橫斷山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡路段安全評(píng)價(jià)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(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610041； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 成都 610031)

近年來，我國(guó)公路建設(shè)重心逐漸延伸至西部地區(qū)和高原，公路建設(shè)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(zhǎng)大下坡安全設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)需求。與一般路段高速公路相比，長(zhǎng)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(diǎn)，運(yùn)營(yíng)安全問題尤為突出。國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于車輛下坡時(shí)的動(dòng)力性能建立了車輛制動(dòng)鼓溫升理論與計(jì)算模型，從保障車輛正常行駛角度對(duì)長(zhǎng)大下坡路段運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行了研究[1-5]，但對(duì)山區(qū)高速公路連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段路線設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)鮮有報(bào)道，如不同位置和長(zhǎng)度的緩坡對(duì)貨車制動(dòng)鼓溫度的影響、強(qiáng)制停車區(qū)對(duì)貨車安全營(yíng)運(yùn)的作用等。本文在已有研究成果基礎(chǔ)上，利用大貨車溫升控制的長(zhǎng)大下坡安全評(píng)價(jià)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(zhǎng)大下坡路段設(shè)計(jì)安全性，研究了強(qiáng)制停車區(qū)及緩坡設(shè)置作用及適宜位置，提出了基于安全運(yùn)營(yíng)的改善措施，可供同類地區(qū)高速公路設(shè)計(jì)參考。

1 長(zhǎng)大下坡概況

四川省南部橫斷山區(qū)某高速公路長(zhǎng)大下坡起點(diǎn)樁號(hào)為K136+660，設(shè)計(jì)高程為2 608 m，止點(diǎn)樁號(hào)為K181+242，設(shè)計(jì)高程為1 522 m。該連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shè)計(jì)規(guī)范》[6]8.3.5條規(guī)定。為提高長(zhǎng)大下坡路段車輛運(yùn)營(yíng)安全，在該路段間斷設(shè)置了3段緩坡：1) 在連續(xù)下坡約11 km處起設(shè)置了2%的緩坡段(K147+825～K153+960)，坡長(zhǎng)6.14 km；2) 在連續(xù)下坡約29.6 km處起設(shè)置了1.5%的緩坡段(K166+225～K170+711)，坡長(zhǎng)4.49 km；3) 在連續(xù)下坡約35.3 km處起設(shè)置了0.5%的緩坡段(K171+940～K173+110)，坡長(zhǎng)1.17 km。

圖1 長(zhǎng)大下坡路段平面示意

根據(jù)JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求，需對(duì)該長(zhǎng)大下坡路段進(jìn)行交通安全性評(píng)價(jià)，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(shè)計(jì)、論證是否增設(shè)貨車強(qiáng)制停車區(qū)。

2 基于貨車溫升控制的長(zhǎng)大下坡安全評(píng)價(jià)方法

2.1 貨車制動(dòng)鼓溫升模型

影響連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段運(yùn)營(yíng)安全的核心問題是載重貨車持續(xù)制動(dòng)過程中，引起制動(dòng)鼓溫度急劇升高，導(dǎo)致貨車制動(dòng)功能衰減甚至失效問題。相關(guān)研究表明，貨車持續(xù)制動(dòng)前后制動(dòng)鼓溫差達(dá)150 ℃，當(dāng)制動(dòng)鼓溫度超過臨界值時(shí)，貨車容易出現(xiàn)剎車失靈，導(dǎo)致嚴(yán)重的交通安全事故。世界道路協(xié)會(huì)PIARC基于貨車制動(dòng)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(zhǎng)及溫度等因素，建立了貨車制動(dòng)鼓溫升模型[7]，見式(1)。該模型在高速公路長(zhǎng)大下坡路段安全性評(píng)價(jià)中應(yīng)用相對(duì)較多，評(píng)價(jià)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(dòng)鼓初始溫度，℃；T0為制動(dòng)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(zhǎng)度，m；PB為制動(dòng)功率，PB=PG-PE-PF，hp；PE為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)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(huì)PIARC貨車制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)模型，通過預(yù)測(cè)汽車的制動(dòng)鼓溫度可判斷長(zhǎng)大下坡路段中各路段的危險(xiǎn)程度，如表1所示。有關(guān)研究表明[9-10]，當(dāng)貨車制動(dòng)鼓溫度低于200 ℃時(shí)，制動(dòng)性能正常；當(dāng)貨車制動(dòng)鼓溫度處于200 ℃～260 ℃時(shí)，貨車制動(dòng)性能顯著下降，存在衰退制動(dòng)失效的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)貨車制動(dòng)鼓溫度處于260 ℃～290 ℃時(shí)，貨車制動(dòng)性能嚴(yán)重下降，隨時(shí)都可能發(fā)生制動(dòng)失效；而當(dāng)貨車制動(dòng)鼓溫度超過290 ℃時(shí)，制動(dòng)鼓完全失效。因此，根據(jù)制動(dòng)鼓溫度將連續(xù)下坡路段危險(xiǎn)程度劃分為安全路段(低于200 ℃)、衰減路段(介于200 ℃～260 ℃)、危險(xiǎn)路段(制動(dòng)高于260 ℃)。

2.2 長(zhǎng)大下坡路段貨車溫升計(jì)算

運(yùn)用式(1)貨車制動(dòng)鼓溫升預(yù)測(cè)模型對(duì)圖1連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。貨車制動(dòng)鼓溫升模型中初始溫度T0取65.6 ℃，外部環(huán)境溫度取20 ℃，測(cè)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(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。從圖2可知， 該長(zhǎng)大下坡運(yùn)行中，4軸貨車制動(dòng)鼓最高溫度為124.3 ℃，小于200 ℃，屬于安全范圍；5軸貨車制動(dòng)鼓最高溫度為202.3 ℃,大于200 ℃，但未達(dá)到260 ℃，屬于衰減范圍；6軸貨車在K163+885處制動(dòng)鼓溫度達(dá)到260 ℃，在K166+285處達(dá)到最高，為277 ℃。因此，對(duì)6軸貨車，該長(zhǎng)大下坡中下部均為危險(xiǎn)路段。

表1 基于貨車制動(dòng)鼓溫度的路段危險(xiǎn)程度分級(jí)

圖2 長(zhǎng)大下坡路段貨車制動(dòng)鼓溫升測(cè)算

該路段不同軸數(shù)的大貨車制動(dòng)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(zhǎng)大下坡路段上部2%的緩坡段制動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)大下坡路段上部設(shè)置緩坡對(duì)貨車制動(dòng)鼓降溫效果不明顯；中下部路段設(shè)置緩坡制動(dòng)鼓降溫較明顯，緩坡越長(zhǎng)降溫梯度越大。

值得注意的是，若本項(xiàng)目長(zhǎng)大下坡采用單一縱坡2.43%展線下坡，6軸貨車制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)如圖3所示。從圖3可知，制動(dòng)鼓溫升曲線先增長(zhǎng)后趨于平緩，最高溫度位于長(zhǎng)大下坡止點(diǎn)，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(shè)計(jì)更利于行車安全。

圖3 均勻縱坡下貨車制動(dòng)鼓溫升測(cè)算

2.3 貨車超載對(duì)制動(dòng)鼓溫度的影響

鑒于我國(guó)貨運(yùn)車輛超載現(xiàn)象嚴(yán)重，在連續(xù)下坡路段的安全評(píng)價(jià)中引入貨車超載10%、30%的情況，為連續(xù)下坡路段的安全設(shè)施及管理措施提供依據(jù)[11]。4軸貨車超載情況下制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)如圖4所示。由圖4可見，4軸貨車超載10%時(shí)，由坡頂行駛至坡底，制動(dòng)鼓溫度仍小于200 ℃，屬于安全路段；超載30%時(shí)，由坡頂下坡至34 km處，制動(dòng)鼓溫度超過260 ℃，最高溫度達(dá)到288 ℃，長(zhǎng)大下坡最后10 km為危險(xiǎn)路段。

圖4 4軸貨車超載情況下制動(dòng)鼓溫升預(yù)測(cè)

5軸貨車超載情況下制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)如圖5所示。從圖5可見，超載10%時(shí)，由坡頂下坡至34.5 km處，制動(dòng)鼓溫度超過260 ℃，最高溫度為283.1 ℃。超載30%時(shí)，由坡頂下坡至27.8 km處，制動(dòng)鼓溫度超過260 ℃，最高溫度達(dá)到382.3 ℃，長(zhǎng)大下坡下部17 km為危險(xiǎn)路段。

圖5 5軸貨車超載情況下制動(dòng)鼓溫升預(yù)測(cè)

6軸貨車超載情況下制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)如圖6所示。從圖6可見，超載10%時(shí)，由坡頂下坡至27.9 km處，制動(dòng)鼓溫度超過260 ℃，最高溫度為367 ℃。超載30%時(shí)，由坡頂下坡至13 km處，制動(dòng)鼓溫度超過260 ℃，最高溫度達(dá)到512.4 ℃，長(zhǎng)大下坡路段為危險(xiǎn)路段。

圖6 6軸貨車超載情況下制動(dòng)鼓溫升預(yù)測(cè)

通過對(duì)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(zhǎng)大下坡路段行駛制動(dòng)鼓溫度均會(huì)超過260 ℃，存在制動(dòng)鼓失靈風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議該路段運(yùn)營(yíng)階段加強(qiáng)貨車超載治理，嚴(yán)禁大貨車超載行駛。

2.4 基于服務(wù)區(qū)強(qiáng)制停車的貨車溫升計(jì)算

考慮將K145+100服務(wù)區(qū)作為大貨車強(qiáng)制停車區(qū)特管路段，該服務(wù)區(qū)距離長(zhǎng)大下坡路段坡頂約9 km，大貨車進(jìn)入服務(wù)區(qū)加水降溫、制動(dòng)鼓檢查、駕駛員休息后，進(jìn)入余下的長(zhǎng)大下坡路段行駛。6軸大貨車由坡頂行駛至服務(wù)區(qū)的制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)如圖7所示。從圖7可見，制動(dòng)鼓最高溫度為160 ℃，處于安全范圍。服務(wù)區(qū)至坡底的溫度預(yù)測(cè)如圖8所示。從圖8可見，制動(dòng)鼓最高溫度為243.1 ℃，處于衰減范圍，仍存在衰退制動(dòng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。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(dāng)?shù)奈恢迷鲈O(shè)1處避險(xiǎn)車道[12]，以提高貨車運(yùn)營(yíng)安全保障。

圖7 6軸貨車坡頂至服務(wù)區(qū)制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)

圖8 6軸貨車服務(wù)區(qū)至坡底制動(dòng)鼓溫度預(yù)測(cè)

3 長(zhǎng)大下坡路段安全設(shè)計(jì)改善措施

1) 將K145+100服務(wù)區(qū)作為強(qiáng)制停車區(qū)特管路段，增加下坡方向服務(wù)區(qū)內(nèi)貨車停車位，加強(qiáng)高溫制動(dòng)鼓車輛檢修、加水降溫相關(guān)措施，提醒長(zhǎng)時(shí)間駕駛員在此休息[13]。服務(wù)區(qū)出口適當(dāng)位置設(shè)置長(zhǎng)大下坡路段余長(zhǎng)標(biāo)志，以提醒駕駛員謹(jǐn)慎行駛[14]。

2) 大貨車強(qiáng)制進(jìn)入服務(wù)區(qū)降溫后，運(yùn)行至K157+660～K181+242段時(shí)，制動(dòng)鼓溫度在200 ℃～260 ℃之間，仍存在衰退制動(dòng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。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(dāng)位置增設(shè)1處避險(xiǎn)車道，以提高大貨車運(yùn)營(yíng)安全保障。

3) 大貨車運(yùn)行制動(dòng)鼓溫度高于200 ℃路段建議增強(qiáng)路面抗滑性能，加強(qiáng)路側(cè)安全防護(hù)等級(jí)，條件允許下加高護(hù)欄高度，以最大限度地保證制動(dòng)失控車輛的安全性。建議加強(qiáng)此路段隧道出入口過渡段視線誘導(dǎo)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(zhǎng)大下坡路段案例中，4軸、5軸貨車到達(dá)坡底時(shí)，制動(dòng)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(shè)計(jì)為單一值-2.43%，6軸大貨車達(dá)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(shè)計(jì)更利于行車安全。

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

3) 貨車超載將大幅提高全路段制動(dòng)鼓溫度，應(yīng)嚴(yán)格控制。在適當(dāng)位置設(shè)置強(qiáng)制停車區(qū)、服務(wù)區(qū)，管制大貨車駛?cè)爰铀禍?，可有效降低長(zhǎng)大下坡路段制動(dòng)鼓溫度，提高運(yùn)營(yíng)安全。

4) 建議在制動(dòng)鼓溫度超過200 ℃路段適當(dāng)位置設(shè)置避險(xiǎn)車道、增強(qiáng)路面抗滑性能及橋梁護(hù)欄防護(hù)等級(jí)，加強(qiáng)長(zhǎng)大下坡余長(zhǎng)提醒標(biāo)志、隧道出入口過渡路段視線誘導(dǎo)及安全警示。