解讀山區高速連續長下坡設計方法與指標

文|中交第一公路勘察設計研究院 郭騰峰

本文結合《公路路線設計規范》修訂過程，綜述相關調查研究的主要結論，解讀相關指標來源和依據，詳細解答了如何根本性破解長下坡安全問題，并簡要總結山區高速公路連續長下坡的縱坡設計方法和指標。旨在呼吁各地和工程專業技術人員，充分理解《規范》指標的來源和依據，客觀認識長下坡安全問題的本質，克服以往經驗認識和習慣做法，科學、靈活地進行山區高速公路縱坡設計。

近年來，我國山區高速公路連續下坡路段貨車失控事故多發、頻發，引起社會各界的廣泛關注。在現行《公路工程技術標準》和《公路路線設計規范》（以下簡稱《規范》）發布實施后，《規范》修訂組陸續收到一些關于長下坡設計方法與指標的咨詢函件，內容主要涉及以下方面：長下坡問題的本質是什么，如何解決？下坡中“緩坡”行駛，駕駛員為讓制動轂降溫，很少踩剎車制動，但《規范》為什么沒有設置“緩坡”方法和指標？基于經驗和習慣做法，長下坡采用“陡緩結合”的設計方法是否正確？連續長下坡設計中，應該如何設計縱坡？《規范》新增的平均縱坡指標，比經驗值更大、更寬松是否安全？

本文結合《規范》修訂過程，綜述相關調查研究的主要結論，解讀相關指標來源和依據，詳細解答了如何根本性破解長下坡安全問題，并簡要總結山區高速公路連續長下坡的縱坡設計方法和指標。

Q：長下坡安全問題與縱坡設計有關嗎？如何破解？

A：通過專題調研發現，一方面，我國山區高速公路連續長下坡路段事故多發、頻發的直接原因在于貨車超載、超限、超速等違法行為，以及駕駛員未按規定使用輔助制動系統、非法改裝車輛等。

另一方面，由于國內貨車逐漸趨于大型化，車輛總質量增加數倍，導致貨車整體性能下降，功率質量比下降約40%，車輛下坡持續制動能力顯著降低，也是引發貨車交通安全事故的重要因素。

綜上所述，我國山區高速公路長下坡安全性主要與“人”和“車”兩方面因素相關。其中，貨車大型化導致車輛整體性能下降、持續制動裝備落后等問題，是長下坡安全問題的深層次矛盾和根結。

調查試驗揭示，在人和車等因素合法、合規前提下，我國已建的山區高速公路長下坡路段均可供貨車安全通行。因此，結合上述調查研究結論，要想徹底解決貨車連續下坡中的安全問題，首先必須對標國際貨車性能標準，提升貨車總體性能和裝配條件。具體而言，要提升貨車功率質量比達到每噸8.3千牛及以上。同時，將貨車裝配升級換代，采用持續制動效能更高、更穩定的輔助制動系統，如緩速器等。其次，必須加強山區高速公路長下坡路段的通行管理和交通組織，杜絕車輛各類違法、違規行為的發生。

鑒于此，《規范》修訂階段修訂組專門向交通運輸部提交了相關專題研究報告和對貨車生產制造相關國家政策性的意見和建議。

Q：長下坡設計中，需要考慮“緩坡”嗎？

A：公路行業《規范》中的“緩坡”概念，是在上坡方向的基礎上提出的。當貨車在連續爬坡過程中，速度不斷降低，導致路段通行能力顯著下降時，通過有意識設計“緩坡”，能夠為車輛創造一個短距離提速的條件。根據汽車連續爬坡過程中的速度折減表現，上坡方向“緩坡”的坡度一般控制在3%以下。

眾所周知，貨車在山區高速公路連續下坡過程中，如果駕駛員連續踩剎車制動，會導致制動轂溫度過高，逐漸失去制動效能，最終導致車輛失控。這也是我國山區高速公路連續長下坡路段貨車失控的主要原因和表現。因此，有人認為，如果在長下坡路段中設置“緩坡”，車輛在緩坡路段行駛時，駕駛員很少踩剎車，這樣有助于制動轂自然降溫，恢復其應有的制動效能。

顯然，這種觀點是錯誤的，上坡方向“緩坡”和下坡方向“緩坡”的目的和性質截然不同。因此，在各類公路項目設計中，不能混淆“緩坡”概念，更不能把上坡方向的“緩坡”設計方法和思路，照搬到下坡方向縱坡設計當中。

Q：為什么《規范》沒有給出長下坡中“緩坡”的設計指標？

A：準確地說，《規范》（2017版）確實沒有給出長下坡中“緩坡”的設計指標，但并非因為《規范》缺乏調查研究，而是因為通過專題試驗發現，在連續長下坡過程中設置“緩坡”并沒有實際意義，也不具備工程可操作性，因此《規范》不推薦在長下坡中專門設計“緩坡”。

根據汽車下坡運動方程、制動原理和貨車制動轂溫度變化模型，汽車下坡行駛過程總體符合能量守恒定律，即該過程近似于一個機械勢能轉化為車輛動能和熱能（制動轂溫度）的過程。例如，在某山區高速公路起終點位置和相對高差基本確定的前提下，路線設計采用“平均坡度4%（長度5公里）”的方案與采用“平均坡度3%（長度6公里，增設緩坡）”的方案，對制動轂溫度變化影響很小。即在最大縱坡范圍內，“陡而短”的縱坡組合與長而緩”縱坡組合相比差異不大。

另外，制動轂一般為灰鑄鐵材質，在車輛行駛過程中，其自然降溫的速度很慢。一組試驗顯示，在車輛以每小時60公里的速度行駛時，要使制動轂自然降溫10攝氏度，需要約10分鐘以上時間，而此時汽車行駛距離至少10公里。在山區高速公路設計中，設置幾公里以上的緩坡顯然不具備可操作性。

因此，《規范》（2017版）修訂中明確，連續長下坡路段設計中，不推薦有意識設置“緩坡”，即不推薦“陡緩結合”的設計方法（上坡方向需要設置的緩坡除外）。

Q：控制長下坡設計的指標是什么？有什么依據？

A：盡管解決山區高速長下坡安全問題的關鍵并不在于高速縱坡指標，也不在于縱坡如何組合設計，但本著負責任的態度，《規范》從我國當前貨運主導車型的性能條件和升級換代周期等實際情況出發，通過配套專題充分試驗、研究和論證，選擇以發動機輔助制動（即排擋制動）模式為基本工況條件，通過試驗研究建立了貨運主導車型——六軸鉸接列車的制動溫度控制模型；以制動轂溫度不超過200攝氏度為安全條件，提出了“《規范》表8.3.5連續長、陡下坡的平均坡度與連續坡長”，如表1所示，作為現階段指導高速和一級公路連續性長下坡設計與評價性的推薦性指標。

表1 連續長、陡下坡的平均坡度與連續坡長

需要特別說明的是，表1基于的“發動機輔助制動模式”，與排氣輔助制動模式比較，相對更安全、更保守。因為采用排氣制動模式下，得出的平均縱坡坡度和坡長將會更大、更長。因此，在我國汽車制造標準強制性要求所有車輛出廠必須裝配輔助制動系統（國內普遍裝配的是“排氣制動系統”）前提下，表1中的數據已經是相對保守、偏于安全的指標了。

這樣，單從下坡方向考慮，《規范》（2017版）中指導和控制縱坡設計的指標主要有以下兩個部分：

最大縱坡坡度

《規范》中各級公路的最大縱坡設計標準如“表8.2.1”即表2所示。

表2 最大縱坡

連續長、陡下坡的平均縱坡（檢驗性指標）

《規范》中高速和一級公路連續長、陡下坡路段的平均坡度與連續坡長設計標準如表1所示；若超出《規范》設計標準時，應及時進行交通安全性評價，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施，并論證增設貨車強制停車區。

Q：連續長下坡路段，如何設計縱坡？

A：受限于公路行業標準規范的體例和形式要求，《規范》條文內容不能完整地講述工程設計方法和流程。因此，筆者結合相關工程實踐，總結了《規范》（2017版）推薦的“山區高速公路縱坡設計方法和流程”。

首先需要明確，在連續上坡方向高速公路縱坡設計的重點在于保證路段通行能力，而下坡重點在于保障連續下坡的通行安全性，因此，山區高速公路選線、方案優化、縱坡設計，應區分整體式和分離式路基、區分上坡和下坡方向等情況。

整體式

對采用整體式路基斷面的路段，主體先依照《規范》對上坡方向的指標和要求設計縱坡（包括采用緩坡），因為與下坡方向的指標限制相比，上坡方向指標受限更多，然后再對照《規范》第1條從下坡方向對縱坡設計進行檢驗、評價。

分離式

對采用分離式路基斷面的路段，上坡方向完全按照《規范》對上坡方向的指標和要求設計縱坡，包括在連續上坡中間，結合地形條件合理設置緩坡；當路段運行速度、通行能力明顯降低時，論證設置爬坡車道等措施；下坡方向則以表2中的數據為控制指標，以表1中的數據為檢驗參考指標，結合沿線地形、地質等起伏、變化條件，靈活設計縱坡。

當初步方案的平均縱坡與坡長小于表1參考指標值時，縱坡深化設計主要考慮順應地形起伏變化、填挖平衡、工程量最小等因素，包括保證上坡方向的通行能力和服務水平。

當初步方案的平均縱坡與坡長大于表1參考指標值時，可重新選線或采用隧道方案降低路段起終點的相對高差，或在起終點相對高差條件比較固定時，在路段中間位置合理設置貨車強制停車區，通過強制停車區將原連續長下坡路段分為兩個或兩個以上的連續下坡路段，同時，通過交通安全性評價，明確路段速度控制和通行管理方案。必要時，重復以上步驟和過程，直到上坡和下坡的角度和各項指標均滿足《規范》要求。

以上設計方法和流程僅為概述性質，具體工程設計中應結合實際情況，因地制宜，靈活運用。

Q：與上坡方向比較，長下坡設計方法有哪些不同？

A：基于貨車上坡、下坡的綜合能力與對應坡度、坡長等對比，可以得出“高速公路縱坡設計主要受車輛上坡性能條件控制”的結論。與上坡方向相比，下坡方向縱坡與坡長均可以更大、更長，即下坡方向可靈活設計、掌握的空間更大，受限制更少。同時，由于以往公路設計、建設以整體式路基斷面為主，而在整體式路基的公路縱坡設計中，上坡方向的縱坡組合必然也同時決定了下坡方向的縱坡條件，因此，以往公路縱坡設計主要從上坡方向考慮較多。在本質上，上坡方向縱坡設計重點在于解決連續上坡路段的通行能力和服務水平問題。

但在我國貨運車輛大型化發展、車輛整體性能和持續制動不足等情況下，山區高速公路縱坡設計出現了新的關鍵點——下坡方向的安全性問題。于是，即便同樣是整體式路基斷面，現在高速公路連續縱坡設計也必須從下坡方向考慮。需要對照表1中的指標參數，對平均縱坡進行檢查和評價。

需要特別強調的是，在采用分離式路基的下坡方向，縱坡設計最終只受到表2和表1中的指標限制。從“法無禁止即可為”的原則出發，相對于整體式路基而言，分離式路基的下坡方向縱坡設計靈活展線、優化設計的空間更大，且不需要有意識設置緩坡。工程師可以把重點更多地放在填完平衡、工程量最小，以及其他控制因素方面。

Q：長下坡路段采用“一坡到底”的縱坡方案，可行嗎？

A：有專業技術人員提問，某山區高速公路，設計行車時速為10 0公里，在分離式路基下坡方向對照《規范》，如果采用3.5%、長度9公里，一坡到底的方案可行嗎？符合《規范》要求嗎？

在本質上，上坡方向縱坡設計重點解決連續上坡路段的通行能力和服務水平問題。

答案是肯定的，盡管山區地形起伏變化大，加上受橋隧構造物布置等制約影響，實際工程不會采用“一坡到底”的縱坡設計方案，但從《規范》符合性角度而言，只要平均縱坡坡度與坡長在表1的范圍之內，采用3.5%的坡度、“一坡到底”，符合《規范》要求。

前文曾重點述及表1的參考值是根據專題試驗研究、實車現場試驗等，在貨車主導車型采用發動機輔助制動——偏于保守、安全的工況條件下得出。只要駕駛員不違法、違規駕駛，完全可以安全通行。如果駕駛員正確使用輔助制動系統，安全連續下坡的坡度、坡長還可以更大、更長。

回顧《規范》修訂過程，長下坡安全問題是我國現行公路技術標準規范修訂中的焦點問題。雖然，配套專題研究早在2014年就已經完成，但由于問題復雜、涉及面廣、結論與經驗認識差異大等原因，隨后進行了長達兩年時間的再研究、檢驗和驗證工作，最終才在2017版《規范》中發布實施。

客觀而言，專題研究提出的“連續長、陡下坡平均縱坡指標”，有充分的調查研究基礎，有科學的數據結論支撐，還經過了各層級、跨行業的反復審查、評審。在《規范》（2017版）正式發布實施之后，意味著該指標已經不只是一項研究成果，而是經過行業審慎研究確定的、山區高速公路設計的直接依據。

本文再次綜述高速公路連續長下坡設計方法與指標，旨在呼吁各地和工程專業技術人員，充分理解《規范》指標的來源和依據，客觀認識長下坡安全問題的本質，克服以往經驗認識和習慣做法，可以科學、靈活進行山區高速公路縱坡設計。