橫斷山區(qū)高速公路長大下坡路段安全評價及改善措施

陳朝暉， 何云勇,2， 何恩懷

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司， 成都 610041； 2.西南交通大學 土木工程學院， 成都 610031)

近年來，我國公路建設重心逐漸延伸至西部地區(qū)和高原，公路建設受制于地形、地貌、地質(zhì)等自然條件，山區(qū)高速公路普遍面臨長大下坡安全設計的現(xiàn)實需求。與一般路段高速公路相比，長大下坡路段往往具有高差大、轉(zhuǎn)角小、曲線半徑小、橋隧比例高、平縱線形展線困難等特點，運營安全問題尤為突出。國內(nèi)外學者基于車輛下坡時的動力性能建立了車輛制動鼓溫升理論與計算模型，從保障車輛正常行駛角度對長大下坡路段運營安全進行了研究[1-5]，但對山區(qū)高速公路連續(xù)長大下坡路段路線設計評價鮮有報道，如不同位置和長度的緩坡對貨車制動鼓溫度的影響、強制停車區(qū)對貨車安全營運的作用等。本文在已有研究成果基礎上，利用大貨車溫升控制的長大下坡安全評價方法，分析了四川省某橫斷山區(qū)高速公路44.6 km連續(xù)長大下坡路段設計安全性，研究了強制停車區(qū)及緩坡設置作用及適宜位置，提出了基于安全運營的改善措施，可供同類地區(qū)高速公路設計參考。

1 長大下坡概況

四川省南部橫斷山區(qū)某高速公路長大下坡起點樁號為K136+660，設計高程為2 608 m，止點樁號為K181+242，設計高程為1 522 m。該連續(xù)長大下坡路段長44.6 km，高差為1 086 m，平均縱坡為2.43%。受地形、地貌控制，該長大下坡路段上部采用了2處螺旋展線降坡，如圖1所示。其中K136+600～K166+225段長29.9 km，高差為823.8 m，平均縱坡為2.75%，超出了JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》[6]8.3.5條規(guī)定。為提高長大下坡路段車輛運營安全，在該路段間斷設置了3段緩坡：1) 在連續(xù)下坡約11 km處起設置了2%的緩坡段(K147+825～K153+960)，坡長6.14 km；2) 在連續(xù)下坡約29.6 km處起設置了1.5%的緩坡段(K166+225～K170+711)，坡長4.49 km；3) 在連續(xù)下坡約35.3 km處起設置了0.5%的緩坡段(K171+940～K173+110)，坡長1.17 km。

圖1 長大下坡路段平面示意

根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》[6]要求，需對該長大下坡路段進行交通安全性評價，并提出路段速度控制和通行管理方案、完善交通工程和安全設計、論證是否增設貨車強制停車區(qū)。

2 基于貨車溫升控制的長大下坡安全評價方法

2.1 貨車制動鼓溫升模型

影響連續(xù)長大下坡路段運營安全的核心問題是載重貨車持續(xù)制動過程中，引起制動鼓溫度急劇升高，導致貨車制動功能衰減甚至失效問題。相關研究表明，貨車持續(xù)制動前后制動鼓溫差達150 ℃，當制動鼓溫度超過臨界值時，貨車容易出現(xiàn)剎車失靈，導致嚴重的交通安全事故。世界道路協(xié)會PIARC基于貨車制動系統(tǒng)能量守恒原理，考慮貨車車重、下坡行車速度、坡度、坡長及溫度等因素，建立了貨車制動鼓溫升模型[7]，見式(1)。該模型在高速公路長大下坡路段安全性評價中應用相對較多，評價結(jié)果較為可靠[8]。

T=T0×e-K1L/V+Ta(1-e-K1L/K)+K2PBV(1-e-K1L/V)

(1)

式中：T為制動鼓初始溫度，℃；T0為制動鼓初始溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；K1=1.23+0.016V；K2=0.1+0.001 3V；L為下坡路段長度，m；PB為制動功率，PB=PG-PE-PF，hp；PE為發(fā)動機制動功率，hp；PG為坡度力功率，PG=W·θ·V/272.16，hp；PF為摩擦力功率，PF=(450+10.78V)V/600，hp；W為車輛總重，kg；θ為縱坡坡度，%；V為行車速度，km/h。

依據(jù)世界道路協(xié)會PIARC貨車制動鼓溫度預測模型，通過預測汽車的制動鼓溫度可判斷長大下坡路段中各路段的危險程度，如表1所示。有關研究表明[9-10]，當貨車制動鼓溫度低于200 ℃時，制動性能正常；當貨車制動鼓溫度處于200 ℃～260 ℃時，貨車制動性能顯著下降，存在衰退制動失效的風險；當貨車制動鼓溫度處于260 ℃～290 ℃時，貨車制動性能嚴重下降，隨時都可能發(fā)生制動失效；而當貨車制動鼓溫度超過290 ℃時，制動鼓完全失效。因此，根據(jù)制動鼓溫度將連續(xù)下坡路段危險程度劃分為安全路段(低于200 ℃)、衰減路段(介于200 ℃～260 ℃)、危險路段(制動高于260 ℃)。

2.2 長大下坡路段貨車溫升計算

運用式(1)貨車制動鼓溫升預測模型對圖1連續(xù)長大下坡路段進行安全性評價。貨車制動鼓溫升模型中初始溫度T0取65.6 ℃，外部環(huán)境溫度取20 ℃，測算車型選取4軸貨車重31 t、5軸貨車重43 t、6軸貨車重49 t三種。貨車制動鼓溫度預測結(jié)果如圖2所示。從圖2可知， 該長大下坡運行中，4軸貨車制動鼓最高溫度為124.3 ℃，小于200 ℃，屬于安全范圍；5軸貨車制動鼓最高溫度為202.3 ℃,大于200 ℃，但未達到260 ℃，屬于衰減范圍；6軸貨車在K163+885處制動鼓溫度達到260 ℃，在K166+285處達到最高，為277 ℃。因此，對6軸貨車，該長大下坡中下部均為危險路段。

表1 基于貨車制動鼓溫度的路段危險程度分級

圖2 長大下坡路段貨車制動鼓溫升測算

該路段不同軸數(shù)的大貨車制動鼓溫度分布規(guī)律基本一致，即“陡坡升溫，緩坡降溫”。由圖2還可知，以6軸貨車為例，長大下坡路段上部2%的緩坡段制動鼓溫度由191.6 ℃下降至181.7 ℃，平均下降1.61 ℃/km；中下部1.5%的緩坡段制動鼓溫度由270.9 ℃下降至236.1 ℃，平均下降7.75 ℃/km；下部0.5%的緩坡段制動鼓溫度由237.1 ℃下降至225.9 ℃，平均下降9.57 ℃/km。

由此可見，連續(xù)長大下坡路段上部設置緩坡對貨車制動鼓降溫效果不明顯；中下部路段設置緩坡制動鼓降溫較明顯，緩坡越長降溫梯度越大。

值得注意的是，若本項目長大下坡采用單一縱坡2.43%展線下坡，6軸貨車制動鼓溫度預測如圖3所示。從圖3可知，制動鼓溫升曲線先增長后趨于平緩，最高溫度位于長大下坡止點，其值為221.2 ℃，降低20%，屬衰減路段。由此可見，采用均勻縱坡較陡緩相間的縱坡設計更利于行車安全。

圖3 均勻縱坡下貨車制動鼓溫升測算

2.3 貨車超載對制動鼓溫度的影響

鑒于我國貨運車輛超載現(xiàn)象嚴重，在連續(xù)下坡路段的安全評價中引入貨車超載10%、30%的情況，為連續(xù)下坡路段的安全設施及管理措施提供依據(jù)[11]。4軸貨車超載情況下制動鼓溫度預測如圖4所示。由圖4可見，4軸貨車超載10%時，由坡頂行駛至坡底，制動鼓溫度仍小于200 ℃，屬于安全路段；超載30%時，由坡頂下坡至34 km處，制動鼓溫度超過260 ℃，最高溫度達到288 ℃，長大下坡最后10 km為危險路段。

圖4 4軸貨車超載情況下制動鼓溫升預測

5軸貨車超載情況下制動鼓溫度預測如圖5所示。從圖5可見，超載10%時，由坡頂下坡至34.5 km處，制動鼓溫度超過260 ℃，最高溫度為283.1 ℃。超載30%時，由坡頂下坡至27.8 km處，制動鼓溫度超過260 ℃，最高溫度達到382.3 ℃，長大下坡下部17 km為危險路段。

圖5 5軸貨車超載情況下制動鼓溫升預測

6軸貨車超載情況下制動鼓溫度預測如圖6所示。從圖6可見，超載10%時，由坡頂下坡至27.9 km處，制動鼓溫度超過260 ℃，最高溫度為367 ℃。超載30%時，由坡頂下坡至13 km處，制動鼓溫度超過260 ℃，最高溫度達到512.4 ℃，長大下坡路段為危險路段。

圖6 6軸貨車超載情況下制動鼓溫升預測

通過對不同軸數(shù)貨車滿載和超載分析可知，4軸貨車超載30%及以上、5軸貨車超載10%及以上、6軸車滿載及以上，在長大下坡路段行駛制動鼓溫度均會超過260 ℃，存在制動鼓失靈風險。因此，建議該路段運營階段加強貨車超載治理，嚴禁大貨車超載行駛。

2.4 基于服務區(qū)強制停車的貨車溫升計算

考慮將K145+100服務區(qū)作為大貨車強制停車區(qū)特管路段，該服務區(qū)距離長大下坡路段坡頂約9 km，大貨車進入服務區(qū)加水降溫、制動鼓檢查、駕駛員休息后，進入余下的長大下坡路段行駛。6軸大貨車由坡頂行駛至服務區(qū)的制動鼓溫度預測如圖7所示。從圖7可見，制動鼓最高溫度為160 ℃，處于安全范圍。服務區(qū)至坡底的溫度預測如圖8所示。從圖8可見，制動鼓最高溫度為243.1 ℃，處于衰減范圍，仍存在衰退制動失效的風險。因此，建議結(jié)合該路段地形地質(zhì)條件、橋隧分布等因素，在適當?shù)奈恢迷鲈O1處避險車道[12]，以提高貨車運營安全保障。

圖7 6軸貨車坡頂至服務區(qū)制動鼓溫度預測

圖8 6軸貨車服務區(qū)至坡底制動鼓溫度預測

3 長大下坡路段安全設計改善措施

1) 將K145+100服務區(qū)作為強制停車區(qū)特管路段，增加下坡方向服務區(qū)內(nèi)貨車停車位，加強高溫制動鼓車輛檢修、加水降溫相關措施，提醒長時間駕駛員在此休息[13]。服務區(qū)出口適當位置設置長大下坡路段余長標志，以提醒駕駛員謹慎行駛[14]。

2) 大貨車強制進入服務區(qū)降溫后，運行至K157+660～K181+242段時，制動鼓溫度在200 ℃～260 ℃之間，仍存在衰退制動失效的風險。因此，建議結(jié)合該路段地形地質(zhì)條件、橋隧分布等因素，在適當位置增設1處避險車道，以提高大貨車運營安全保障。

3) 大貨車運行制動鼓溫度高于200 ℃路段建議增強路面抗滑性能，加強路側(cè)安全防護等級，條件允許下加高護欄高度，以最大限度地保證制動失控車輛的安全性。建議加強此路段隧道出入口過渡段視線誘導及安全警示，以提醒駕駛員注意洞內(nèi)外的明暗變化，降低車輛的行駛速度[15]。

4 結(jié)論

1) 本文研究的高速公路長大下坡路段案例中，4軸、5軸貨車到達坡底時，制動鼓溫度基本屬于安全范圍，6軸大貨車則為277 ℃，超過了臨界溫度。而若該路段縱坡設計為單一值-2.43%，6軸大貨車達到坡底溫度為221.2 ℃，降低20%，屬衰減范圍。因此，采用均勻縱坡比陡緩相間的縱坡設計更利于行車安全。

2) 連續(xù)長大下坡路段上部設置緩坡對貨車制動鼓降溫效果不明顯；中下部路段設置緩坡制動鼓降溫較明顯，緩坡越長降溫梯度越大。

3) 貨車超載將大幅提高全路段制動鼓溫度，應嚴格控制。在適當位置設置強制停車區(qū)、服務區(qū)，管制大貨車駛?cè)爰铀禍兀捎行Ы档烷L大下坡路段制動鼓溫度，提高運營安全。

4) 建議在制動鼓溫度超過200 ℃路段適當位置設置避險車道、增強路面抗滑性能及橋梁護欄防護等級，加強長大下坡余長提醒標志、隧道出入口過渡路段視線誘導及安全警示。