大型貨車功重比對高速公路連續(xù)下坡路段交通安全性的影響

林宣財，張旭豐，王 佐，吳善根，李 濤

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

山區(qū)高速公路由于受到地形、工程造價限制，縱斷面常會采用連續(xù)下坡進行設(shè)計，形成較多連續(xù)長大下坡路段。根據(jù)已建高速公路平均縱坡控制情況的調(diào)查研究，交通事故率與平均縱坡存在相關(guān)性，但與貨車占比、載重率及貨車功重比也有密切關(guān)系，汽車在連續(xù)下坡路段行駛時，駕駛員常傾向于采用高檔位和制動轂制動的駕駛方式；為保證貨車長下坡狀態(tài)為穩(wěn)速，頻繁使用制動轂容易導(dǎo)致其溫度上升，引發(fā)制動效能降低甚至失效，不利于貨車的安全行駛。

對連續(xù)長下坡交通安全性問題，國內(nèi)外相關(guān)研究較多，主要有針對連續(xù)下坡路段交通事故進行統(tǒng)計分析[1-3]，建立相關(guān)的制動轂溫度模型[4-6]，并提出相應(yīng)的改善措施，如避險車道[7-8]、交通管理等[9]。澳大利亞的Austroads[10]對貨車駕駛員進行問卷調(diào)查并查閱文獻，研究了連續(xù)下坡路段導(dǎo)致貨車失控的嚴重事故，給出了制動升溫模型，輔助制動系統(tǒng)與駕駛員培訓(xùn)內(nèi)容，以確保貨車駕駛員與其他道路使用者的安全。陳立輝[11]在已有的制動鼓溫度模型的基礎(chǔ)上，通過引入海拔高度修正系數(shù)，構(gòu)建了適合高原環(huán)境連續(xù)下坡路段制動鼓溫度模型。在連續(xù)下坡與縱斷面線形指標(biāo)方面，潘兵宏[12]收集了大量相關(guān)文獻資料，通過路段試驗、場地試驗和理論分析，提出了山區(qū)高速公路平均縱坡和坡長限制的指標(biāo)值。國內(nèi)針對高速公路合理限速相關(guān)問題也有較多研究，主要基于運行速度、設(shè)計速度為主的限速方法[13-14]。許金良[15]基于運行速度、設(shè)計速度等因素，提出綜合考慮新建高速公路限制速度。

《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)(以下簡稱《路線規(guī)范》)指出，我國目前貨運主導(dǎo)型車輛仍為6軸鉸接列車，其功重比為5.2 kW/t，美國AASHTO規(guī)范給出的貨運主導(dǎo)車型功重比8.3 kW/t，相比明顯偏低，也不符合以往研究中給定貨車主導(dǎo)車型和功重比[16]。說明貨車功重比偏低是連續(xù)長大縱坡路段交通事故多發(fā)的主要致因之一；平均縱坡與交通事故也存在相關(guān)性，但僅從減緩平均縱坡度不能完全解決貨車功重比偏低造成交通事故多發(fā)的問題，況且目前《路線規(guī)范》)對高速公路連續(xù)下坡路段的規(guī)定為：平均縱坡2.5%的連續(xù)坡長控制長度20 km，平均縱坡3%的連續(xù)坡長控制長度14.8 km，平均縱坡3.5%的連續(xù)坡長控制長度9.3 km，這些規(guī)定已經(jīng)較嚴，對工程規(guī)模影響較大，為了合理控制工程造價，應(yīng)從提高貨車功重比的可能方案和限制速度兩方面著手。本研究主要從貨車超載、貨車占比及裝載率角度開展調(diào)查研究，根據(jù)大型貨車載重量對高速公路連續(xù)長大下坡路段交通安全性的影響分析，提出保證貨車功重比達到一定水平以上的載重管控措施。

1 大型貨車功重比對高速公路連續(xù)下坡路段交通安全性的影響

1.1 貨車超載對高速公路長大縱坡路段交通安全性影響分析

我國高速公路基本上都是客貨混行，由于貨車整體性能差別大，貨車功重比不同造成客貨之間和貨車之間出現(xiàn)較大的速度差，在上坡路段客貨之間與貨車之間強超強會，誘發(fā)交通事故；下坡路段超速或高速行駛，造成剎車失控，甚至剎車失靈，出現(xiàn)交通事故多發(fā)。我國高速公路交通事故率高于歐美等國，郭騰峰等[17]研究認為主因在于貨車功重比嚴重偏低，即貨車性能差、超載是主因，如原八達嶺高速公路交通事故多發(fā)路段的長大陡坡長度僅4.77 km，平均縱坡為4.27%，任意連續(xù)3 km最大平均縱坡為4.51%；但貨車超載情況見表1，其中中型貨車平均超載率為4.53倍，居最高，大型貨車次之，為2.62倍，拖掛車最小，為1.7倍。由于貨車超載情況十分嚴重，貨車功重比非常低，且貨車整體性能差，加之平均縱坡度大，連續(xù)坡長較大，造成八達嶺高速公路自1998年11月—2003年8月期間因制動失效沖入緊急避險坡道的汽車有400多輛，沖入山溝的有47輛。超載、特別是嚴重超載現(xiàn)象被嚴查后，交通事故明顯逐年減少，該項目最為典型。

表1 原八達嶺高速公路運輸車輛裝載噸位分布

1.2 大型貨車占比及滿載對高速公路交通安全性的影響

根據(jù)調(diào)查研究，貨車占比及滿載率對高速公路交通事故率影響較大，對連續(xù)長大縱坡路段交通事故發(fā)生概率的影響更大。如某高速公路東段，全長56 km，連續(xù)長大縱坡路段為K9+280～K23+440，長度14 160 m，高差312 m，平均縱坡2.2%，見圖1。其中K15+280～K23+440,長度8 160 m，高差207.2 m，平均縱坡2.54%，K20+340～K23+440，長度3 100 m，高差102.0 m，平均縱坡3.29%；區(qū)間平均縱坡控制指標(biāo)均符合《路線規(guī)范》要求。2007年11月通車，根據(jù)交通量統(tǒng)計貨車占比為80.0～88.5%，貨車車型95%以上是6軸貨車，貨物基本上都是煤，拉煤貨車往往都是滿載，所以貨車功重比僅約為5.25 kW/t。由于省內(nèi)本項目其它路段地形較平坦，沒有連續(xù)長大縱坡，也沒有拉煤的6軸貨車，交通事故率低。而該段交通事故發(fā)生總數(shù)在2013年前占省內(nèi)全線(約200 km)的51～80%以上，死亡人數(shù)占比在55～94.6%；2014年之后，通過限速、限超等管控措施，交通事故發(fā)生總數(shù)明顯降低，但其它路段交通事故率也明顯降低，所以占比還高達73～83%。連續(xù)長大縱坡路段僅14.16 km，下行線交通事故發(fā)生總數(shù)占東段的30%多，見表2。說明大型貨車占比大、功重比偏低是交通事故多發(fā)的主要致因；隨著大型貨車占比的逐年增加，大型半掛列車已成為我國公路貨運的主要車型[16]；如果地形條件允許，在工程規(guī)模增加不多情況下，連續(xù)長大縱坡路段平均縱坡控制原則上宜盡量采用較小值。

圖1 某高速東段連續(xù)長大縱坡路段縱面縮圖

表2 某高速東段交通現(xiàn)狀

1.3 大型貨車總質(zhì)量對高速公路交通安全性的影響

廖軍洪[17]根據(jù)四川、廣東、云南等省長大下坡的調(diào)研，選取了坡長分別為 7.5,10,15,20,25,30,50 km的7個典型長大下坡作為研究對象，基于長大下坡制動器溫升特性的對比分析結(jié)果，車輛總質(zhì)量對貨車制動器溫度影響顯著，在研究長大下坡總長度、平均縱坡、限制速度及安全保障技術(shù)方案時，應(yīng)考慮所在區(qū)域貨車代表車型的軸數(shù)和車輛總質(zhì)量因素。在汽車下坡行駛過程中，其重力沿著坡道的分力Fi所做功，將轉(zhuǎn)化為制動器制動力Fb、路面滾動阻力Ff、空氣阻力Fw和發(fā)動機牽引力Fe的消耗能[18]。由于汽車各車輪的實際載荷和制動器效能存在差異，根據(jù)比熱容原理可得到各制動器的升溫ΔT:

(1)

式中,m為汽車質(zhì)量，g為重力加速度，n為汽車的制動器數(shù)量，mb,Cb分別為制動器的質(zhì)量和比熱容，i，f分別是路面的下坡坡度和滾動阻力系數(shù)，s為汽車的行駛距離，δ為制動器占全車制動的效能比值。

從式(1)可知，為避免制動器溫度過高，必須嚴格限制汽車質(zhì)量或功重比；研究表明：應(yīng)根據(jù)項目所在區(qū)域的貨運特點、代表車型及汽車功重比，并結(jié)合連續(xù)長大縱坡坡長和平均縱坡度，對不同車型(型號)的貨車載重量或功重比提出針對性的管控措施，如限制不同車型(型號)的載重量或根據(jù)發(fā)動機功率核定總質(zhì)量等措施，能有效提高汽車功重比，提升連續(xù)下坡路段交通安全。

1.4 交通管控措施與交通事故相關(guān)性分析

根據(jù)全國1990—2019年交通事故發(fā)生總數(shù)及死亡人數(shù)統(tǒng)計(圖2)可知，全國統(tǒng)計交通事故發(fā)生總數(shù)及死傷人數(shù)自1993年開始逐年增加，2002年達到高峰值，然后逐年減少，至2009年后趨于平穩(wěn)。根據(jù)2009年統(tǒng)計資料，全國發(fā)生交通事故238 351起，導(dǎo)致67 759人死亡，275 125人受傷。2018年，全國發(fā)生交通事故244 937起，導(dǎo)致63 194人死亡，258 532人受傷；2009年之后，隨著公路通車里程的迅速增加和汽車保有量的急劇增長，交通事故發(fā)生總數(shù)及死傷人數(shù)沒有增加，而是趨于平穩(wěn)，顯然是交通管控和應(yīng)急管理水平得到有效提升的緣故。近十年，通過超載監(jiān)管，設(shè)置避險車道、降溫池、路段限速、分車道分車型限速等措施，連續(xù)長大縱坡路段交通事故多發(fā)和制動失靈頻發(fā)現(xiàn)象得到有效控制。未來還需對已建高速公路在連續(xù)長大縱坡路段限速管理和貨車載重合理管控兩方面深入開展研究。

圖2 全國1990—2019年交通事故發(fā)生總數(shù)及死亡人數(shù)統(tǒng)計

1.5 我國汽車整體性能提升變化情況的調(diào)查分析

在研究貨車制動轂溫升預(yù)測模型時，不同時期采用的主導(dǎo)車型不同，主要是因為我國汽車整體性能在不斷提升中?！豆仿肪€設(shè)計細則》(2009年總校稿)配套研究主導(dǎo)車型為東風(fēng)EQ5208XXY2 3軸載重載貨車，同濟模型主導(dǎo)車型為解放CA3168P1Kl Tl6X4 3軸載重貨車，《路線規(guī)范》配套研究主導(dǎo)車型為東風(fēng)DFL4251A15 6軸鉸接列車，功重比為5.7 kW/t。根據(jù)2019年市場調(diào)查(表3)，我國6軸牽引汽車品牌與種類越來越多，且汽車發(fā)動機功率及功重比近十年已明顯提高，發(fā)動機功率257 kW已是偏小的車型，最大功率已達400 kW，汽車整體性能總體已有較大幅度的提升；但汽車核載重量一律按軸數(shù)核定還不夠合理，造成不同發(fā)動機馬力的貨車功重比差異較大，為5.24～8.31 kW/t。隨著汽車核載重量的合理管控規(guī)定的完善，未來我國汽車整體性能一定會適應(yīng)較大連續(xù)坡長相應(yīng)的平均縱坡要求；高速公路連續(xù)長大縱坡路段的平均縱坡掌握應(yīng)綜合考慮工程規(guī)模及汽車整體性能的逐步提升；現(xiàn)階段對地形條件特別困難路段，可通過貨車功重比管控措施的專項研究，合理控制平均縱坡度和連續(xù)坡長，降低工程造價。

表3 六軸牽引車發(fā)動機功率及功重比調(diào)查

2 京昆高速公路某段交通特管區(qū)貨車載重與交通安全性調(diào)查分析

2.1 交通特管區(qū)管控措施

為了提高G5京昆高速公路某段最長連續(xù)長下坡路段的行車安全性，改善路段通行環(huán)境，于2018年8月將北坡下坡路段前36 km設(shè)置為交通特管區(qū)，在特管區(qū)內(nèi)實行“客貨分道、控速行駛、不超車不超速不越道”的方案管理，特管區(qū)內(nèi)設(shè)置了5套違法抓拍系統(tǒng)及相應(yīng)的標(biāo)志設(shè)施，保障了有效監(jiān)管，實現(xiàn)駕駛員對各類設(shè)施的嚴格遵循，該路段貨車駕駛員安全意識觀念強，大型貨車滿載情況非常少。

2.2 貨車車輛車軸數(shù)分布調(diào)查分析

通過對G5京昆高速公路某段車輛類型及軸數(shù)的調(diào)查，并對所調(diào)查的車輛類型按照車軸數(shù)進行分類統(tǒng)計，在高速公路上行駛的貨車類型中，6軸大貨車所占比重最大，達到了61%，2軸、3軸、4軸大貨車所占比重相差不大，均在10～15%范圍內(nèi)，車輛車軸數(shù)發(fā)布見圖3。

圖3 車輛車軸數(shù)分布

2.3 貨車車輛載重分布調(diào)查分析

通過對G5京昆高速公路某段車輛的載重調(diào)查，發(fā)現(xiàn)幾乎沒有超過40 t的，30～40 t載重所占比重最大為41%，20～30 t，10～20 t，0～10 t載重所占比例依次遞減，分別為23，19和17%，見圖4。從貨車類型分析可知，六軸大貨車所占比重最大，達到了61%，其額定載重為49 t，但載重30～40 t所占比重最大，達到41%，這說明在六軸半掛車中不僅沒有滿載，而且多數(shù)滿載率僅為60～80%，相當(dāng)于六軸半掛車功重比提高20%以上，即貨車功重比基本上大于7.0 kW/t。車輛載重越大，車輛在連續(xù)下坡路段行駛過程中的行車危險性越高，車輛載重越小，行車危險性越小。

圖4 車輛載重分布

2.4 連續(xù)縱坡路段大貨車下坡速度統(tǒng)計分析

通過對G5京昆高速公路某段大貨車下坡過程中行駛速度的調(diào)查，見圖5，數(shù)據(jù)顯示接近一半的速度小于60 km/h，38%的速度在60～70 km/h之間，≧80 km/h僅占2%，在60～70 km/h之間占14%，所以限速70 km/h較合理。盡管限速80 km/h，但在兩段長下坡內(nèi)，駕駛員普遍采取了較低的行駛速度，說明駕駛員在下坡路段的安全意識較高，能自覺地減少貨車裝載量，并保持低速行駛，提升交通安全性。下坡過程中速度越高，實施制動的頻率也越高，剎車頻率高是導(dǎo)致制動系統(tǒng)溫度上升較快、增加制動失靈的主要因素。通過速度的統(tǒng)計與分析，有助于對速度限制的控制，有利于安全管理措施的實施。

圖5 連續(xù)縱坡路段貨車下坡速度范圍統(tǒng)計

2.5 交通特管區(qū)交通安全性調(diào)查分析

2018年共發(fā)生11起道路交通事故，均為簡易程序事故，無人員傷亡，其中重中型貨車4起，大中型客車0起，貨車事故率為十萬分之2.4，比較低；2017年18起(傷2人)、2016年17起(死亡1人)、2015年12起，該交通特管區(qū)的貨車事故率總體較低。在連續(xù)下坡路段增設(shè)交通特管區(qū)，采取的各類相應(yīng)安全措施降低了運營中的安全風(fēng)險，其中大型貨車沒有滿載，貨車功重比的提高，也是貨車事故率較低的主要因素之一。

3 結(jié)論

(1)通過對貨車超載、大型貨車占比及裝載率分別對高速公路連續(xù)長大縱坡路段交通安全性影響的調(diào)查分析，以及交通管控措施與交通事故相關(guān)性分析，得出大型貨車功重比偏低是交通事故多發(fā)的主要誘因。

(2)從G5京昆高速公路某段車輛載重分布分析可知，在6軸半掛車中不僅沒有滿載，而且最大裝載為40 t，多數(shù)車輛滿載率僅為60～80%，相當(dāng)于6軸半掛車功重比提高20%以上，即貨車功重比基本上達到7.0 kW/t，這是G5京昆高速公路某段連續(xù)長大縱坡路段交通事故率較低的主要原因之一。研究表明，為了提高現(xiàn)階段交通安全性，可提出保證貨車功重比達到7.0 kW/t以上的載重管控措施。

(3)隨著我國汽車整體性能的不斷提高和將來車輛核載管控規(guī)定的完善，我國貨車功重比將會實現(xiàn)達到8.0 kW/t以上的目標(biāo)，那時就能適應(yīng)較大連續(xù)坡長相應(yīng)的平均縱坡要求。高速公路連續(xù)長大縱坡路段平均縱坡掌握應(yīng)綜合考慮工程規(guī)模及汽車整體性能的逐步提升；現(xiàn)階段對地形條件特別困難路段，可通過貨車功重比管控措施的專項研究，合理控制平均縱坡度和連續(xù)坡長，降低工程造價。

(4)研究了大型貨車功重比對交通安全性的影響，貨車載重管控措施的制定應(yīng)結(jié)合項目代表車型及裝載率、路線指標(biāo)等具體情況開展專項研究。