中國與莫桑比克爬坡車道設計對比分析研究

張軍華，　易　昕

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥　230088)

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中國與莫桑比克爬坡車道設計對比分析研究

張軍華，易昕

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥230088)

摘要：文章通過對我國外爬坡車道研究進程進行概要分析，對中國與莫桑比克爬坡車道設計，包含其理念、設置起終點、設置長度及斷面寬度等進行對比分析研究，提出其主要差異點，同時結合莫桑比克爬坡車道的實際設計經驗對其設置進行探討，并提出改進方案。

關鍵詞：爬坡車道；差異分析；改進方案

0引言

爬坡車道是陡坡路段正線行車道外側增設供載重車行駛的專用車道[1-2]。對爬坡車道研究始于20世紀50年代美國對載重汽車爬坡性能及道路通行能力的研究,在較長且坡度較大的上坡路段中,載重汽車由于其爬坡性能較差,車輛行駛速度降低較多,對道路通行能力及安全造成極大的負面影響,形成道路事故黑點。美國公路與運輸協會依據典型載重汽車(功率質量比為8.13 W/kg)的爬坡性能曲線,提出不同速度折減量下的臨界坡長值以及組合坡段等效縱坡,同時依據道路上通行的載重汽車典型數據,對不同速度情況下縱坡坡度與坡長的關系進行研究[3]。隨后,英國、德國和加拿大及日本等國家基于本國交通組成和調研情況,陸續提出了適用于本國的以小汽車為代表車型的換算方法,并把車輛當量換算系數作為本國公路技術標準中的一個主要技術參數。文獻[4]規定了爬坡車道設置條件,即縱坡超過5%的公路(高速公路和設計車速大于100 km/h的公路時縱坡為3%),應根據需要設置爬坡車道。文獻[5]中規定,任意坡度達到臨界坡長時就應設置爬坡車道。

與國外相比,我國在爬坡車道設置和研究方面都起步較晚,相關研究較少,現行標準[6]中規定,高速公路、一級公路以及二級公路的連續上坡路段,當通行能力、運行安全受到影響時,應設置爬坡車道。文獻[7]規定,只要滿足載重汽車上坡方向的行駛速度小于容許行駛速度或通行能力小于設計小時交通量之一者,就需設爬坡車道。此條件基本沿用日本的研究成果,但比日本的設置條件要嚴很多,在我國目前經濟實力情況下,投資稍顯超前[8]。文獻[9]依據工程實例,對通行能力和汽車爬坡行駛速度的影響情況進行分析,從通行能力及工程投資等方面論證爬坡車道設置的必要性,以此說明爬坡車道的論證方法。文獻[10]通過對汽車上坡運行特性的調查分析,確定縱坡和爬坡車道設計關鍵參數貨車功率質量比計算模型和試驗方法,并提出特定上坡路段基于主導車型爬坡性能和通行能力的爬坡車道設置條件。

本文旨在對中國與莫桑比克爬坡車道設計等進行對比分析研究,提出其主要差異點,同時結合莫桑比克爬坡車道的實際設計經驗對其設置進行探討,并提出改進方案。

1兩國爬坡車道設計理念對比

莫桑比克位于非州東南部,南鄰南非、斯威士蘭,西接津巴布韋、贊比亞、馬拉維，北接坦桑尼亞,東瀕印度洋,隔莫桑比克海峽與馬達加斯加相望,自然環境、氣候條件、地形地貌與中國差異較大,其公路設計主要執行南部非洲STACC標準,爬坡車道設計理念與中國亦不盡相同。

1.1代表車型

對于爬坡車道設置,主要取決于道路上需求服務水平對應的通行能力及功率質量比參數,即載重汽車的爬坡性能、進入特定上坡路段時的初始速度、上坡路段容許速度的降低值要求等。在爬坡車道的設計中,代表車型的選擇具有極其重要的作用。我國現行標準[6]中,縱斷面設計指標和爬坡車道設計參數是依據8 t載重車(功率質量比為9.3W/kg)的爬坡性能曲線確定,以此確定用于縱坡設計的主導車型[11-12]。

莫桑比克是按照載重車的(功率質量比為3.6 W/kg)噸位累計分布曲線95%位所對應的貨車載重噸位,作為代表車型的額定載重。從代表車型對比上看,中國大于莫桑比克要求,代表車型爬坡性能高于莫桑比克,故中國在爬坡車道設置要求中相對更為保守。這與莫桑比克載重汽車超載相對較少,而中國載重汽車超載現象嚴重密切相關。

1.2設置原則

我國爬坡車道設計主要為理論計算法,符合以下2個條件之一,就宜設置爬坡車道[7]。

(1) 對載重汽車上坡運行速度進行理論分析計算,根據運行速度值與容許行駛速度差值情況判定是否設置爬坡車道,當計算運行速度比表1中容許最低速度更小時,必須設置爬坡車道。

(2) 上坡路段的設計通行能力小于設計小時交通量時。

表1　上坡方向容許最低速度　　　　　km/h

對于莫桑比克,爬坡車道設置主要依據經驗法,規定在坡度大于3%時,達到表2規定對應臨界坡長時,必須設置爬坡車道。

表2　坡道臨界長度

任何坡度超過表2給出的臨界長度時,將會導致載重貨車減少超過20 km/h的速度,道路通行能力及服務水平均大幅下降。

從上述分析中可看出,兩國設置爬坡車道均考慮了設計通行能力下降及運行速度與設計速度差因素,不同的是我國爬坡車道速差統籌考慮平縱面指標結合代表汽車性能，以經驗公式進行計算,而莫桑比克則根據代表車型在不同坡度及坡長行駛時研究其行駛速度下降值,對平面指標基本忽略不計,但其給出量化指標,便于設計人員進行設計,同時對爬坡車道的要求更為嚴格。兩國規范中均提出了對設置爬坡車道與改善主線縱坡不設爬坡車道進行技術經濟比較論證,當設置爬坡車道的效益費用比、行車安全性較優時設置爬坡車道。

2兩國爬坡車道設計對比

2.1設置起、終點

(1) 我國規定爬坡車道設置范圍,如圖1所示[7]。爬坡車道的起點應設于陡坡路段上坡方向載重汽車的運行速度降低到容許最低速度處,爬坡車道的終點應設于載重汽車爬經陡坡路段后恢復至容許最低速度處,或陡坡路段后延伸的附加長度的端部。陡坡路段后延伸的附加長度規定見表3所列[7]。

圖1　爬坡車道設置范圍

附加路段縱坡/(%)下坡平坡上坡0.51.01.52.0附加長度/m100150200250300350

(2) 莫桑比克起終點設置主要依據主線速度的不同,給定不同的速度降低或恢復到差值大于20 km/h對應的長度值,見表4及表5所列。

表4　減速段長度

注:減速段長度包含漸變段部分。

表5　加速段長度

注:加速段長度包含漸變段部分。

2.2設置長度

我國爬坡車道分流、匯流漸變段,其長度規定見表6所列[7]。

表6　爬坡車道分流、匯流漸變段長度　　　　　m

我國爬坡車道總長度主要由分流漸變段+爬坡車道長度+合流漸變段組成;莫桑比克爬坡車道主要由減速段+爬坡車道+加速度組成。兩國爬坡車道長度規定基本一致，我國高速公路及一級公路漸變段長度規定比莫桑比克規定略長,二級公路比莫桑比克規定較短。

2.3斷面型式

我國規范規定,高速公路、一級公路以及二級公路在連續上坡路段設置爬坡車道時,其寬度應為3.50 m。高速公路、一級公路的爬坡車道應緊靠車道的外側設置,可利用硬路肩寬度,爬坡車道的外側應設置路緣帶和土路肩。二級公路的爬坡車道應緊靠車道的外側設置,可利用硬路肩寬度。

莫桑比克規范規定,爬坡車道應該有和相鄰行車道相同的寬度,通常取3.4 m或3.7 m(交通量較大),如圖2所示。

圖2　莫桑比克爬坡車道典型斷面圖

我國對高等級公路設置爬坡車道,如高速及一級公路等特指4車道公路,而莫桑比克未做明確規定,其爬坡車道設置范圍較我國較廣,稍顯浪費,易造成投資超前。

3莫桑比克爬坡車道設置分析

(1) 坡道臨界長度定義不明確。莫桑比克在表2中對坡道臨界長度起始點規定,近似地認為起坡點和豎曲線終點之間的一個中間點,未充分考慮實際縱坡度應如何折算,不盡全面。

本文結合莫桑比克爬坡車道實際設計經驗,建議運用等效坡度坡長理念對其組合上坡進行考慮,當組合上坡段中的縱坡均不大于4%,且組合坡段總長小于1 200 m時,可直接采用平均坡度作為組合坡段的等效坡度;但當組合上坡路段中有部分縱坡大于4%,或組合坡段總長大于1 200 m,或二者皆有時,則宜采用組合坡度法確定等效坡度,具體折算見表7所列。

表7　等效坡度折算表　　　　　　　%

等效坡長可按以下坡長計算公式進行折算，即

(1)

其中,SD為等效坡長;Si為實際坡長;iD為等效坡度;iE為平均坡度。對于爬坡車道起始點位置,可按圖3所示進行考慮。

圖3　莫桑比克載重汽車在陡坡上的速度折減

(2) 莫桑比克爬坡車道終點未充分考慮其延伸段坡度差異,而采用統一的漸變長度,不盡合理,建議其參照我國規范,按表3設置附加段長度。

(3) 未對公路行車道范圍進行界定,易造成投資超前。莫桑比克規范主要依據表2對設置爬坡車道與否進行界定,未考慮現有行車道斷面是否為4車道或6車道等,基于目前莫桑比克經濟發展實況,建議參照我國標準,對6車道及以上道路取消爬坡車道設置。

4結論

(1) 兩國設計理念不盡相同,從兩國代表車型比較來看,我國略顯保守，主要采取理論計算法,通過理論計算運行速度與容許最低速度,或設計通行能力與設計小時交通量比較后較小時設置爬坡車道；而莫桑比克則通過對大于3%縱坡后對應坡長臨界長度進行量化,便于設計人員控制。

(2) 兩國起終點設置方法亦有區別,我國主要由具體運行速度降低到容許行駛速度的值(或陡坡路段延伸的附加長度)判定起終點,而莫桑比克主要依靠給定的經驗值確定起終點。

(3) 兩國爬坡車道界定的范圍不同,我國主要針對4車道高等級公路及二級公路,而莫桑比克則范圍更廣,涵蓋6車道以上公路。

因此,本文依據莫桑比克公路項目爬坡車道的設計經驗,建議采用等效坡度法明確坡道臨界長度,添加延伸段坡度指標控制爬坡車道終點位置,界定爬坡車道設置范圍,取消6車道及以上設置情況。

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收稿日期：2015-12-11；修改日期：2016-01-14

作者簡介：張軍華(1985-)，安徽肥東人，碩士，安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司工程師．

中圖分類號：U491.1

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0056-04