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高速公路长陡下坡避险车道设置研究

文档作者：王文甫1 李晓锦2 李建伟3 张香群1 黄兰林1 文档来源： 1. 云南国土资源职业学院 2. 云南阔鑫注册安全工程师事务所有限公司 3. 北京中交路成交通技术有限公司		更新日期： 2026年10月04日	点击数：
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上一篇：高速公路长下坡安全设施应用分析

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·30· 交通科技与管理规划设计
0　引言
随着国家“ 交通强国建设” 的实施，我国西部诸省
高速公路大量建设，西部诸省山区居多，高陡长下坡高
速公路大量涌现，车辆在高速公路长下坡路段失控事故
也时有发生，特别是重载车辆在高速公路长陡下坡路段
发生事故的概率更高。据广西桂柳高速公路的数据统计，
在高速公路长大下坡路段事故发生的车型中，大货车占
比60%[1]。其主要原因：重载车辆在高速公路长陡下坡路
段，频繁使用刹车制动器制动以控制车速，导致刹车毂
温度超过260 ℃，刹车毂制动失效，车辆失控从而引发
事故。为了解决这个问题，北京八达岭高速公路于1998
年设置我国第一条避险车道[2]。从此国内建成了数百条
避险车道，对降低事故损失发挥了重大作用。然而，仍
有一些避险车道设置不科学，没有起到应有的避险作用，
有的失控重载车尚未驶入避险车道即发生事故，有的避
险车道很少或从来没有失控车辆进入。目前国家还没有
发布避险车道国家标准，设置避险车道多数情况下仍是
靠经验，因此，对避险车道设置合理性进行研究具有重
要意义。
避险车道是为重载车辆避险设置的，不适合客车、
改装货车、超载车辆驶入。小型客车因自身较轻，驶入
后车轮陷入集料较浅，存在难以停车的风险；大中型客
车重心较高，驶入避险车道易发生倾覆；改装货车、超
载车辆归入管理部门监管，不考虑让其驶入。
1　高速公路长陡下坡的界定
1.1　高速公路“ 陡” 下坡的界定
高速公路设计速度应首先确定，因为该指标是其他
所有要素如平曲线半径、纵坡、竖曲线半径等指标的基础。
在《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）（以下简称
《规范》）中，将设计速度定为120 km/h、100 km/h、
80 km/h，设计速度和最大纵坡之间的对应关系如表1 所
示，即最大纵坡是与速度相关的。高速公路“ 陡” 下坡路
段是由一个或多个单下坡构成的连续下坡路段，其坡度
可以用平均坡度表示；最大纵坡是指单坡的最大值。就
特定下坡路段而言，平均坡度不大于最大纵坡，根据表1，
该研究将高速公路“ 陡” 下坡定义为平均坡度≥ 3% 的下
坡路段。
表1　设计速度和最大纵坡对应关系表
设计速度/(km/h) 120 100 80
最大纵坡/% 3 4 5
1.2　高速公路“ 长” 陡下坡的界定
《规范》给出了平均坡度与连续坡长不宜超过的限
值规定，如表2 所示。因此，在界定高速公路“ 陡” 下
坡定义后，该研究将高速公路“ 长” 陡下坡定义为平均
坡度≥ 3%，且连续坡长超出表2 规定的下坡路段。同时，
《规范》规定，超过表2 要求时，应进行交通安全性评价，
提出路段速度控制和通行管理方案，完善交通工程和安
　　　　　　　　　　　　
收稿日期：2023-10-24
作者简介：王文甫（1969—）, 男, 硕士, 副教授, 研究方向：企业安全管理、道路交通安全技术。
通信作者：李晓锦（1970—）, 女, 硕士, 工程师, 研究方向：危险化学品安全管理、道路交通安全技术。
基金项目：云南国土资源职业学院2021 年度教师科研基金项目资助“ 云南玉元高速化念长陡下坡交通事故危险与规
避方式研究”（2021YJ13）。
高速公路长陡下坡避险车道设置研究
王文甫1, 李晓锦2, 李建伟3, 张香群1, 黄兰林1
（1. 云南国土资源职业学院, 云南 昆明 650217; 2. 云南阔鑫注册安全工程师事务所有限公司, 云南 昆明 650032;
3. 北京中交路成交通技术有限公司, 北京 102600）
摘要　在缺乏国家标准的情况下，因长陡下坡避险车道设置不合理引发的事故时有发生，设置避险车道成为解决我国
西部山区高速公路长陡下坡安全问题的重要手段。文章界定了长陡下坡在该课题中的研究范围，基于数学和物理学理
论，研究出一套避险车道的位置设定和结构参数设计方法，提出避险车道的位置设定应综合考虑车距安全性、极限车
速安全性和平曲线安全性的技术路线，推导出引道长度计算方法，分析了制动床宽度、坡度和长度的设计技术，探讨
了避险车道安全防护装置的设计思路，并通过实例对制动床长度算法进行阐释和应用。该研究旨在为高速公路长陡下
坡避险车道的设计和维护提供参考。
关键词　高速公路；长陡下坡；避险车道；制动床
中图分类号　U412.366　　文献标识码　A　　文章编号　2096-8949（2023）24-0030-04
2023 年　第4 卷　第24 期
规划设计 交通科技与管理 ·31·
全设施，并论证增设货车强制停车区。设置避险车道正
是解决长陡下坡安全问题的重要安全措施之一。
表2　连续长陡下坡平均坡度与连续坡长
平均坡度/% 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6
连续坡长/km 14.8 9.3 6.8 5.4 4.4 3.8 3.3
2　避险车道位置设置
2.1　位置设置涉及的主要因素
2.1.1　坡度和坡长
坡度和坡长对于设置避险车道起重要作用。法国公
路协会的研究结果显示，在d·p ＜ 130 m（d 为下坡长度，
p 为平均坡度）的范围内，不会产生太大的货车制动失效
风险事故，所以把d·p 作为风险指数来衡量事故发生的概
率[3]。因此，d·p ＜ 130 m，不必设置避险车道。
2.1.2　车速和刹车毂温度
控制下坡速度在60 km/h 以下，能够获得明显的“ 安
全收益”，使得货车处于匀速或减速下坡状态[4]。设置
避险车道的目的就是为了控制车速，全路段车速不超过
60 km/h 没有必要设置避险车道；当制动毂温度在200 ℃
以下时，制动器的制动性能会保持相对恒定；制动毂温
度达到200 ℃时，制动性能会发生明显的衰退；制动毂
温度超过200 ℃时，制动性能会持续衰减；当制动毂温
度达到260 ℃时，制动毂的制动性能会出现较大幅度的
衰减[4]。因此，全路段刹车毂温度不超过200 ℃，刹车
毂能有效工作，车速可控，也没有必要设置避险车道。
2.1.3　日车流量、重车比和事故情况
如果日车流量小，避险车道可以设置疏一点，或通
过加强管理来解决超速问题。重车比较高的宜设置避险
车道；反之，可不必设置。对于既有公路，结合事故统
计分析，在事故频发地段应设置避险车道。
2.1.4　周边情况
不能在隧道和桥梁出入口附近设避险车道，因为不
便司机观察和车辆驶入，且可能影响隧道和桥梁的正常
使用。应设在高速公路直线段，视野开阔便于观察。路
侧存在储油设施、人口密集区的，应在此之前设避险车道。
2.2　避险车道位置的设定
2.2.1　避险车道位置设定的决策过程
在选定避险车道位置时，首先应跟车调研，然后制
作重载汽车失控事故发生位置、连续长下坡纵断面，再
结合刹车毂温度测量、车速实测，绘制刹车毂温度和车速，
接着参考公路平面线形、路侧地形和视认条件，最后确
定避险车道具体位置。
重载车辆从坡顶到达长下坡的某个地点刹车毂温度
预测值可采用经验公式（1）：
Td=1.01×T0+0.07×L+2 883.34×i−116.51 （1）
式中，Td—— 重载车辆行驶到下坡某地点时刹车毂
温度预测值（℃）；T0—— 重载车辆在坡顶时刹车毂初
始温度值，一般取130 ℃；L—— 坡顶到刹车毂温度预测
地点的路线长度（m）；i—— 平均坡度。
2.2.2　避险车道位置设定的全局谋划
避险车道应设在重载车辆制动失效点之后，其设置
调整范围的长度确定应从全局角度规划避险车道的具体
位置，主要考虑车距安全性、极限车速安全性和平曲线
安全性等三要素。重载车辆制动失效后，车速不断加快，
会冲撞前方正常行驶的车辆，在冲撞之前的这一阶段被
认为是安全的，这一过程的路线长度被记作L′。极限车
速是指重载车辆达到100 km/h 的速度，极限车速安全性
是指重载车辆从制动失控车速上升到100 km/h 这一阶段
被认为是相对安全的，这一过程的路线长度被记作L″。
平曲线安全性是指重载车辆从制动失效点出发到第一个
导致车辆冲出公路的平曲线为止的一段路线，即在到达
该平曲线之前车辆是安全的，这就是车距安全性，这一
过程的路线长度被记作L′″。由此得到车距安全性、极限
车速安全性和平曲线安全性三者的最小值Ld=min(L′，L″，
L′″ )，即避险车道应设定在Ld 之内，这样才是科学合理的。
（1）车距安全性L′ 的计算。重载车辆在高速公路
长下坡路段上行驶，在失控点车辆制动失效，其同车道
正前方有正常行驶的车辆，由于失控车辆速度越来越快，
最终和前车追尾。失控车辆和正常车辆长度均为L1，调
查得到车头间距hs 的统计值。正常车辆从失控时刻开始
到达理论追尾点行驶的路线长度S1是其车尾走过的距离，
所用时间记作t1；失控车辆从失控时刻开始到达理论追尾
点行驶的路线长度S2 是其车头走过的距离，其所用时间
记作t2；显然t1=t2，车辆追尾示意图如图1 所示。
图1　车辆追尾示意图
重载车辆从失控到理论追尾点用时为：
t2=(Vd−V0)/{12.96[g(i−μ)−f/m]} （2）
式中，V0——重载车辆制动失效时的车速（km/h）；
Vd——失控车辆追尾时的车速（km/h）；g——重力加速度，
g=9.8 m/s2；i—— 长下坡的平均坡度（%）；m—— 失控
车辆总质量（kg）；μ—— 路面滚动阻力系数；f—— 重
载车辆下坡的空气阻力（kg），f 可以根据公式（4）计算[5]。
f=CDAρV 2/25.92 （3）
式中，CD—— 空气阻力系数；A—— 失控车辆正
前方投影面积；ρ—— 空气密度；V—— 重载车辆行驶
速度[5]。
失控车辆前方的正常车辆在t2 时间内行驶的距离为：
S1=Vt2 （4）
式中，V—— 前车的速度，一般取60 km/h[5]。
选取使公式（5）成立时的S2 作为L′ 的值[5]：
·32· 交通科技与管理规划设计
L′ =S2=S1+hs−L1 （5）
（2）极限车速安全性L″ 的计算：
L″ =Σd （6）
式中，d—— 从重载车辆制动器失效地点到Vd=
100 km/h 的地点之间的每个坡段长度大小[5]。
（3）平曲线安全性L′″ 的计算。在物理学中，做圆
周运动物体的离心力= 质量× 速度的平方/ 半径。在高
速公路上运行的车辆经过圆曲线时，地面附着力大于离
心力，则车辆能够平稳运行；当地面附着力小于离心力
时，车辆将会倾覆，即当地面附着力和车辆质量一定时，
速度越大、圆曲线半径越小，车辆越容易倾覆。推导可得：
L′″ =(Vd
2−V0
2)/{25.92[g(i−μ)−f/m]} （7）
式中，物理量的含义同式（2）。
3　避险车道种类选择
避险车道根据车道路面材料和纵坡度，可分为三种
类型：重力式、砂堆式和制动床式[3]。制动床式避险车
道按照车道的坡度方向不同，又可分为三种类型：上坡型、
下坡型和平坡型。
目前，制动坡床式避险车道在我国工程实践中得到普
遍应用[3]。在制动床式避险车道中，下坡型和平坡型因降
速效果不佳应用较少；上坡型应用最为有效且普遍，应用
经验丰富，成为避险车道设计的首选类型，因此，该研究
主要对上坡制动床式避险车道的结构做进一步分析。
4　上坡制动床式避险车道结构设计
4.1　避险车道引道长度计算
避险车道的引道是连接长大下坡路段主线和避险车
道的唯一道路[5]，为失控车辆司机平稳、安全地操控车
辆进入避险车道提供时间和空间的过渡准备，引道和主
线关系示意图如图2 所示。
图2　引道和主线关系示意图
避险车道引道平面线形一般被设置成直线形[5]。其
长度要大于重载车辆总长，查阅重型车辆有关标准得知：
《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》
（GB1589—2016）（以下简称：《汽车限值》国标）
中规定的车辆长度20m，这一规定值是国内车辆标准
中最长的限值，由此可得避险车道引道的长度应不低
于20 m[3]。
再从道路线形关系来分析，避险车辆的驶出不得妨
碍主线车辆的正常通行，即避险车道的渐变段和引道的
设计要符合圆曲线线形关系，由此得：
S=b/sinθ （8）
式中，S—— 引道的长度；b—— 硬路肩宽度，该量
已知；θ—— 避险车道与主线偏角，该量需进一步分析确
定。由圆曲线线形关系可得θ 的计算公式（9）：
θ=cos−1[(R−3.75/2)/(R+B/2)] （9）
式中，R—— 主线到制动床的转弯半径（m），该量
需进一步分析确定；3.75 为主线行车道宽度（m）；B——
制动床宽度（m），此时该量应确定。R 的值可由（10）
式得出：
V 2 ≤ 12.96gR(ih+φ) （10）
式中，V——重载车辆驶入速度；g——重力加速度；
ih—— 圆曲线在转弯处超高；φ—— 路面横向附着系数，
通常采用0.15。V、ih、φ 的值确定后，即可确定R 的值。
避险车道引道长度的确定应综合考虑标准和计算两
方面得出的结论，取式（8）计算结果与长度20 m 之间
的较大者作为避险车道引道的设计值[5]。
4.2　制动床结构设计
制动坡床由面层、基层和垫层三个部分组成，面层
主要由符合或者接近AASHT057 级的砾石（粒径为1~
5 cm）集料铺设而成[5]。制动床入口处集料厚度宜为
7.5 cm，沿制动床长度方向在30~60 m 范围内直线过渡至
正常段厚度，正常段面层集料厚度不宜低于1 m[6]。基层
多采用水泥抹灰稳定碎石；垫层由级配碎石填充而成，
起到隔水、排水作用。
4.2.1　制动床宽度设计
《汽车限值》国标中规定普通汽车的最大宽度为
2.55 m，因此，国内有制动床宽度设计为4 m 的。《规范》
中规定制动床的最小宽度为4.5 m，由此可见，制动床的
宽度应设计为4.5 m 以上，有条件时可适当放宽。
4.2.2　制动床坡度设计
在设计制动床坡度时，应考虑车辆在制动床上减速
停车后不能因坡度过大而后溜，为此，对停止在制动床
上的车辆做静力分析，其示意图如图3 所示。在图中，F
为静摩擦力，G 为车辆自重，α 为制动床的坡度角。
图3　车辆静力分析示意图
规划设计 交通科技与管理 ·33·
假设此时静摩擦力与车辆沿坡面向下的分力刚好平
衡，μ 为摩擦系数，受力分析得：
F=Gsinα=μGcosα （11）
μ=tanα （12）
由（11）和（12）可知，当μ ≥ tanα 时，车辆就不
会在制动床坡道上后溜，由此可以求得制动床坡度角的
最大设计值，一般最大设计值不宜超过15%。
4.2.3　制动床坡长设计
制动床坡长最小值L 的取值，应综合考虑重载车辆
总质量m、驶入速度V、制动床坡度i、制动床铺设集料
的滚动阻力系数Df 等因素，目标是失控车辆在制动床爬
升最小坡长L 后速度降为零，单一坡度坡长的L 最小值
应满足公式（13）。
L=V 2/[254(i+Df )] （13）
式中，L—— 制动床坡长最小值（m）；V—— 驶入
速度（km/h）；i—— 制动床坡度（%）。当制动床由几
段不同坡度的坡道组合而成时，应按照公式（14）和（15）
来计算坡长。
Vi+1
2=Vi
2−254Li(i+Df） （14）
L=ΣLi （15）
式（14）中，前一段结束时的车速Vi+1 就是后一段
的初始车速Vi，如此循环往复使用公式（14），直到车
速降为零为止，计算出每段坡长，再使用公式（15）计
算得出制动床总长L。
4.3　安全防护装置设计
有的失控车辆冲到避险车道后方向会发生偏移，冲
撞某一侧护栏；有的失控车辆冲到避险车道尾部时仍有
一定的动能，冲出尾部造成更严重的事故。为此，两侧
护栏和尾部均应设置坚固的钢筋混凝土护栏，护栏内侧
可设置废旧轮胎，尾部护栏内侧可设置消能桶、集料堆
及废旧轮胎等消能装置。
受环境条件的限制，有的制动床长度不足，须在中
部设置网索拦截装置，以消减失控车辆的动能。还可以
设置多道网索拦截装置，也可以将多道网索拦截装置设
置为逐级降速模式，但彼此之间不能相互影响。
在避险车道的适当位置，还应设置照明装置、监控
装置和报警及注意事项牌。照明对于夜间驶入避险车道
的驾乘人员非常实用；监控信息能告知管理人员及时救
援和调整主线变动信息牌上信息；设置报警及注意事项
牌，对驶入避险车道的驾乘人员会有很大的帮助作用。
5　应用实例
现有一辆总重量为40 t 的重载汽车，以110 km/h 的
速度冲上长度为50 m 的上坡制动床，制动床集料为豆砾
石（滚动阻力系数为0.25），制动床坡度为15%。问题：
（1）该汽车行驶到制动床尾部时速度是否会降为
零？
（2）若该汽车到达制动床尾部时仍有剩余动能，问
剩余动能的大小？
（3）若要加长该制动床，采用原坡度和原有相同材
质的集料进行建设，需加长多少才能使该汽车到达制动
床尾部时速度降为零？
解答：这里V0=110 km/h；L0=50 m；i=15%；Df =0.25；
m=40 000 kg
（1）V12=V0
2−254L0(i+Df )=1 102−254×50×(15%+0.25)
=7 020。
则V1=83.79 km/h=23.27 m/s。
即该汽车行驶到制动床尾部时速度不为零。
（2）该汽车行驶到制动床尾部时剩余动能为：
mV1
2/2=0.5×40 000×23.272=10 833.3 kJ
可以在制动床中部安装网索拦截装置吸收剩余动能。
（3）L=V0
2/[254(i+Df)]=1 102/[254×(15%+0.25)]=
119.1 m。
ΔL=L−L0=119.1−50=69.1 m。
即原制动床还需加长69.1 m 才能使该汽车到达制动
床尾部时速度降为零。
6　结语
该文对避险车道的位置设定和结构设计进行了分析
和研究，主要内容包括：
（1）该文界定了长陡下坡的研究范围，总结出适宜
和禁止使用避险车道的车辆类型，对预防事故的发生有
一定指导作用。
（2）对涉及避险车道位置设置的关键要素进行了分
析，运用数学分析工具给出避险车道位置设置的技术方法。
（3）对避险车道选型进行了综合分析，运用数学和
物理学研究避险车道结构设计的技术要领，理清了避险
车道结构设计的内在逻辑，并通过实例对制动床长度算
法进行阐释和应用。
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