加定至海晏公路長大縱坡段路線設計方案探討

■王若川

（蘇交科集團股份有限公司，南京 210017）

1 概述

G341 加定至海晏公路是《國家公路網規劃》中的重要組成部分，是國家公路網的重要補充，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。 技術標準為全封閉雙向四車道一級公路標準，設計速度為80 km/h、60 km/h（長大縱坡路段），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有長大縱坡一處，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%。 由于長大縱坡路段一直是公路安全的重災區，因此本項目路線設計時應對其進行充分研究，盡可能避免出現長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 建設條件及主要控制因素

區域內主要控制因素有：（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渡區域。 （2）氣候、氣象：山區寒冷潮濕，盆地區溫暖干燥，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，多為小支溝發育并多呈現季節性河流，平時多干枯無水。 （4）工程地質：巖性為沖積粉質黏土、圓礫，主要不良地質為濕陷性黃土。 （5）重要道路：大小高速：高速公路，設計速度100 km/h，路基寬度26 m，本項目與其設置樞紐型互通；橋蔭路：三級公路，路基寬度7.5 m，本項目與其設置服務型互通；其他道路：朔摩路（三級公路）、X118（三級公路）。（6）區域內沿線村莊布局。

2.2 路線方案布設

為了盡可能降低長大縱坡坡度，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，線形上采用規范一般值以上的指標，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計，指標上兼顧地方氣候特征，采用最大縱坡陽坡段4.5%、陰坡段4%、緩和坡段2.5%的原則進行布設。

路線自賈家溝隧道洞口，依托山勢展線，考慮河谷北側現狀布設有朔摩路， 兩側分布大量村莊，布線條件差， 該段線位主要于河谷南側進行布設。至拉浪臺村、菜子口村處，為兼顧阿家堡樞紐布設條件，線位無法繼續依山布設，該處存在兩條線位：方案一（圖1、2）：借助地形于拉浪臺村、菜子口村之間跨越河谷，于北側展線，進一步加大里程，減小縱坡，但受控于村落布局，線位于菜子口村后側山體經過，因此拆遷規模、挖方工程偏大。 方案二（圖1、3）：繼續沿河谷南側展線，于菜子口村南側通過，但因無山勢依托，填方工程偏大。

圖1 方案一與方案二路線布設平面圖

2.3 路線方案比選

從路線指標、經濟性方面對兩個方案進行綜合比較，比選結果如表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進入樞紐，與方案一相比：（1）路線里程縮短約190 m，長大下坡坡度更大，道路行駛安全性較差；（2）由于無山體依托，該方案在坡底樞紐前無法設置避險車道， 道路行駛安全性較差；（3）雖避免對菜子口村后山體開挖，但樞紐整體缺方101.9 萬方，兩側可調運隧道棄渣26.4 萬方，缺方問題突出，需另擇取土場進行取土；（4）工程規模整體較小，估算較方案一低557.6 萬元。

圖2 方案一路線布設縱面圖

圖3 方案二路線布設縱面圖

綜上所述，方案一平均縱坡較緩，并可依托山勢在樞紐前設有避險車道， 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 下坡路段避險設施驗算

3.1 下坡路段制動轂溫升驗算

長大縱坡路段一直是公路安全的重災區，車輛尤其是大貨車在長大下坡路段行駛過程中，需不停制動以穩定車速，動能不停轉換為熱能，制動轂溫度快速上升并隨下坡距離的增加不斷累積。 制動轂與摩擦片之間的摩擦系數隨溫度增加而逐步降低，大貨車的制動效能也隨之發生明顯下降，造成制動器熱衰退現象， 最終導致大貨車的制動效能為零，大貨車制動失效。 根據相關專題研究結論，當溫度達到200 ℃或者更高時，制動轂就會部分喪失制動效能，存在導致車輛失控的風險[2]。

本文采用同濟大學王俊驊等[3]建立的制動轂溫升模型進行長大下坡路段大貨車制動轂溫升計算，計算結果如表2 所示。

表2 長大下坡路段大貨車制動轂溫升計算結果

從圖4 可以看出右線至K91+220 處，制動器溫升達到211.86 ℃，已超過臨界值200 ℃，制動轂部分或者全部喪失制動效能，存在可能導致車輛失控的風險。

圖4 長大下坡路段大貨車制動轂溫升曲線

3.2 安全設施布置

為增加道路安全，結合建設條件，在K87+400（制動轂預測溫度128.53 ℃）右幅，設置麻家莊停車區（圖5），以為高溫制動器車輛提供到區內車輛檢查、降溫、加水等服務，提醒長時間駕駛司機在此休息，盡可以減小連續下坡運營帶來的影響。 同時結合地形，在K90+732.91（制動轂預測溫度196.24 ℃）阿家堡樞紐前設置避險車道一處，最大限度保障失控車輛安全。

圖5 麻家莊停車區

圖6 阿家堡樞紐避險車道

4 上坡路段爬坡車道驗算

在上坡路段上，小客車速度變化不大，而大貨車會因爬坡能力不足而減速行駛，降低道路通行能力，同時會導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，應考慮論證設置爬坡車道。

4.1 運行速度驗算

根據規范[4]對上坡路段車輛進行運行速度檢驗，結果如圖7 所示。經檢驗， 上坡方向載重汽車運行速度大于40 km/h，滿足規范上坡方向容許的最低速度。

圖7 長大縱坡左線運行速度圖

4.2 對上坡方向通行能力分析

根據《公路工程技術標準》規定，一級公路的技術標準必須在該使用期內能提供三級以上服務水平，因此有必要對上坡方向通行能力進行分析[5]。 該段遠景年2040 年預測交通量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%。 該段設計速度為60 km/h，該速度下各級服務水平最大服務交通量分別為：一級、二級900 pcu/h/ln、三級1100 pcu/h/ln。

對設計速度進行修正，其具體計算公式如下：

其中，設計速度VD取60 km/h；左側路緣帶為0.5 m， 車道寬度和路側凈空對設計速度的修正值△Vw取-1 km/h；單向2 車道，車道數對設計速度的修正值△VN取-8 km/h。 可計算出該路段實際運行速度VR為51 km/h，內插獲得二級服務水平下最大服務交通量修正值MSFi890 pcu/h/ln， 三級服務水平下最大服務交通量修正值MSFi1065 pcu/h/ln。本項目為全封閉公路，一級公路路段的設計通行能力可由下式計算：

其中，駕駛者總體特征修正系數fp取1.0；車道數修正系數ff取1.0；Pi為車型i 的交通量占比；Ei為車型i 折算系數，不同的設計速度、交通量、坡度折減系數均不同，對于連續上坡路段，由于縱坡組合情況不同，需要根據不同的坡度和坡長組合情況來確定出等效坡度和坡長，然后來確定折算系數。

本文采用精確法求算等效坡度， 即通過運行速度的變化值來計算等效坡度坡長，經逐段計算，本路段等效坡度坡長為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]。進而可求得fHV＝0.369， 采用二級服務水平下最大服務交通量修正值計算得到設計通行能力Cd＝328 veh/h/ln，采用三級服務水平下最大服務交通量修正值計算得到Cd＝393 veh/h/ln。

該路段交通量為20184 pcu/d，單向設計小時交通量DDHV 可由下式計算：

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

綜上所述，遠景年滿足三級服務水平。

4.3 結論

該路段上坡方向載重汽車運行速度大于40 km/h，滿足規范上坡方向容許的最低速度。 遠景年服務水平達到三級，滿足規范規定的最低服務水平要求，故不設置爬坡車道。

5 結語

加定至海晏公路長大縱坡段充分考慮各種可能的路線方案，靈活運用技術指標，從安全性、經濟性等多角度比選，合理選擇推薦方案，再分別對下坡路段、上坡路段制動轂溫升、運行速度、通行能力進行驗算分析，合理設置交通設施，可為其他長大縱坡路段路線設計提供參考與借鑒。