高速公路安全設計理念及程序

高速公路安全設計理念及程序引言公路安全的概念人們通常理解為“道路交通安”或理解為行人和車輛的安全。長期以來,人們在“人-車-路-環(huán)境”構成的公路系統(tǒng)的安全性研中,往往偏重于對動態(tài)因素“人-車”的安全分析,忽視了對相對靜態(tài)因素“道路-環(huán)境”的安全分,更缺乏對“人-車-路-環(huán)境”這一綜合體系的全分析。另外,目前我國在高速公路設計的過程,并沒有體現(xiàn)對安全的考慮,只是在完成設計后,行專家評審,憑經(jīng)驗判定設計的可行性及安全性,乏理論研究與預測。尤其在山嶺地區(qū),由于自然環(huán)的特殊性以及工程地質的復雜性,山區(qū)高速公路設肯定會帶來一系列的安全問題,如果僅采取事補救的措施來保證公路安全,那么,類似于環(huán)境領中的“先污染,后治理”的惡性循環(huán)就會緊隨其后,且難于根治。為了提高公路總體安全水平,解決目前“公路設計”與“安全分析”相剝離的不合理做法,提出高速公路安全設計的理念及程序,認為公路設計除了應首先保證道路上通行人員和車輛的交通安全外,更應該完善工程自身結構物的安全設計以及環(huán)境安全設計,以期達到系統(tǒng)地降低綜合成本（施工、養(yǎng)護、管理、環(huán)境代價等)、更大地發(fā)揮高速公路經(jīng)濟效益的目的,有助于實現(xiàn)高速公路可持續(xù)發(fā)展。1相關問題的研究與分析1.1目前高速公路安全設計研究1.1.1道路交通安全的研究[1,2]我國高速公路始建于1988年10月,經(jīng)過十幾年的飛速發(fā)展,到2004年底已建成高速公路3.3萬km,超過了建國初期所有鋪有路面的公路通車總里程(3.2萬km),總里程居世界第二,取得了令人矚目的成就。盡管如此,與發(fā)達國家相比,我國高速公路路網(wǎng)密度、地區(qū)分布不均衡性以及服務水平等還存在巨大差距,尤其是針對公路安全的研究還處于起步階段。我國關于公路安全的統(tǒng)計始見于1951年,當時僅對交通事故進行了統(tǒng)計,但由于統(tǒng)計制度不完善,各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)規(guī)律性不強,并且認為80%~90%的交通事故是由人的因素造成的,包括駕駛員的操作失誤、麻痹大意或違章駕駛等。到了20世紀90年代末期,國內一些學者注意到了設計因素對交通安全的影響,如:北方工業(yè)大學的劉小明教授等,針對道路交通事故的生成機理、駕駛員的駕駛行為進行了研究,并建立了駕駛行為模型,從中可以發(fā)現(xiàn)道路設計方面的缺陷,從而甄別事故多發(fā)點;同濟大學的郭忠印、方守恩等人結合新疆路網(wǎng)黑點改造工程,研究了設計對交通安全的影響,提出了事故多發(fā)路段位置的鑒別與改進方法等。由于我國高速公路建設起步較晚,道路交通安全事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量還很少,不足以進行統(tǒng)計分析其規(guī)律性。國外,針對道路交通安全的研究較早,并且提出了較完善的安全審查理念,如:英國1987年開始安全審核研究工作,到1996年IHT出版了道路安全評價指南(GuidelinestoRoadSafetyAuditofHighway),明確規(guī)定了安全審查的實施方法和實施規(guī)程,并提出了評價清單;澳大利亞1992年制定了國家道路安全戰(zhàn)略,開展大量研究工作,由AUSTROAD建立了道路安全評價指南,確定了“道路安全以人為本,遵守為用戶設計”的原則,強調在設計中考慮所有用戶;美國1995年提出安全審核報告《RoadSafetyAudit:ANewToolforAccidentPrevention》,這份報告對安全性和道路及其環(huán)境的影響、保證安全性的設計參數(shù)取值都做了詳細的論述。1.1.2關于結構物的研究:自從有道路出現(xiàn)以來就已經(jīng)開始。隨著高速公路的建設,目前國內外關于高速公路路基、路面、大橋、隧道等結構物的設計理論及設計方法的研究論文非常多,取得了豐碩成果,一般從自然條件、氣候條件、工程地質、水文地質、建筑材料和結構力學等方面進行分析,在前期調查的基礎上,通過綜合考慮進行結構物的安全設計。如:考慮工程地質條件,采用植物防護、工程防護或兩者相結合措施,確保路基穩(wěn)定;考慮路線所穿越地區(qū)的沿線氣候、水文條件以及筑路材料和交通組成等條件,采取不同的路面結構形式與之相適應;考慮荷載作用,基于材料力學、結構力學、風力學、地震學等因素而進行橋梁結構的安全設計等。盡管如此,目前國內高速公路結構物早期破壞現(xiàn)象仍然很嚴重,如路面車轍、網(wǎng)裂;路基不均勻沉陷;邊坡及其他結構物失穩(wěn)等。其根本原因是設計中對結構物安全的考慮不周。1.1.3環(huán)境安全的研究環(huán)境保護是我國的一項基本國策,為了實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,保護生態(tài)環(huán)境,我國于1989年頒布實施了《中華人民共和國環(huán)境保護法》。我國公路交通部門自1985年開始接觸公路建設項目的環(huán)境保護工作,于1987年開始進行公路建設項目的環(huán)境影響評價,在以后的幾年內交通部先后頒發(fā)了《公路建設項目環(huán)境影響評價規(guī)范》(試行)、《公路環(huán)境保護設計規(guī)范》、《公路工程基本建設項目設計文件編制辦法》及《公路工程國內招標文件范本》等,并于1997下達編制了《公路綠化規(guī)范》,這些“規(guī)范”、“辦法”和“范本”均對我國高速公路的環(huán)境保護起到了積極的推動和指導作用。同時,近些年在高速公路規(guī)劃、設計、施工與養(yǎng)護管理的工程實踐過程中,采取了切實有效的環(huán)境保護措施,取得了豐富的經(jīng)驗,獲得了良好的效果。在設計理念方面,交通部頒發(fā)的《公路勘察設計典型示范工程咨詢要點》明確提出公路設計要遵循“安全、環(huán)保、舒適、和諧”的設計理念,提出服務社會原則、尊重地區(qū)特性原則、整體協(xié)調性原則、自然性原則。認為公路景觀環(huán)境要素包羅萬象,景觀設計的重點不應將精力集中在耗費大量人力、物力、財力的人造景觀上,而應重點體現(xiàn)對原有景觀資源的保護、利用和開發(fā),以及公路主體與原有自然及社會環(huán)境的相融,設計中應體現(xiàn)“不破壞就是最大的保護”的理念。由于發(fā)達國家公路建設起步早,在高速公路建設對環(huán)境安全的影響認識值上得我們借鑒,在美國,從上個世紀30、40年代就意識到保護環(huán)境的重要性,并開始推行一些環(huán)境保護措施。50年代以后,隨著高速公路的大量修建,公路建設對環(huán)境的影響越來越受到社會的關注,為此美國開始制訂法律要求新建公路必須進行環(huán)境保護和綠化。1969年美國通過了“國家環(huán)境政策法案”(NationalEnvironmentalPolicyAct,NEPA),其中對公路建設中的規(guī)劃、設計、施工與營運各階段的環(huán)保要求都做了明確規(guī)定。目前,該法案已經(jīng)被歐洲等發(fā)達國家借鑒使用。日本的環(huán)境影響評價開始于1970年初,1984年8月內閣頒布了“關于環(huán)境影響評價”的文件,中央各省及不少都、道、府、縣、市都有各自的評價條例或評價綱要,沒有國家一級的文件和法律。日本的環(huán)境影響評價工作受美國影響較深,對公路環(huán)境影響評價有如下規(guī)定:(1)進行環(huán)境影響評價,保護環(huán)境是企業(yè)的職責;(2)為使調查和評價做得科學合理,由知事制定編制預評價書的指導方針,企業(yè)據(jù)此進行調查、預測、評價,知事審查企業(yè)提出的評價書,組織公眾提出審查意見;(3)召開聽證會,廣泛提取居民意見。在環(huán)境安全影響評價方法上,國外普遍采用地理信息系統(tǒng)作為平臺,進行輔助評價和環(huán)境設計,一般有定性評價、數(shù)學模型評價、系統(tǒng)模型評價和綜合評價,多數(shù)采用綜合評價法。這種方法是對影響環(huán)境安全的各要素及其變化過程進行預測,研究開發(fā)活動和環(huán)境安全之間的相互影響關系,為高速公路建設的決策提供依據(jù)。1.2存在問題公路安全問題是一個綜合“人-車-路-環(huán)境”的系統(tǒng)工程,包括結構安全、環(huán)境安全和交通安全等子系統(tǒng)。盡管我國針對各子系統(tǒng)進行了大量的研究,也取得了廣泛的成就,但與國外相比,這些成果仍帶有很大的片面性、局限性和滯后性,對公路安全設計缺乏指導意義。主要表現(xiàn)在以下幾方面。(1)對公路的安全研究與公路設計相脫節(jié),缺乏交互平臺,不能實現(xiàn)信息共享。現(xiàn)有公路的設計,尤其是高速公路的設計,均應符合規(guī)范與技術標準的要求,但當運營一段時期之后,往往出現(xiàn)了交通事故明顯集中的“事故多發(fā)段和事故多發(fā)點”。一方面,長期、大量的交通安全統(tǒng)計資料缺乏有效、實用、方便的管理分析系統(tǒng),在目前的公路網(wǎng)規(guī)劃、設計、建設和管理中得不到充分利用,造成資源浪費。另一方面,公路安全設計缺乏經(jīng)驗支持,設計中同一種安全問題重復出現(xiàn),然而,問題出現(xiàn)后調查結果幾乎沒有反饋到設計部門,使得同一地區(qū)、相同環(huán)境條件的多條公路出現(xiàn)類似的安全問題。(2)關于公路安全問題的研究普遍帶有片面性,缺乏系統(tǒng)性。目前,我國針對安全問題的研究大多從單方面進行——或片面強調駕駛行為和車輛因素,或片面強調道路建設對環(huán)境的影響,沒有從系統(tǒng)的角度將各因素之間的相互作用對公路安全的影響加以考慮。如1996年,交通部頒發(fā)了《公路建設項目環(huán)境影響評價規(guī)范》(JTJ005-96),該規(guī)范主要用于工可階段所確定的路線方案對環(huán)境的影響評價,而不能評價環(huán)境對公路安全的影響,并且對路網(wǎng)規(guī)劃期的戰(zhàn)略環(huán)境影響評價以及建設期和營運期的環(huán)境保護,則缺乏有效的評價和管理手段,沒有形成貫穿于公路規(guī)劃、設計、施工、養(yǎng)護全過程的多層次系統(tǒng)評價體系。(3)公路安全研究仍停留在“事后型”研究的基礎上。因此,所得到的成果在適用廣度和時間跨度上較差,一般適用于具體問題的事后改善,對道路規(guī)劃、設計和建設階段存在的安全隱患沒有指導意義,屬于被動防治而不是主動杜絕,明顯帶有滯后性。如對道路危險路段及道路黑點的研究,大多針對已建成并投入運營的道路,通過對實際發(fā)生的交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計,分析歸納事故分布規(guī)律,在此基礎上判定危險區(qū)域并加以改善。而不是通過事故對事故機理的分析,對擬建公路進行事故預測,防患于未然。2廣義安全理念的提出公路安全設計是綜合了結構安全、交通安全和環(huán)境安全更為廣義的、系統(tǒng)的安全設計理念,應該貫穿于從規(guī)劃到運營過程的整個周期,并堅持以下原則。(1)堅持綜合性原則:從總體安全的角度出發(fā),綜合考慮各因素之間相互作用的影響,不應片面強調某方面的安全問題。如:在設計山區(qū)高速公路時,既不能單獨強調線形對交通安全的影響而采用過高指標,對環(huán)境造成嚴重破壞;也不應過分強調環(huán)境安全設計而降低線形指標,影響交通安全。(2)堅持系統(tǒng)性原則:將安全理念貫穿到公路規(guī)劃、設計、施工、運營、管理和養(yǎng)護等各個環(huán)節(jié),在各階段建立完善的安全評價體系及程序,確定實施方法和實施規(guī)程,使評價系統(tǒng)更具有可操作性。(3)堅持安全優(yōu)先、主動預防的原則:高速公路是公路網(wǎng)中的干線公路,具有重要的政治、經(jīng)濟意義,其投資很大,技術復雜,涉及面廣,一旦建成很難改變,為此,高速公路的安全設計應強調周密安排,預防為主。例如,山區(qū)高速公路建成后,一旦發(fā)現(xiàn)線形對安全產(chǎn)生有影響,再想改變幾乎是不可能的,因此應在設計階段就加以考慮。(4)重視事后改善與事前預防相結合的原則:公路建設必然會帶來安全問題,如交通事故、環(huán)境破壞等,問題是采取怎樣的安全設計方法和事后補救措施,將不安全因素降低到最小,并總結教訓,為今后設計提供經(jīng)驗支持。只有這樣,才能避免重復性錯誤,提高設計水平[4]。2.1結構安全理念結構安全概念除了傳統(tǒng)意義上的保證使用安全外,還應包括結構與路線的適配性對交通安全的影響和與環(huán)境的適配性對景觀與環(huán)境的影響。建立結構安全評價系統(tǒng),評價結構設計的綜合安全性以及設計對環(huán)境(自然環(huán)境、社會環(huán)境)的影響程度。結構設計是建立在廣泛調查基礎上并綜合了地形、地質、水文、氣候、荷載等影響因素進行的,是結構安全的基本保證;施工監(jiān)控是將設計轉化為實體的安全保證,同時將監(jiān)控過程中發(fā)現(xiàn)的設計問題反饋給設計部門,一方面為變更設計提供依據(jù),另一方面對提高設計水平有很大幫助;健康觀測是對投入運營的結構物進行的持續(xù)的、長期的觀測,是結構物自身安全的保證,也是交通安全的保證,另外,對觀測過程中發(fā)現(xiàn)的問題進行分析,并建立數(shù)據(jù)庫,可為設計和監(jiān)控提供參考;結構物出現(xiàn)安全問題應組織專家進行事故調查分析,確定補救措施以減少損失,并為今后設計提供參考。2.2交通安全理念[5~7]交通安全既是一個技術問題也是一個社會問題,其涉及的內容十分廣泛,不僅涉及到交通基礎設施等技術經(jīng)濟因素,還與機動化水平等社會經(jīng)濟因素有關。因此,交通安全研究應從以下幾方面進行。(1)建立交通事故信息系統(tǒng)。完善交通事故信息采集系統(tǒng),制定統(tǒng)計指標體系,規(guī)范統(tǒng)計內容;建立交通事故數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),為探求交通事故與其影響因素之間的關系提供數(shù)據(jù)支持,實現(xiàn)網(wǎng)絡的信息共享。(2)進行交通事故機理研究。研究駕駛員固有特性(性別、年齡、心理、生理、受教育程度等)與事故的關系;建立物理模型,模擬事故過程,檢驗各種安全設施的有效性,生成事故機理的理論模型,為制定交通事故防范措施提供指導;進行交通事故的計算機仿真研究,為深入研究交通事故生成機理提供先進的、經(jīng)濟的技術手段。(3)研究交通事故規(guī)律。研究交通事故的分布規(guī)律,確定事故多發(fā)時段、重點區(qū)域、主要交通方式、弱勢群體的構成,為有針對性地制定安全措施提供依據(jù);研究道路條件與交通事故的關系,為改進和完善道路設計理論和方法提供科學依據(jù);研究環(huán)境因素與交通事故的關系,為道路的環(huán)境設計提供參考。(4)建立交通安全評價體系,研究交通安全的評價方法與指標體系,為安全性預測提供依據(jù)。(5)確定交通事故防治對策。建立道路安全核查制度,以預防事故的發(fā)生;研究道路安全設施的設置原則,為交通工程設施的設計提供依據(jù)。(6)ITS在防治交通事故中的應用。利用自動控制、通信信息等領域的先進科技成果,研制智能化交通安全設施,提高防范交通事故的智能化程度。2.3環(huán)境安全理念環(huán)境安全是涉及面非常廣泛的問題,總體分為自然環(huán)境的安全問題和社會環(huán)境的問題。其中自然環(huán)境又包括大氣、水、土壤、聲、光、生物環(huán)境等要素,社會環(huán)境包括人工構造物(耕地、城鎮(zhèn)、工廠、水庫等)以及人文景觀(名勝、古跡、風景區(qū)等),同時包括經(jīng)濟、政治、文化、道德、風俗等要素。主要從以下幾方面考慮。(1)研究已有公路與環(huán)境相互作用的機理與關系,確定相互影響因素,預測公路建設對環(huán)境安全的影響以及環(huán)境對公路安全的影響程度,為路線方案的確定提供決策依據(jù)。(2)運用3S技術進行環(huán)境選線。地理信息系統(tǒng)(GIS)、遙感技術(RS)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)的發(fā)展為基于環(huán)境保護的空間分析提供了平臺,通過對森林資源分布、動物遷移棲息、礦產(chǎn)資源分布等信息進行疊加,引入環(huán)境影響程度系數(shù),對路域周邊區(qū)域環(huán)境敏感點進行影響趨勢分析和預測,確定最小環(huán)境敏感帶,為減小公路與環(huán)境相互影響提供安全保障[8]。(3)在降低公路與環(huán)境相互影響的前提下,進行環(huán)境保護設計,完善環(huán)保設施。如公路建設中水土保持的設計,公路建成后排水系統(tǒng)的自凈化設計,公路交通噪聲的防治對策等。總的來講,公路建設的環(huán)境安全問題是一個滿足所有約束條件的折中處理,應建立在廣泛調查與分析的基礎上,從而為公路選線找出對環(huán)境影響相對較小的路線走廊和環(huán)境敏感性較低的區(qū)域,通過對安全性、經(jīng)濟性、實用性、美觀性的比較,最終確定一個可行方案。3高速公路安全設計程序與方法傳統(tǒng)的高速公路設計安全性評價一般分別進行,結構安全評價流程為:方案設計-方案審查-結構設計-結構審查;環(huán)境安全評價流程為:編制工可-進行環(huán)評-修改方案-初步設計-環(huán)保設計方案的擬定-施工圖設計-環(huán)境保護設計;關于交通安全的評價一般認為滿足標準、規(guī)范的設計就可以保證交通安全。這種設計流程把“設計”和“安全”割裂開來,在設計中不能體現(xiàn)對安全性的考慮,并且國內對安全設計的評價一直是通過專家的經(jīng)驗來判定。專家通過審查設計部門提供的設計文件,對設計的合理性進行評價,并提出改進意見。但由于公路設計文件本身能夠提供給專家的信息有限,在缺乏試驗數(shù)據(jù)的情況下,很難做出客觀全面的評價。高速公路安全設計的基本程序,是將常規(guī)設計流程中被割裂的“設計”與“安全、經(jīng)濟、舒適、和諧”融為一體,在設計過程中實現(xiàn)的集成化?；诎踩O計的高速公路工可階段流程如圖1示,我國70%以上的土地是山地和丘陵,而高速公路設計面臨的最大問題是其特有的地形、地質、水文、生態(tài)等自然環(huán)境與公路自身的相互影響、相互適應和相互協(xié)調的問題。因此,工可階段環(huán)境安全影響因素的篩選是首要的環(huán)節(jié),通過確定最小環(huán)境敏感帶,對于保證以最小的環(huán)境代價換取最大的經(jīng)濟效益起到了關鍵作用。分段采用技術標準,目的是為了降低建設規(guī)模,減小對環(huán)境的破壞,但有時會影響道路設計的一致性,從而影響交通安全。因此,應對過渡段進行安全核查,給出定量分析結果,以優(yōu)化路線方案。高速公路技術指標的運用強調與自然條件的結合,但應以滿足道路使用功能的技術指標為前提,基于安全考慮,不同技術指標的采用對自然條件和安全設施設置的影響必須詳盡比較。對于山區(qū)高速公路不良地質主要有:滑坡、泥石流、崩塌、溶洞、采空區(qū)等,且分布廣泛,處理難度大。詳盡的地質調查是結構安全設計的基本保障,因此應針對不同因素對結構安全的影響進行審查,確定最佳方案。同時,不同結構對環(huán)境的適配性不同,因此除了保證結構自身安全外,還應對結構與路線環(huán)境以及結構與自然環(huán)境的綜合安全性進行評價。高速公路在設計階段(初步設計、施工圖設計)安全設計的流程如圖2示。設計階段分為初步設計和施工圖設計兩個階段,基于安全的設計理念適用于每個階段的全過程。資料的搜集是詳細設計的基礎,也是安全設計的依據(jù)。除了技術資料外還應進行交通事故分析資料、政策法規(guī)資料等的調查,為道路安全設計以及道路與路網(wǎng)、道路與地區(qū)發(fā)展協(xié)調性設計提供參考。路線設計應從總體一致性、均衡性、協(xié)調性出發(fā),滿足交通、環(huán)境以及特殊結構物(如特大橋、長大隧道、高邊坡等)的安全需要。因此,路線設計過程中,應對安全影響因素綜合考慮,全面評價。結構設計應在工可階段的基礎上進行詳細設計,并從施工角度考慮,制定切實可行的安全施工方案,細化安全保證措施。結構安全評價的意義是在保證結構自身安全的前提下,保證最小的環(huán)境破壞和最大的環(huán)境恢復。環(huán)境設計的目的是保障環(huán)境安全,但環(huán)境設計不應對交通安全產(chǎn)生負面影響。環(huán)境安全評價是對環(huán)境自身安全以及環(huán)境景觀設計對交通安全的影響進行的評價,是消除交通安全隱患的保證,有利于山區(qū)高速公路的