图2中的碰撞防护设施(Impact Attenuator)或防撞垫(Crash Cushion)。

近年来,轻质珍珠岩混凝土(Perlite Concrete)研发成功,已被广泛应用为吸收车辆撞击能的设施,外观虽类似传统混凝土,但是遇到撞击时会因吸能而凹陷,其效果已经过FHWA(美国联邦政府公路管理局)、MASH(道路硬件安全评价手册,由美国州公路和运输官员协会出版,用来评估护栏、防撞垫等设施是否安全)的认证,图3a为美国新泽西州1号国道(US Route 1)的应用实例。珍珠岩混凝土吸能设施材质极轻,且遇撞击则凹陷,不止可用于中央分向混凝土护栏刚性端头处,也可作为图3b中个别式危险障碍物的安全防护(Shielding Protection)。珍珠岩混凝土吸能设施单价仅数千美元,相比图2中动辄数万美元一座的传统碰撞防护设施、防撞垫性价比高。因此,珍珠岩混凝土吸能设施有逐渐受广泛重视的趋势。

F型与单斜率式混凝土护栏以美洲地区、中国大陆为使用大宗,欧洲公路系统常用阶梯式混凝土护栏,道路工程界通称为Concrete Step Barrier,图4为典型的阶梯式混凝土护栏。遇车辆撞击时,其能量转换原理与F型混凝土护栏类似,且如有需要,在保持坡面造型不变的情况下,底座可适度加宽。

由于道路线形与各种条件的不同,中央分向阶梯式混凝土护栏两个防护面可不对称,图5为典型的示意图,仅适用于现场浇注式混凝土施工。

最常见的低型护栏为混凝土制,也称为低型混凝土护栏(Low Profile Concrete Barrier,LPCB),通常适用于高、快速公路以下等级的主、次要道路及市区道路,起分向、分隔的作用。高度介于障碍式缘石与传统混凝土护栏之间,约35-50cm左右,当然,规划设计者可根据实际需求决定合适的高度。

低型混凝土护栏分场铸浇注或预铸成型,横断面为矩形(见图6a)或斜坡状,可作为常设性设施,也可设计为可移动、可拆解、现场以钢构件连结的,用于施工区外侧作为防护(见图6b)。

低型混凝土护栏可设计成双面防护,下方具斜坡状,类似F型混凝土护栏下方部分,即底部垂直面,上方为具坡度的斜坡,除作为低型分向护栏外,也可作为有植栽分向带的周界(见图7)。

低型混凝土护栏用于道路设计时,适用于设计速度45mph(72km/h)之内的情况,思考重点在于高度与防撞等级,尤其应考虑如图8所示的跨越、骑跨效应。一般而言,低型混凝土护栏的耐撞等级要求通常为MASH TL-2。

中央分向W型钢板护栏的横断面有双波梁及三波梁两大类。究竟应采用何种断面,关系到设计理念,尤其与防撞等级有关。双波梁的防撞等级通常为TL-2与TL-3,传统式三波梁(Thrie Beam)与改良式三波梁(Modified Thrie Beam)则可提升至TL-3到TL-4。

中央分向护栏相关常见的另一争议是大型车辆、重载车辆造成的横越分向带群死群伤事故,严重性高,因此凡是高、快速公路或重车比例较高之处,预计采用W型钢板护栏实现中央分向功能之前,应多方考虑、谨慎评估,是否采用混凝土护栏较具安全性,同时还应考虑施工性、经济性。

中央分向W型钢板护栏与路侧护栏相似,均包括标准段、渐变段与端末处理。以双波梁为例,标准段的布设方法通常有图9中四种。至于选用何种型式,根据设计内容与所须耐撞等级决定。但需要注意,W型钢板护栏养护维修量远比混凝土护栏大,因此除了考虑结构力学与行车安全,生命周期成本也应深入思考。

中央分向带宽度范围内如果决定布设W型钢板护栏,首先必须根据中央分向带地势起伏状态与车流状况初步思考以下三点:

√图10a中由于中央分向带较宽,且地形平坦(例如坡度1V:10H以下),因此可布设一个双面防护W型钢板护栏在中央分向带中心线附近,如果顾虑到有大型车存在,也可考虑设置为三波梁或改良式三波梁,甚至混凝土护栏(F型或单斜率型)。

√图10b中当低洼式中央分向带的坡度介于1V:6H及1V:10H间时,分向护栏也可仅在某一车流侧布设,当然,具体采用双波梁、三波梁、改良式三波梁及是否需要辅助梁都应根据设计内容决定。

√图10c中当低洼式中央分向带的坡度大于1V:6H时,W型钢板护栏只能选择布设在坡度转折点(Hinge Point)附近。

√图10d中如果低洼式中央分向带两侧的坡度不对称,一侧陡,另一侧较平缓,这种情况下,分向护栏必须布设在陡坡的高处,布设位置及设计重点结合路侧护栏的内涵考虑。

布设中央分向护栏时必须详细检核车辆可能造成横越分向带事故的车辆前保险杠轨迹,了解中央分向带地形表面的变化。车辆快速冲进中央分向带时,车辆可能有飞跃、弹跳的情况,轮胎可能不会持续与地面有直接接触。中央分向带宽度范围内必须严格检核其地面平整度、可能存在的硬物(例如排水设施、刚性物等),以保证车辆快速冲入中央分向带时不会出现弹跳或其他撞击情况。

衡量车辆前保险杠行进轨迹及其与地面的可能间距(见图11),可粗估W型钢板护栏所须高度,可能比传统路侧护栏稍高,此外,也须检核车辆是否有下钻(Underride)的情况,因此在某些情况下,可考虑将护栏迎撞面上下都布设钢板横梁。

当中央分向带较宽时,双向桥梁之间一定是中空的,因此桥梁首尾端旁侧中央分向带必须严谨考虑,设置隔离设施,避免车辆进入中央分向带而掉落桥下,图12为以W型钢板护栏构建隔离设施的典型例子。需要注意,W型钢板护栏为半刚性结构,桥梁混凝土护栏为刚性结构,两者相连接处应进行合适的渐变处理(Transition Treatment)。

中央分向带范围内有时会有独立存在刚性危险障碍物(例如跨越桥的单一或连续式桥墩),应考虑失控车辆可能冲入中央分向带的可能轨迹,需要进行护栏影响长度(Runout Length)、护栏需要长度(LON)评估,为独立存在障碍物进行个别防护(Shielding,见图13),同时,应有的端末处理、吸能机制与渐变处理都不可忽视。

再来看看中央分向护栏开口(Median Barrier Opening),合适的中央分向护栏开口是有必要的。不过虽名为中央分向护栏开口,需要注意此开口只有在特殊情况下才可以开启,平时必须保持封闭,且其防护撞击的功能应与其旁侧护栏标准段相同。因为,中央分向护栏开口如果没有进行适当处理将增加存在安全隐患的危险端头,必须以某种安全、容易布设且便于移动的设施填满开口。

中央分向护栏开口处的封闭设施在美国的道路、交通工程界称为中央分向护栏的紧急开口系统(Emergency Opening System,EOS)。图14是德州运输学院(Texas Transportation Institute,TTI)用于实车碰撞测试(FSCT)的中央分向护栏的紧急开口系统前后情况比较,其耐撞等级经FHWA、MASH证实为TL-3。针对中央分向护栏的紧急开口系统的实车碰撞测试,检验标准如同中央分向护栏标准段有三个重点要素:结构妥善性(Structural Adequacy),乘员风险因素(Occupant Risk),车辆轨迹(Vehicle Trajectory)。

图15为各不同型态、已用于实际道路工程的中央分向护栏紧急开口系统。当然,这些设施必须依官方机构认可的实车碰撞测试章程,例如MASH,证实其耐撞等级后才可用于实际工程中。

中央分向带开口的重要性绝不可低估,车辆冲过中央分向带开口而导致严重事故的例子多不胜数。需要注意,若仅考虑有警示功能、可快速布设,却完全无中央分向护栏标准段防护功能的活动式简单隔离设施,反而可能成为高速公路安全隐患突出点(见图16)。

回复区(Recovery Area)指车辆在紧急情况下可自行返回原行车路径的区域,是失控车辆驾驶人在突发状况下的自救空间,在道路宽容设计(Forgiving Design)中与路侧净区(Clear Zone)相同,具有极为重要的角色。道路设计速度越高,针对回复区的重视程度应越高。回复区大小有时不易由设计者主观控制,易受道路几何线形组合的限制。

高、快速公路一定设置有路肩(Shoulder),低等级道路由于设计速度低,无须强制设置路肩。高、快速公路的路肩虽属路侧净区的一部分,但也是典型的回复区,此外,主线、出口匝道形成的尖角区(Gore Area,三角区)也属于回复区(见图17)。

参考图17,针对高架式的高、快速公路尖角区,由于其后方鼻端(Nose)是主线与出口匝道混凝土护栏相连接处,因此刚性鼻端可能成为一致命性的路侧危险障碍物(Roadside Hazard)。某些道路主管机关会选择在此刚性鼻端前方布设碰撞防护设施,例如图18所示就是典型的错误布设例,主要原因如下:

√为了增进反光效果,回复区范围内布设凸出于路面的塑胶基座,破坏了平坦回复区的功能,车辆快速辗压时易产生绊阻效应(Trip Effect),即当某车辆由主线经过回复区,急切入出口匝道时,高凸于路面的塑胶基座将造成车辆弹跳、飞跃,甚至于翻覆。这也是高、快速公路在尖角区(或回复区)内绝不得设置缘石的基本原理。

√刚性鼻端前方虽布设碰撞防护设施(Impact Attenuator),但宽度太窄,没有涵盖鼻端宽度,此碰撞防护设施无法发挥其受车辆侧面撞击而导正车辆的功能。

图19是刚性鼻端前方预计布设碰撞缓冲设施应有的基本思维,当回复区空间太小时不适合直接在鼻端前方布设碰撞缓冲设施,除非将护栏敲除往后,待确定回复区空间足够后,再思考布设碰撞缓冲设施。

(文 / 公安部道路交通安全研究中心特约专家、台湾逢甲大学运输科技与管理学系所副教授 徐耀赐)

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