加定至海晏公路長(zhǎng)大縱坡段路線設(shè)計(jì)方案探討

■王若川

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017）

1 概述

G341 加定至海晏公路是《國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃》中的重要組成部分，是國(guó)家公路網(wǎng)的重要補(bǔ)充，其位于海東市互助縣、西寧市大通縣、海北藏族自治州海晏縣。 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為全封閉雙向四車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h、60 km/h（長(zhǎng)大縱坡路段），整體式路基寬25.5 m， 分離式路基寬2×12.75 m[1]。受地形限制，加定至海晏公路于大通縣設(shè)有長(zhǎng)大縱坡一處，坡頂位于賈家溝隧道洞口，坡底位于阿家堡樞紐，主要為河谷地形，里程8.2 km，自然坡差330 m，自然平均坡度4%。 由于長(zhǎng)大縱坡路段一直是公路安全的重災(zāi)區(qū)，因此本項(xiàng)目路線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行充分研究，盡可能避免出現(xiàn)長(zhǎng)大縱坡或者減緩路段坡度，以提高道路安全。

2 路線方案

2.1 建設(shè)條件及主要控制因素

區(qū)域內(nèi)主要控制因素有：（1）地形地貌：位于具喀斯特地形的淺切割陡坡低高山山間溝谷向具梁垅狀山脊平緩溝谷的低山丘陵過(guò)渡區(qū)域。 （2）氣候、氣象：山區(qū)寒冷潮濕，盆地區(qū)溫暖干燥，氣溫變化大，屬大陸性氣候。 （3）水系、水文：沿線未跨越大型河流，多為小支溝發(fā)育并多呈現(xiàn)季節(jié)性河流，平時(shí)多干枯無(wú)水。 （4）工程地質(zhì)：巖性為沖積粉質(zhì)黏土、圓礫，主要不良地質(zhì)為濕陷性黃土。 （5）重要道路：大小高速：高速公路，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度26 m，本項(xiàng)目與其設(shè)置樞紐型互通；橋蔭路：三級(jí)公路，路基寬度7.5 m，本項(xiàng)目與其設(shè)置服務(wù)型互通；其他道路：朔摩路（三級(jí)公路）、X118（三級(jí)公路）。（6）區(qū)域內(nèi)沿線村莊布局。

2.2 路線方案布設(shè)

為了盡可能降低長(zhǎng)大縱坡坡度，提高路段安全性，平面上宜依照地形展線，盡可能加大路線里程，線形上采用規(guī)范一般值以上的指標(biāo)，提高行駛舒適度，降低駕駛員行駛壓力。 縱斷面上考慮上坡爬坡車輛通行效率，采用以大、小縱坡交替組合的縱斷面設(shè)計(jì)，指標(biāo)上兼顧地方氣候特征，采用最大縱坡陽(yáng)坡段4.5%、陰坡段4%、緩和坡段2.5%的原則進(jìn)行布設(shè)。

路線自賈家溝隧道洞口，依托山勢(shì)展線，考慮河谷北側(cè)現(xiàn)狀布設(shè)有朔摩路， 兩側(cè)分布大量村莊，布線條件差， 該段線位主要于河谷南側(cè)進(jìn)行布設(shè)。至拉浪臺(tái)村、菜子口村處，為兼顧阿家堡樞紐布設(shè)條件，線位無(wú)法繼續(xù)依山布設(shè)，該處存在兩條線位：方案一（圖1、2）：借助地形于拉浪臺(tái)村、菜子口村之間跨越河谷，于北側(cè)展線，進(jìn)一步加大里程，減小縱坡，但受控于村落布局，線位于菜子口村后側(cè)山體經(jīng)過(guò)，因此拆遷規(guī)模、挖方工程偏大。 方案二（圖1、3）：繼續(xù)沿河谷南側(cè)展線，于菜子口村南側(cè)通過(guò)，但因無(wú)山勢(shì)依托，填方工程偏大。

圖1 方案一與方案二路線布設(shè)平面圖

2.3 路線方案比選

從路線指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性方面對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行綜合比較，比選結(jié)果如表1 所示。

表1 路線方案綜合比較分析

方案二路線由菜子村南側(cè)進(jìn)入樞紐，與方案一相比：（1）路線里程縮短約190 m，長(zhǎng)大下坡坡度更大，道路行駛安全性較差；（2）由于無(wú)山體依托，該方案在坡底樞紐前無(wú)法設(shè)置避險(xiǎn)車道， 道路行駛安全性較差；（3）雖避免對(duì)菜子口村后山體開挖，但樞紐整體缺方101.9 萬(wàn)方，兩側(cè)可調(diào)運(yùn)隧道棄渣26.4 萬(wàn)方，缺方問(wèn)題突出，需另?yè)袢⊥翀?chǎng)進(jìn)行取土；（4）工程規(guī)模整體較小，估算較方案一低557.6 萬(wàn)元。

圖2 方案一路線布設(shè)縱面圖

圖3 方案二路線布設(shè)縱面圖

綜上所述，方案一平均縱坡較緩，并可依托山勢(shì)在樞紐前設(shè)有避險(xiǎn)車道， 道路安全性高于方案二，土石方填挖更平衡，故推薦采用方案一。

3 下坡路段避險(xiǎn)設(shè)施驗(yàn)算

3.1 下坡路段制動(dòng)轂溫升驗(yàn)算

長(zhǎng)大縱坡路段一直是公路安全的重災(zāi)區(qū)，車輛尤其是大貨車在長(zhǎng)大下坡路段行駛過(guò)程中，需不停制動(dòng)以穩(wěn)定車速，動(dòng)能不停轉(zhuǎn)換為熱能，制動(dòng)轂溫度快速上升并隨下坡距離的增加不斷累積。 制動(dòng)轂與摩擦片之間的摩擦系數(shù)隨溫度增加而逐步降低，大貨車的制動(dòng)效能也隨之發(fā)生明顯下降，造成制動(dòng)器熱衰退現(xiàn)象， 最終導(dǎo)致大貨車的制動(dòng)效能為零，大貨車制動(dòng)失效。 根據(jù)相關(guān)專題研究結(jié)論，當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃或者更高時(shí)，制動(dòng)轂就會(huì)部分喪失制動(dòng)效能，存在導(dǎo)致車輛失控的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

本文采用同濟(jì)大學(xué)王俊驊等[3]建立的制動(dòng)轂溫升模型進(jìn)行長(zhǎng)大下坡路段大貨車制動(dòng)轂溫升計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 長(zhǎng)大下坡路段大貨車制動(dòng)轂溫升計(jì)算結(jié)果

從圖4 可以看出右線至K91+220 處，制動(dòng)器溫升達(dá)到211.86 ℃，已超過(guò)臨界值200 ℃，制動(dòng)轂部分或者全部喪失制動(dòng)效能，存在可能導(dǎo)致車輛失控的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 長(zhǎng)大下坡路段大貨車制動(dòng)轂溫升曲線

3.2 安全設(shè)施布置

為增加道路安全，結(jié)合建設(shè)條件，在K87+400（制動(dòng)轂預(yù)測(cè)溫度128.53 ℃）右幅，設(shè)置麻家莊停車區(qū)（圖5），以為高溫制動(dòng)器車輛提供到區(qū)內(nèi)車輛檢查、降溫、加水等服務(wù)，提醒長(zhǎng)時(shí)間駕駛司機(jī)在此休息，盡可以減小連續(xù)下坡運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的影響。 同時(shí)結(jié)合地形，在K90+732.91（制動(dòng)轂預(yù)測(cè)溫度196.24 ℃）阿家堡樞紐前設(shè)置避險(xiǎn)車道一處，最大限度保障失控車輛安全。

圖5 麻家莊停車區(qū)

圖6 阿家堡樞紐避險(xiǎn)車道

4 上坡路段爬坡車道驗(yàn)算

在上坡路段上，小客車速度變化不大，而大貨車會(huì)因爬坡能力不足而減速行駛，降低道路通行能力，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致坡道上兩種車輛速度差增大，超車需求增大，危及行車安全，有必要時(shí)，應(yīng)考慮論證設(shè)置爬坡車道。

4.1 運(yùn)行速度驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范[4]對(duì)上坡路段車輛進(jìn)行運(yùn)行速度檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7 所示。經(jīng)檢驗(yàn)， 上坡方向載重汽車運(yùn)行速度大于40 km/h，滿足規(guī)范上坡方向容許的最低速度。

圖7 長(zhǎng)大縱坡左線運(yùn)行速度圖

4.2 對(duì)上坡方向通行能力分析

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，一級(jí)公路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)必須在該使用期內(nèi)能提供三級(jí)以上服務(wù)水平，因此有必要對(duì)上坡方向通行能力進(jìn)行分析[5]。 該段遠(yuǎn)景年2040 年預(yù)測(cè)交通量20184 pcu/d， 交通組成分別為：小貨18.4%、中貨3.4%、大貨6.0%、拖掛15.2%、 小客47.4%、 大客9.6%。 該段設(shè)計(jì)速度為60 km/h，該速度下各級(jí)服務(wù)水平最大服務(wù)交通量分別為：一級(jí)、二級(jí)900 pcu/h/ln、三級(jí)1100 pcu/h/ln。

對(duì)設(shè)計(jì)速度進(jìn)行修正，其具體計(jì)算公式如下：

其中，設(shè)計(jì)速度VD取60 km/h；左側(cè)路緣帶為0.5 m， 車道寬度和路側(cè)凈空對(duì)設(shè)計(jì)速度的修正值△Vw取-1 km/h；單向2 車道，車道數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)速度的修正值△VN取-8 km/h。 可計(jì)算出該路段實(shí)際運(yùn)行速度VR為51 km/h，內(nèi)插獲得二級(jí)服務(wù)水平下最大服務(wù)交通量修正值MSFi890 pcu/h/ln， 三級(jí)服務(wù)水平下最大服務(wù)交通量修正值MSFi1065 pcu/h/ln。本項(xiàng)目為全封閉公路，一級(jí)公路路段的設(shè)計(jì)通行能力可由下式計(jì)算：

其中，駕駛者總體特征修正系數(shù)fp取1.0；車道數(shù)修正系數(shù)ff取1.0；Pi為車型i 的交通量占比；Ei為車型i 折算系數(shù)，不同的設(shè)計(jì)速度、交通量、坡度折減系數(shù)均不同，對(duì)于連續(xù)上坡路段，由于縱坡組合情況不同，需要根據(jù)不同的坡度和坡長(zhǎng)組合情況來(lái)確定出等效坡度和坡長(zhǎng)，然后來(lái)確定折算系數(shù)。

本文采用精確法求算等效坡度， 即通過(guò)運(yùn)行速度的變化值來(lái)計(jì)算等效坡度坡長(zhǎng)，經(jīng)逐段計(jì)算，本路段等效坡度坡長(zhǎng)為4.1%，1050 m。 查表得中型車、大型車、拖掛車折算系ei 分別為6.1、6.0、6.0[6]。進(jìn)而可求得fHV＝0.369， 采用二級(jí)服務(wù)水平下最大服務(wù)交通量修正值計(jì)算得到設(shè)計(jì)通行能力Cd＝328 veh/h/ln，采用三級(jí)服務(wù)水平下最大服務(wù)交通量修正值計(jì)算得到Cd＝393 veh/h/ln。

該路段交通量為20184 pcu/d，單向設(shè)計(jì)小時(shí)交通量DDHV 可由下式計(jì)算：

其中，年平均日交通量AADT 可根據(jù)車型比例換算得到，為15765 veh/d；高峰小時(shí)系數(shù)K 取9.0%；方向不均勻系數(shù)D 取0.52。 得到DDHV＝737 veh/h。

綜上所述，遠(yuǎn)景年滿足三級(jí)服務(wù)水平。

4.3 結(jié)論

該路段上坡方向載重汽車運(yùn)行速度大于40 km/h，滿足規(guī)范上坡方向容許的最低速度。 遠(yuǎn)景年服務(wù)水平達(dá)到三級(jí)，滿足規(guī)范規(guī)定的最低服務(wù)水平要求，故不設(shè)置爬坡車道。

5 結(jié)語(yǔ)

加定至海晏公路長(zhǎng)大縱坡段充分考慮各種可能的路線方案，靈活運(yùn)用技術(shù)指標(biāo)，從安全性、經(jīng)濟(jì)性等多角度比選，合理選擇推薦方案，再分別對(duì)下坡路段、上坡路段制動(dòng)轂溫升、運(yùn)行速度、通行能力進(jìn)行驗(yàn)算分析，合理設(shè)置交通設(shè)施，可為其他長(zhǎng)大縱坡路段路線設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。