山區(qū)重載高速公路長大下坡事故多發(fā)段改造的技術探究

王利平 劉尚云

（1.中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075；2.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

隨著我國高速路網(wǎng)的連通，交通運輸條件大幅改善，但是一些山區(qū)高速公路連續(xù)縱坡路段事故頻發(fā)，甚至某些路段被冠以“魔鬼路段”“死亡路段”的稱號，道路服務水平低、社會影響大。青蘭高速公路山西黎城（晉冀界）至山西長治段（以下簡稱“長邯高速”）就是公安部備案的事故多發(fā)路段，該段高速公路2002年建成通車，大大緩解了原國道309線運煤車擁堵嚴重的現(xiàn)象，由于是主要的晉煤外運通道，載重拖掛汽車比例高，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展和周邊路網(wǎng)的不斷完善，短短幾年交通量迅速增長，但是隨之而來的是事故頻出，不能滿足使用者的安全出行需求，2008年被國家發(fā)展和改革委員會確定為需盡快實行拓寬改造的“卡脖子”路段。要徹底解決既有高速公路存在的問題，需對既有公路的運營現(xiàn)狀具有全面認識，提出針對性改造方案，本文主要研究了以下幾個關鍵技術問題。

一、原高速公路的平縱線形與事故情況

長邯高速從西到東，從太行山之巔的上黨盆地下行到華北平原，從長治盆地（高程900m～1100m）下第一個臺階到黎城盆地（高程710m～800m），再從黎城盆地下第二個臺階到晉冀界（高程670m），第一段最高點牛王垴隧道進口高程1046.637m，最低點濁漳河橋頭716.23m，路線長度10.545km，高差330.407m，平均縱坡3.13%。平面上，此10.545km連續(xù)下坡段，出隧道后平曲線半徑介于650m～1200m，相對比較均衡，事故多發(fā)生在下坡段的中下部，事故主要是由于下坡方向重載車制動失效、減速不及時導致來不及轉彎，撞擊或越過中央分隔帶護欄沖入對向車道造成的。據(jù)交警部門的事故統(tǒng)計，自2003年1月～2007年，該下坡路段共發(fā)生各類交通事故55起，死亡52人，受傷24人，占山西境內段全線事故的90%。在2008年之后，當?shù)亟煌ㄖ鞴懿块T制定并落實了一系列改善措施，包括增加避險車道、設置降溫池、減速帶、警示標志及限制五軸及以上車輛在夜間行駛等，試行以上交通管制后事故占比明顯下降，但仍時有發(fā)生，從之前占全線的90%下降到占下行方向的39.45%。

第二段最高點東陽關隧道進口892.581m，最低點晉冀界693.955m，山西境內路線長度5.579km，高差198.626m，平均縱坡3.56%，加上河北境內10.8km下坡段，該段連續(xù)下坡高程下降共475m，總長16.4km，平均縱坡2.84%。山西境內平曲線指標較高，達到1253m和2860m，下半段的河北境段基本都是600m～650m之間曲線首尾相連。該路段事故山西境內相對較少，主要發(fā)生于坡底段的河北境內。交警部門統(tǒng)計，2005年～2009年，下坡方向約10km發(fā)生安全事故67起，其中發(fā)生在下行方向的事故占69.8%，導致14人死亡、28人受傷，2006年就有7輛車駛入避險車道。河北段將全段中央分隔帶改為鋼筋混凝土防撞護欄，設置避險車道、強制減速帶、警示標志等安全措施，防止下坡的大型載重貨車在該段闖入對向車道。

二、事故原因分析

通過分析發(fā)現(xiàn)，安全事故的發(fā)生具有三大規(guī)律：大型載重貨車更容易發(fā)生事故；事發(fā)段主要為長大下坡路段（縱坡段及彎坡組合路段）；發(fā)生事故的原因是駕駛員違章行駛或駕駛不當，導致大型車在連續(xù)下坡路段長時間連續(xù)或頻繁制動及高速大負荷下緊急制動，進而致使制動轂發(fā)熱、制動性能降低，最終車輛失控釀成事故。

從平面指標、縱坡坡度與坡長指標來看，原長邯高速相比國內其他山區(qū)高速公路指標并不低，但仍然事故頻發(fā)。排除“人”與“車”非正常狀態(tài)和違法違章（疲勞駕駛、超載、超速、改裝等）等直接因素，綜合分析還存在車輛載重噸位變化與道路通行條件不適應等因素，具體如下。

該項目是晉煤外運通道，原高速設計于20世紀90年代，在調查與該項目同屬一個走廊帶的國道309線東陽關省界站時發(fā)現(xiàn)，貨車占總交通流量的4%，其中拖掛車占比83%，但當時貨車平均噸位較小。

經(jīng)過10年發(fā)展，大貨車與拖掛車占總交通流量比變化不大，實載噸位卻大幅增加，以山西至河北方向（下坡方向）為例，拖掛車平均載重噸位由1998年的11.10t增加到2008年的39.43t，是原來的3.55倍，如果考慮車自身重量則增幅更多。這主要是由主導車型的變化引起的，隨著我國高等級公路里程的增加，道路運輸條件改善，汽車貨運向大型化發(fā)展。原來的拖掛車主導車型是解放/黃河EQ-140，2008年拖掛車主導車型是六軸半掛式鉸接列車，一般車貨總質量49t。根據(jù)相關研究，我國汽車功率的增加幅度遠小于汽車載重的增加幅度，代表指標即功率重量比有明顯下降，重量功率比影響了汽車上坡的爬坡能力和下坡的持續(xù)制動能力，根據(jù)2011年開展的《高速公路縱坡設計關鍵指標與設計方法研究》對歷次《公路工程技術標準》所采用的代表車型的功率重量比的變化來看，從《公路工程技術標準（附條文說明）》（JTJ 001-1997）[1]的8.3kW/t下降到《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）[2]的5.12kW/t，“代表車型”選的均是當時道路上運營行駛的主流車型。國外的同類型載重貨車，歐美的發(fā)動機功率重量比一般在10kW/t，且貨車平均不低于8.3kW/t。受我國發(fā)動機功率偏小的限制，鉸接列車輔助制動系統(tǒng)持續(xù)制動效能較低，導致下坡控制能力低下，不能適應山區(qū)高速長大縱坡線型，也導致持續(xù)爬坡性能低，這也是在高速公路上經(jīng)常見到大貨車以明顯低于低限速度爬坡的原因。

長邯高速拖掛車比例高達70.7%，貨車比例也達到82%，原高速按JTJ 001-1997設計，使用過程中隨著載重汽車功率重量比下降，引起的下坡持續(xù)制動失效和上坡爬坡緩慢擁堵現(xiàn)象比其他普通山區(qū)高速公路明顯要多，再加上長大縱坡與平面小半徑曲線的組合，所以導致事故高發(fā)。

三、長大縱坡指標降幅的確定

綜上所述，明確改擴建方案要將兩段長大下坡方向分離出來新建，減緩縱坡，但需保證降低范圍的合理性，如果降低范圍太大，會大幅增加建設里程、工程規(guī)模造價、占地、運營成本。據(jù)測算，相同高差，縱坡從4%降低到3%，建設里程會增加約20%～40%，所以降幅在滿足安全需求的條件下需考慮經(jīng)濟性。對此，通過與高校研究團隊合作，進行載重車實車制動轂溫升實測試驗，并建立與車速、坡長、坡度、車重相關的預測模型，對不同程度的降坡方案進行制動器的溫度變化分析，應選擇按設定的速度行駛到達坡底時制動轂溫度在可控有效范圍內作為檢驗方案可行性標準。

根據(jù)車輛制動器性能實驗得知，通常情況下，當制動器的溫度在200℃以內時，車輛的制動器制動力較為正常，不會出現(xiàn)顯著衰減現(xiàn)象；而當制動器溫度在260℃時會明顯下降，具體只能達到正常溫度(即65℃以內)的30%～35%；當溫度達到400℃，制動器幾乎處于失效狀態(tài)。所以，在連續(xù)下坡路段可利用貨車在安全運行狀態(tài)下的制動器溫度閾值（通常取260℃）作為控制指標。

結合課題《高等級公路長大下坡路段安全性評價及改善對策研究》在該項目進行的載重車實車溫升模型實測數(shù)據(jù)的回歸分析，構建出連續(xù)長大下坡路段實載車輛制動轂溫度預測模型，分別預測兩處長大下坡路段下坡車輛載重40t、50t、60t情況下行駛速度為50km/h、60km/h、70km/h和75km/h時無輔助制動的制動器溫升情況。

制動轂溫度變化為：第一段下坡段原高速50t載重下坡行駛速度在50km/h、60km/h、70km/h和75km/h時，其坡底制動器溫度超出了溫度閾值260℃，分離新建線溫度則一直處于260℃內。當以60t超載情況下分別在相同速度行駛時，原有高速在距坡底還有1/3路程時溫度已超出260℃，分離新建線僅在坡底溫度超出260℃，主要原因是下坡距離太長，出于安全考慮，根據(jù)地形條件同時結合溫度、運行速度的變化，設置了降溫池和避險車道等設施，并加強連續(xù)長大下坡路段的預告與警示、控速限超與防護措施避免交通事故的發(fā)生。

第二段下坡段原高速同樣車輛載重下坡行駛速度為60km/h、70km/h和75km/h時，坡底制動器溫度均已超出了溫度閾值260℃，分離新建線溫度則未變，一直保持在260℃內。

四、降坡方式

降低縱坡有兩種方式，第一種是降低起終點間高差，通過降低坡頂高程或抬高坡底高程，達到減緩縱坡的目的，即變相延長里程，但里程在起終點處向本段坡長范圍外延伸；第二種是在高差不變、起終點不變的情況下迂回展線，通過延長坡長達到減緩縱坡的目的。研究該項目兩段長陡縱坡的地形與既有路狀況，發(fā)現(xiàn)兩段存在一個共同特點，即坡頂原高速均設置了隧道，進口段設置反坡減短隧道長度。

在方案擬定中，結合地形條件，第一段單獨采用以上兩種方式都不能完全達到預期的降坡效果，只有綜合兩種方式，即通過提早降坡、抬高坡底橋面高程、利用有利地形展線增加坡長，通過繞行，新線比原高速長出1km，推薦路線長度14.4km，降坡291.6m，平均縱坡2.03%。

第二段不用特意展線，只通過提早降坡、抬高坡底高程即可達到預期。推薦路線長度8.2km，降坡141.5m，平均縱坡1.73%。

五、結語

隨著汽車貨運向大型化發(fā)展，一些山區(qū)高速公路長大下坡路段事故集中，事故原因調查、調查與分析、平縱方案擬定是該類改造工程的關鍵技術問題，本文以青蘭高速山西境黎城至長治段拓寬改造工程的研究成果為依據(jù)，科學分析了長大下坡存在的問題與交通組成發(fā)展變化的關系，通過研究長大縱坡坡度、坡長與汽車載重、車速、制動轂溫度之間的關系，提出以制動轂溫度不超過260℃作為縱坡指標的控制標準，經(jīng)該項目通車數(shù)年來的運營檢驗，達到了消除安全隱患的目的，取得了良好的應用示范效應，對山區(qū)高速公路改擴建具有指導意義。