解讀山區(qū)高速連續(xù)長下坡設(shè)計(jì)方法與指標(biāo)

文|中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院 郭騰峰

本文結(jié)合《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》修訂過程，綜述相關(guān)調(diào)查研究的主要結(jié)論，解讀相關(guān)指標(biāo)來源和依據(jù)，詳細(xì)解答了如何根本性破解長下坡安全問題，并簡要總結(jié)山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡的縱坡設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)。旨在呼吁各地和工程專業(yè)技術(shù)人員，充分理解《規(guī)范》指標(biāo)的來源和依據(jù)，客觀認(rèn)識長下坡安全問題的本質(zhì)，克服以往經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識和習(xí)慣做法，科學(xué)、靈活地進(jìn)行山區(qū)高速公路縱坡設(shè)計(jì)。

近年來，我國山區(qū)高速公路連續(xù)下坡路段貨車失控事故多發(fā)、頻發(fā)，引起社會各界的廣泛關(guān)注。在現(xiàn)行《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《規(guī)范》）發(fā)布實(shí)施后，《規(guī)范》修訂組陸續(xù)收到一些關(guān)于長下坡設(shè)計(jì)方法與指標(biāo)的咨詢函件，內(nèi)容主要涉及以下方面：長下坡問題的本質(zhì)是什么，如何解決？下坡中“緩坡”行駛，駕駛員為讓制動(dòng)轂降溫，很少踩剎車制動(dòng)，但《規(guī)范》為什么沒有設(shè)置“緩坡”方法和指標(biāo)？基于經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣做法，長下坡采用“陡緩結(jié)合”的設(shè)計(jì)方法是否正確？連續(xù)長下坡設(shè)計(jì)中，應(yīng)該如何設(shè)計(jì)縱坡？《規(guī)范》新增的平均縱坡指標(biāo)，比經(jīng)驗(yàn)值更大、更寬松是否安全？

本文結(jié)合《規(guī)范》修訂過程，綜述相關(guān)調(diào)查研究的主要結(jié)論，解讀相關(guān)指標(biāo)來源和依據(jù)，詳細(xì)解答了如何根本性破解長下坡安全問題，并簡要總結(jié)山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡的縱坡設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)。

Q：長下坡安全問題與縱坡設(shè)計(jì)有關(guān)嗎？如何破解？

A：通過專題調(diào)研發(fā)現(xiàn)，一方面，我國山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡路段事故多發(fā)、頻發(fā)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(guī)定使用輔助制動(dòng)系統(tǒng)、非法改裝車輛等。

另一方面，由于國內(nèi)貨車逐漸趨于大型化，車輛總質(zhì)量增加數(shù)倍，導(dǎo)致貨車整體性能下降，功率質(zhì)量比下降約40%，車輛下坡持續(xù)制動(dòng)能力顯著降低，也是引發(fā)貨車交通安全事故的重要因素。

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

調(diào)查試驗(yàn)揭示，在人和車等因素合法、合規(guī)前提下，我國已建的山區(qū)高速公路長下坡路段均可供貨車安全通行。因此，結(jié)合上述調(diào)查研究結(jié)論，要想徹底解決貨車連續(xù)下坡中的安全問題，首先必須對標(biāo)國際貨車性能標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)量比達(dá)到每噸8.3千牛及以上。同時(shí)，將貨車裝配升級換代，采用持續(xù)制動(dòng)效能更高、更穩(wěn)定的輔助制動(dòng)系統(tǒng)，如緩速器等。其次，必須加強(qiáng)山區(qū)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(guī)行為的發(fā)生。

鑒于此，《規(guī)范》修訂階段修訂組專門向交通運(yùn)輸部提交了相關(guān)專題研究報(bào)告和對貨車生產(chǎn)制造相關(guān)國家政策性的意見和建議。

Q：長下坡設(shè)計(jì)中，需要考慮“緩坡”嗎？

A：公路行業(yè)《規(guī)范》中的“緩坡”概念，是在上坡方向的基礎(chǔ)上提出的。當(dāng)貨車在連續(xù)爬坡過程中，速度不斷降低，導(dǎo)致路段通行能力顯著下降時(shí)，通過有意識設(shè)計(jì)“緩坡”，能夠?yàn)檐囕v創(chuàng)造一個(gè)短距離提速的條件。根據(jù)汽車連續(xù)爬坡過程中的速度折減表現(xiàn)，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(qū)高速公路連續(xù)下坡過程中，如果駕駛員連續(xù)踩剎車制動(dòng)，會導(dǎo)致制動(dòng)轂溫度過高，逐漸失去制動(dòng)效能，最終導(dǎo)致車輛失控。這也是我國山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡路段貨車失控的主要原因和表現(xiàn)。因此，有人認(rèn)為，如果在長下坡路段中設(shè)置“緩坡”，車輛在緩坡路段行駛時(shí)，駕駛員很少踩剎車，這樣有助于制動(dòng)轂自然降溫，恢復(fù)其應(yīng)有的制動(dòng)效能。

顯然，這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，上坡方向“緩坡”和下坡方向“緩坡”的目的和性質(zhì)截然不同。因此，在各類公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，不能混淆“緩坡”概念，更不能把上坡方向的“緩坡”設(shè)計(jì)方法和思路，照搬到下坡方向縱坡設(shè)計(jì)當(dāng)中。

Q：為什么《規(guī)范》沒有給出長下坡中“緩坡”的設(shè)計(jì)指標(biāo)？

A：準(zhǔn)確地說，《規(guī)范》（2017版）確實(shí)沒有給出長下坡中“緩坡”的設(shè)計(jì)指標(biāo)，但并非因?yàn)椤兑?guī)范》缺乏調(diào)查研究，而是因?yàn)橥ㄟ^專題試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)長下坡過程中設(shè)置“緩坡”并沒有實(shí)際意義，也不具備工程可操作性，因此《規(guī)范》不推薦在長下坡中專門設(shè)計(jì)“緩坡”。

根據(jù)汽車下坡運(yùn)動(dòng)方程、制動(dòng)原理和貨車制動(dòng)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(gè)機(jī)械勢能轉(zhuǎn)化為車輛動(dòng)能和熱能（制動(dòng)轂溫度）的過程。例如，在某山區(qū)高速公路起終點(diǎn)位置和相對高差基本確定的前提下，路線設(shè)計(jì)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(shè)緩坡）”的方案，對制動(dòng)轂溫度變化影響很小。即在最大縱坡范圍內(nèi)，“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(dòng)轂一般為灰鑄鐵材質(zhì)，在車輛行駛過程中，其自然降溫的速度很慢。一組試驗(yàn)顯示，在車輛以每小時(shí)60公里的速度行駛時(shí)，要使制動(dòng)轂自然降溫10攝氏度，需要約10分鐘以上時(shí)間，而此時(shí)汽車行駛距離至少10公里。在山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中，設(shè)置幾公里以上的緩坡顯然不具備可操作性。

因此，《規(guī)范》（2017版）修訂中明確，連續(xù)長下坡路段設(shè)計(jì)中，不推薦有意識設(shè)置“緩坡”，即不推薦“陡緩結(jié)合”的設(shè)計(jì)方法（上坡方向需要設(shè)置的緩坡除外）。

Q：控制長下坡設(shè)計(jì)的指標(biāo)是什么？有什么依據(jù)？

A：盡管解決山區(qū)高速長下坡安全問題的關(guān)鍵并不在于高速縱坡指標(biāo)，也不在于縱坡如何組合設(shè)計(jì)，但本著負(fù)責(zé)任的態(tài)度，《規(guī)范》從我國當(dāng)前貨運(yùn)主導(dǎo)車型的性能條件和升級換代周期等實(shí)際情況出發(fā)，通過配套專題充分試驗(yàn)、研究和論證，選擇以發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)（即排擋制動(dòng)）模式為基本工況條件，通過試驗(yàn)研究建立了貨運(yùn)主導(dǎo)車型——六軸鉸接列車的制動(dòng)溫度控制模型；以制動(dòng)轂溫度不超過200攝氏度為安全條件，提出了“《規(guī)范》表8.3.5連續(xù)長、陡下坡的平均坡度與連續(xù)坡長”，如表1所示，作為現(xiàn)階段指導(dǎo)高速和一級公路連續(xù)性長下坡設(shè)計(jì)與評價(jià)性的推薦性指標(biāo)。

表1 連續(xù)長、陡下坡的平均坡度與連續(xù)坡長

需要特別說明的是，表1基于的“發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)模式”，與排氣輔助制動(dòng)模式比較，相對更安全、更保守。因?yàn)椴捎门艢庵苿?dòng)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(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性要求所有車輛出廠必須裝配輔助制動(dòng)系統(tǒng)（國內(nèi)普遍裝配的是“排氣制動(dòng)系統(tǒng)”）前提下，表1中的數(shù)據(jù)已經(jīng)是相對保守、偏于安全的指標(biāo)了。

這樣，單從下坡方向考慮，《規(guī)范》（2017版）中指導(dǎo)和控制縱坡設(shè)計(jì)的指標(biāo)主要有以下兩個(gè)部分：

最大縱坡坡度

《規(guī)范》中各級公路的最大縱坡設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如“表8.2.1”即表2所示。

表2 最大縱坡

連續(xù)長、陡下坡的平均縱坡（檢驗(yàn)性指標(biāo)）

《規(guī)范》中高速和一級公路連續(xù)長、陡下坡路段的平均坡度與連續(xù)坡長設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示；若超出《規(guī)范》設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行交通安全性評價(jià)，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)施，并論證增設(shè)貨車強(qiáng)制停車區(qū)。

Q：連續(xù)長下坡路段，如何設(shè)計(jì)縱坡？

A：受限于公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的體例和形式要求，《規(guī)范》條文內(nèi)容不能完整地講述工程設(shè)計(jì)方法和流程。因此，筆者結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐，總結(jié)了《規(guī)范》（2017版）推薦的“山區(qū)高速公路縱坡設(shè)計(jì)方法和流程”。

首先需要明確，在連續(xù)上坡方向高速公路縱坡設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于保證路段通行能力，而下坡重點(diǎn)在于保障連續(xù)下坡的通行安全性，因此，山區(qū)高速公路選線、方案優(yōu)化、縱坡設(shè)計(jì)，應(yīng)區(qū)分整體式和分離式路基、區(qū)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(guī)范》對上坡方向的指標(biāo)和要求設(shè)計(jì)縱坡（包括采用緩坡），因?yàn)榕c下坡方向的指標(biāo)限制相比，上坡方向指標(biāo)受限更多，然后再對照《規(guī)范》第1條從下坡方向?qū)v坡設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)、評價(jià)。

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(guī)范》對上坡方向的指標(biāo)和要求設(shè)計(jì)縱坡，包括在連續(xù)上坡中間，結(jié)合地形條件合理設(shè)置緩坡；當(dāng)路段運(yùn)行速度、通行能力明顯降低時(shí)，論證設(shè)置爬坡車道等措施；下坡方向則以表2中的數(shù)據(jù)為控制指標(biāo)，以表1中的數(shù)據(jù)為檢驗(yàn)參考指標(biāo)，結(jié)合沿線地形、地質(zhì)等起伏、變化條件，靈活設(shè)計(jì)縱坡。

當(dāng)初步方案的平均縱坡與坡長小于表1參考指標(biāo)值時(shí)，縱坡深化設(shè)計(jì)主要考慮順應(yīng)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(wù)水平。

當(dāng)初步方案的平均縱坡與坡長大于表1參考指標(biāo)值時(shí)，可重新選線或采用隧道方案降低路段起終點(diǎn)的相對高差，或在起終點(diǎn)相對高差條件比較固定時(shí)，在路段中間位置合理設(shè)置貨車強(qiáng)制停車區(qū)，通過強(qiáng)制停車區(qū)將原連續(xù)長下坡路段分為兩個(gè)或兩個(gè)以上的連續(xù)下坡路段，同時(shí)，通過交通安全性評價(jià)，明確路段速度控制和通行管理方案。必要時(shí)，重復(fù)以上步驟和過程，直到上坡和下坡的角度和各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《規(guī)范》要求。

以上設(shè)計(jì)方法和流程僅為概述性質(zhì)，具體工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，因地制宜，靈活運(yùn)用。

Q：與上坡方向比較，長下坡設(shè)計(jì)方法有哪些不同？

A：基于貨車上坡、下坡的綜合能力與對應(yīng)坡度、坡長等對比，可以得出“高速公路縱坡設(shè)計(jì)主要受車輛上坡性能條件控制”的結(jié)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(shè)計(jì)、掌握的空間更大，受限制更少。同時(shí)，由于以往公路設(shè)計(jì)、建設(shè)以整體式路基斷面為主，而在整體式路基的公路縱坡設(shè)計(jì)中，上坡方向的縱坡組合必然也同時(shí)決定了下坡方向的縱坡條件，因此，以往公路縱坡設(shè)計(jì)主要從上坡方向考慮較多。在本質(zhì)上，上坡方向縱坡設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于解決連續(xù)上坡路段的通行能力和服務(wù)水平問題。

但在我國貨運(yùn)車輛大型化發(fā)展、車輛整體性能和持續(xù)制動(dòng)不足等情況下，山區(qū)高速公路縱坡設(shè)計(jì)出現(xiàn)了新的關(guān)鍵點(diǎn)——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(xiàn)在高速公路連續(xù)縱坡設(shè)計(jì)也必須從下坡方向考慮。需要對照表1中的指標(biāo)參數(shù)，對平均縱坡進(jìn)行檢查和評價(jià)。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，在采用分離式路基的下坡方向，縱坡設(shè)計(jì)最終只受到表2和表1中的指標(biāo)限制。從“法無禁止即可為”的原則出發(fā)，相對于整體式路基而言，分離式路基的下坡方向縱坡設(shè)計(jì)靈活展線、優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間更大，且不需要有意識設(shè)置緩坡。工程師可以把重點(diǎn)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(yè)技術(shù)人員提問，某山區(qū)高速公路，設(shè)計(jì)行車時(shí)速為10 0公里，在分離式路基下坡方向?qū)φ铡兑?guī)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(guī)范》要求嗎？

在本質(zhì)上，上坡方向縱坡設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決連續(xù)上坡路段的通行能力和服務(wù)水平問題。

答案是肯定的，盡管山區(qū)地形起伏變化大，加上受橋隧構(gòu)造物布置等制約影響，實(shí)際工程不會采用“一坡到底”的縱坡設(shè)計(jì)方案，但從《規(guī)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(nèi)，采用3.5%的坡度、“一坡到底”，符合《規(guī)范》要求。

前文曾重點(diǎn)述及表1的參考值是根據(jù)專題試驗(yàn)研究、實(shí)車現(xiàn)場試驗(yàn)等，在貨車主導(dǎo)車型采用發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)——偏于保守、安全的工況條件下得出。只要駕駛員不違法、違規(guī)駕駛，完全可以安全通行。如果駕駛員正確使用輔助制動(dòng)系統(tǒng)，安全連續(xù)下坡的坡度、坡長還可以更大、更長。

回顧《規(guī)范》修訂過程，長下坡安全問題是我國現(xiàn)行公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范修訂中的焦點(diǎn)問題。雖然，配套專題研究早在2014年就已經(jīng)完成，但由于問題復(fù)雜、涉及面廣、結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識差異大等原因，隨后進(jìn)行了長達(dá)兩年時(shí)間的再研究、檢驗(yàn)和驗(yàn)證工作，最終才在2017版《規(guī)范》中發(fā)布實(shí)施。

客觀而言，專題研究提出的“連續(xù)長、陡下坡平均縱坡指標(biāo)”，有充分的調(diào)查研究基礎(chǔ)，有科學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)論支撐，還經(jīng)過了各層級、跨行業(yè)的反復(fù)審查、評審。在《規(guī)范》（2017版）正式發(fā)布實(shí)施之后，意味著該指標(biāo)已經(jīng)不只是一項(xiàng)研究成果，而是經(jīng)過行業(yè)審慎研究確定的、山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)的直接依據(jù)。

本文再次綜述高速公路連續(xù)長下坡設(shè)計(jì)方法與指標(biāo)，旨在呼吁各地和工程專業(yè)技術(shù)人員，充分理解《規(guī)范》指標(biāo)的來源和依據(jù)，客觀認(rèn)識長下坡安全問題的本質(zhì)，克服以往經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識和習(xí)慣做法，可以科學(xué)、靈活進(jìn)行山區(qū)高速公路縱坡設(shè)計(jì)。