香港快速公路流量大、限速高，因此對(duì)路面、護(hù)欄設(shè)計(jì)的安全性要求較高。香港如何解決路面積水引發(fā)的安全隱患？道路、橋梁的護(hù)欄怎樣設(shè)置更安全？言究社邀請(qǐng)香港路政署研究拓展部原總工程師聶志光為我們做專題講解。
香港快速公路流量大、限速高 安全設(shè)計(jì)尤為重要
香港公路總長超過兩千公里，汽車保有量已超70萬輛。由于受到兩廣丘陵地形影響，香港道路路網(wǎng)看起來非常龐雜。快速公路是香港的主干道路，同時(shí)也是高速道路，2016年底總長度已經(jīng)超過兩百公里，占全部路網(wǎng)的1/10。
▲圖：香港公路網(wǎng)簡圖，紅線表示快速公路
香港快速公路限速普遍在80km/h，最高限速在110km/h。快速公路日均車流量較高，基本接近10萬輛/條，像屯門公路這樣主要的快速公路車流量遠(yuǎn)超10萬輛?？焖俟妨髁看?、限速高，因此其安全設(shè)計(jì)尤為重要。影響快速公路安全的因素有很多，包括線形、坡度、交通標(biāo)志、路面標(biāo)線、警示措施、路燈照明、路面設(shè)計(jì)、護(hù)欄設(shè)計(jì)等等。在過去十年中，我們?cè)诼访嬖O(shè)計(jì)、護(hù)欄設(shè)計(jì)的研究方面總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，希望能夠提供一些參考。
香港如何解決快速公路路面排水問題？
? 水泥混凝土護(hù)欄影響排水 可在底部開洞
香港道路的橫向坡度最小是2.5%，和大陸類似，主要利用橫向坡度排水?？焖俟吩跊]有路緣石的情況下，只要護(hù)欄后留有足夠的排水溝，基本上可以滿足路面排水需求。但是，香港許多新建快速公路旁都有防噪屏，為交通安全考慮，防噪屏底部使用了水泥混凝土護(hù)欄，影響路面排水，所以我們選擇在水泥混凝土護(hù)欄上開洞排水。暴雨時(shí)，道路縱向曲線底部會(huì)形成大量積水，通常我們會(huì)假定上游的水在同一時(shí)間排到下游，因此在縱向曲線底部設(shè)計(jì)排水洞時(shí)會(huì)特別考慮其密度，以滿足路面排水需求。
▲圖：在水泥混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)欄上開洞排水
? 哪種路面材料既透水又耐用？
在二十年前，香港快速公路有瀝青路面，也有水泥混凝土路面。很多快速公路本身就是水泥混凝土結(jié)構(gòu)，所以直接將水泥混凝土面層作為道路面層。但水泥混凝土透水性并不理想，雨天路面易形成積水，夜晚路面標(biāo)線會(huì)因?yàn)樗姆垂庾饔枚跋А保瑯O大地影響了交通安全。
▲圖：影響路面材料設(shè)計(jì)的因素
此外，水泥混凝土路面在經(jīng)過長期磨耗后，其結(jié)構(gòu)本身雖沒有破爛，但面層部分會(huì)破損，路面防滑性能下降。加上車輛行駛產(chǎn)生的噪音、行車舒適度、路面耐用程度等多種因素考慮，我們認(rèn)為以水泥混凝土作為路面并不合適。在上世紀(jì)90年代，香港開始普遍采用瀝青作為快速公路路面，如原有路面是水泥混凝土結(jié)構(gòu)，就在上面加一個(gè)墊層，在墊層上鋪設(shè)瀝青。起初，我們采用了密級(jí)配瀝青混凝土混合料（以下簡稱“密級(jí)配”），但是密級(jí)配沒有透水性，雨天還是會(huì)出現(xiàn)水膜、水花和標(biāo)線“消失”的情況。我們認(rèn)識(shí)到所有快速公路面層應(yīng)該實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，即面層都是透水路面。
我們嘗試用開級(jí)配瀝青混凝土混合料（以下簡稱“開級(jí)配”）取代密級(jí)配，但采用開級(jí)配后卻遇到了新難題。通常瀝青的孔隙率在10%以下（4%-8%），開級(jí)配孔隙率達(dá)到了20%，會(huì)直接影響路面耐用性。為解決這個(gè)問題，在開級(jí)配的基礎(chǔ)上引進(jìn)了SBS聚合物改性材料（即SBS改性瀝青，是一種以基質(zhì)瀝青為原料，加入一定比例的SBS改性劑，同時(shí)加入一定比例的專屬穩(wěn)定劑，形成SBS共混材料，利用SBS良好的物理性能對(duì)瀝青做改性處理。），以增加透水瀝青的強(qiáng)度。
近年來我們發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青可能比SBS改性瀝青的性能更好，在美國已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，大陸部分地區(qū)也已經(jīng)開始使用。在橡膠瀝青里如果把孔隙率增加到20%，可能會(huì)比利用SBS聚合物增加孔隙率更有效、更耐用。未來，我們希望在路面上能夠越來越多的使用橡膠瀝青。
? 水泥混凝土路面易破損 用防滑鋼砂修復(fù)
香港的快速公路雖然已經(jīng)不再直接將水泥混凝土作為道路面層，但是約有25%的其他道路依然在使用水泥混凝土面層。在經(jīng)過長年累月的磨耗后，面層部分破損，路面防滑性能下降的問題仍需解決。通常我們采用防滑鋼砂來增強(qiáng)路面的防滑性能，用環(huán)氧樹脂將防滑鋼砂（原材料主要是鋁礬土）黏在路面上。鋪設(shè)防滑鋼砂后路面的平整度、防滑性很好，但隨著時(shí)間的推移，防滑面層容易磨損。而黏貼環(huán)氧樹脂又需要對(duì)道路進(jìn)行長時(shí)間的封閉，在冬天時(shí)甚至?xí)^12個(gè)小時(shí)，這給路面保養(yǎng)帶來了新難題。
▲圖：在水泥混凝土路面上加鋪防滑鋼砂
對(duì)于這個(gè)問題，美國使用“金剛石研磨”（又叫“鉆石磨”，Diamond Grinding）機(jī)械，即使用比較精密的、能夠準(zhǔn)確控制打磨間距和深度（精細(xì)到1-2毫米）的機(jī)械來修復(fù)破損路面。這樣做，一方面可以改善水泥混凝土路面平整度，另一方面可以增強(qiáng)路面防滑能力，同時(shí)還能讓路面降噪。但是目前，香港還沒有引進(jìn)這種機(jī)械。
為了讓護(hù)欄更安全 香港都做了什么？
香港以往是按照一些專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)去決定護(hù)欄的等級(jí)、設(shè)計(jì)。2003年，一輛雙層巴士在屯門公路與其他車輛發(fā)生碰撞后又撞毀了護(hù)欄，翻墜到橋下，造成幾十人傷亡。這起事故有力地促使香港政府對(duì)以往護(hù)欄安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反思和修改。我們做了一系列檢討、研究，然后制定出了相對(duì)科學(xué)的設(shè)計(jì)規(guī)范。
? 道路護(hù)欄分四個(gè)級(jí)別 L3主要針對(duì)雙層大巴設(shè)置
我們將道路護(hù)欄大致分為四個(gè)級(jí)別：L1、L2、L3、L4。簡單來說，L1是一般的道路護(hù)欄，L2護(hù)欄使用較多，L3是香港特有的等級(jí)劃分，主要用來防護(hù)經(jīng)常有雙層大巴行駛的道路。L4用來防護(hù)重型車輛行駛、有特殊設(shè)施或跨越鐵路的橋梁等。
▲圖：道路護(hù)欄等級(jí)劃分表
一般路旁護(hù)欄主要是兩波板、三波板的鋼鐵橫梁，使用情況與大陸相似。當(dāng)車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，護(hù)欄會(huì)變形，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)護(hù)欄時(shí)留有一個(gè)“block-out”，即護(hù)欄向外撐出去一部分，避免車輛撞擊護(hù)欄時(shí)，車輪被護(hù)欄的立柱阻擋而導(dǎo)致急停。如下圖，與其他護(hù)欄不同的是新澤西護(hù)欄，主要由水泥混凝土和鋼鐵橫梁構(gòu)成，有一些三波板是L2級(jí)別，有一些是L3級(jí)別，在碰撞的時(shí)候能夠有效承載雙層大巴。
▲圖：一般路旁護(hù)欄設(shè)計(jì)
L3級(jí)別護(hù)欄如何保護(hù)雙層大巴呢？當(dāng)其以不超過50km/h的速度、碰撞角度小于20°的情況下與一個(gè)底部由水泥混凝土、頂部由1-2個(gè)鋼鐵橫梁組成的L3護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，底部水泥混凝土斜面和車輛懸掛系統(tǒng)互動(dòng)可以給車輛一個(gè)具有導(dǎo)向性的作用力，同時(shí)頂部橫梁也可以起到防護(hù)雙層大巴上層的作用。
? 橋梁護(hù)欄剛度強(qiáng)于道路護(hù)欄
橋梁護(hù)欄也分為四個(gè)級(jí)別，與道路護(hù)欄情況類似。從下表中得知，大部分橋梁需要使用L2級(jí)別護(hù)欄；如果橋梁上通過的雙層大巴比較多，需要使用L3級(jí)別護(hù)欄；當(dāng)橋梁跨越鐵路等重要設(shè)施時(shí)，需要使用L4級(jí)別護(hù)欄。L4級(jí)別護(hù)欄全部采用水泥混凝土結(jié)構(gòu)，高度設(shè)計(jì)在1.5米或以上。
▲圖：橋梁護(hù)欄等級(jí)劃分表
由于要防止車輛掉下橋梁，橋梁護(hù)欄的剛度要強(qiáng)于道路護(hù)欄。目前，大多數(shù)橋梁使用L2級(jí)別護(hù)欄，它包含的三個(gè)鋼鐵橫梁足夠承載車輛碰撞。如果要將L2級(jí)別護(hù)欄提升至L3級(jí)別護(hù)欄，首先要考慮增加護(hù)欄高度（即再加上一根鋼鐵橫梁），然后通盤考慮護(hù)欄整體的剛度。特別注意的是，如果下面的三根鋼鐵橫梁剛度過強(qiáng)，當(dāng)小汽車與護(hù)欄碰撞時(shí)，THIV（理論乘員頭部碰撞速度）和ASI（乘員加速度傷害指標(biāo)）會(huì)超過相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，因此在設(shè)計(jì)第四根橫梁時(shí)需要連同下面三根橫梁通盤來考慮整體的剛度。
? 護(hù)欄連接不是簡單拼接 需要做特殊考慮
很多時(shí)候施工單位雖然切實(shí)按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制作護(hù)欄，由于不同護(hù)欄在圖紙上沒有明確標(biāo)記，施工的時(shí)候也沒有留意，使得連接處成為護(hù)欄最薄弱的環(huán)節(jié)。車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，車輛容易將上游護(hù)欄向后壓，然后前滑咬進(jìn)下游護(hù)欄的端點(diǎn)，從而使護(hù)欄不僅失去了防護(hù)作用，還構(gòu)成了危險(xiǎn)。在2007年我們頒布了工程設(shè)計(jì)技術(shù)指引，規(guī)定每一種護(hù)欄端點(diǎn)要足夠安全，兩種不同護(hù)欄連接時(shí)必須要有特殊考慮，不能簡單將兩個(gè)護(hù)欄擺在一起。
▲圖：不同護(hù)欄連接處的設(shè)計(jì)
? 中央分隔帶設(shè)置可移動(dòng)護(hù)欄 方便車輛臨時(shí)改道
從前香港道路中央分隔帶有的使用水泥混凝土，有的使用兩波板。后來發(fā)現(xiàn)，兩種不同材質(zhì)分隔帶護(hù)欄的連接并不理想，車輛與兩波板護(hù)欄發(fā)生碰撞后容易出現(xiàn)跑到對(duì)面車道的情況，因此現(xiàn)在新建中央分隔帶都采用了水泥混凝土設(shè)計(jì)。
對(duì)于中央分隔帶需要有這樣一個(gè)特殊考慮：有時(shí)候因?yàn)槟骋环较虺霈F(xiàn)交通事故，希望將車輛臨時(shí)改道到另一方向，如果全部采用水泥混凝土結(jié)構(gòu)，在改道時(shí)常需花一整天時(shí)間將水泥混凝土打掉，工程量非常大。因此我們采用了一個(gè)彈性的解決辦法：對(duì)于一些可能需要改道的道路設(shè)置可移動(dòng)水泥混凝土護(hù)欄（其防護(hù)能力與水泥混凝土護(hù)欄防護(hù)能力相當(dāng)），護(hù)欄之間用連桿連接，便于挪動(dòng)。
▲圖：可移動(dòng)水泥混凝土護(hù)欄
消防部門對(duì)于可移動(dòng)護(hù)欄提出了更高的要求，當(dāng)消防車輛需要占用對(duì)向車道時(shí)，要在2分鐘之內(nèi)打開護(hù)欄使其通過。如何保證在2分鐘之內(nèi)打開護(hù)欄呢？我們花了幾年時(shí)間向美國學(xué)習(xí)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，合作設(shè)計(jì)出了活動(dòng)鋼護(hù)欄?；顒?dòng)鋼護(hù)欄底部有可以移動(dòng)的輪子，通過機(jī)械方法使這些輪子托起鋼閘讓護(hù)欄能夠定向推動(dòng)。
▲圖：活動(dòng)鋼護(hù)欄
? 結(jié)構(gòu)性防撞墊包含可壓縮材料 減小車輛損傷
從前我們認(rèn)為，并不是所有的岔道口都需要防撞墊，可以有選擇性的進(jìn)行設(shè)置。后來，根據(jù)統(tǒng)計(jì)得出結(jié)論：所有岔道口都需要設(shè)置防撞墊。從2007年起，我們做了一系列檢查工作，基本完成了香港快速公路每一個(gè)岔道口防撞墊的設(shè)置。在一些岔道口裝有結(jié)構(gòu)性防撞墊（包含可壓縮材料，發(fā)生碰撞后復(fù)原比較快），在一些岔道口裝有純鋼鐵結(jié)構(gòu)的防撞墊（發(fā)生碰撞后復(fù)原比較慢）。
大陸通常采用的防撞裝置是水桶和沙桶。當(dāng)車輛發(fā)生縱向碰撞時(shí)，結(jié)構(gòu)性防撞墊與水桶、沙桶的防撞效果區(qū)別不大。但當(dāng)車輛從其他方向與之發(fā)生碰撞時(shí)，結(jié)構(gòu)性防撞墊具有導(dǎo)向功能，在很大程度上減小對(duì)車輛的損傷。（此文章來源交通言究社）
