基于實(shí)車試驗(yàn)的長(zhǎng)大下坡安全提升措施研究★

張書豪，張 曦，梅本強(qiáng)，楊昌鳳，何云勇，高建平

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610041;2.雅安市交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 雅安 625000; 3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074)

我國(guó)高速公路長(zhǎng)大下坡路段因貨車制動(dòng)失效而頻頻發(fā)生的交通事故,嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)安全。針對(duì)高速公路長(zhǎng)大下坡路段交通安全保障方面,胡立偉等[1]建立了山區(qū)高速公路行車風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別模型,認(rèn)為駕駛?cè)税踩庾R(shí)和態(tài)度是最本質(zhì)的安全風(fēng)險(xiǎn)因素。馬文敏[2]以浙江甬臺(tái)溫高速公路為例,分析了長(zhǎng)大下坡路段的交通安全運(yùn)行特征,并提出了綜合性的處置措施。高建平等[3]、吳明先等[4]從高速公路路線和避險(xiǎn)車道設(shè)計(jì)角度,研究了長(zhǎng)大下坡路段安全提升的技術(shù)措施。陳朝暉[5-6]、張馳[7]等以四川汶馬高速公路、昭西高速公路的長(zhǎng)大下坡路段為例,計(jì)算了貨車下坡的制動(dòng)鼓溫度變化特征,提出了相應(yīng)的安全改善措施。在已有研究成果基礎(chǔ)上,以四川省雅康高速公路長(zhǎng)大下坡路段為例,開展現(xiàn)場(chǎng)貨車駕駛實(shí)驗(yàn),研究駕駛員駕駛行為特征及貨車制動(dòng)鼓溫升變化規(guī)律,提出基于駕駛行為適應(yīng)和制動(dòng)鼓溫升雙重控制的長(zhǎng)大下坡路段安全提升措施[8]。

1 工程概況

四川省雅康高速公路起于雅安市對(duì)巖鎮(zhèn),經(jīng)天全縣、瀘定縣,止于甘孜州康定市,路線全長(zhǎng)134.5 km,按設(shè)計(jì)速度80 km/h,路基寬度24.5 m的雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。全線共分布3處長(zhǎng)大下坡路段,如表1所示,其中K128+956—K99+570段長(zhǎng)29.39 km,平縱縱坡2.57%,屬于典型的長(zhǎng)大下坡路段。以該工程為例,開展了雅康高速公路長(zhǎng)大下坡路段的現(xiàn)場(chǎng)貨車駕駛試驗(yàn),揭示駕駛員駕駛行為特征,研究貨車制動(dòng)鼓溫度變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出長(zhǎng)大下坡路段安全提升措施建議。

2 實(shí)車試驗(yàn)駕駛員行為適應(yīng)特征分析

山區(qū)高速公路連續(xù)下坡路段的公路線形和交通環(huán)境隨里程不斷變化,汽車駕駛員將通過自我調(diào)節(jié)來適應(yīng)不同的道路條件和風(fēng)險(xiǎn)程度,從而導(dǎo)致駕駛員在不同路段的駕駛心理不同,引起駕駛員生理改變。因此,基于駕駛員行為適應(yīng)理論,采用駕駛員行車生理指標(biāo)對(duì)高速公路長(zhǎng)大下坡路段的駕駛行為進(jìn)行分析,探索長(zhǎng)大下坡不同駕駛員的駕駛行為規(guī)律?，F(xiàn)有研究表明,駕駛?cè)诵睦砭o張程度并非隨坡度增加而一直呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì),坡度在3%～4%之間時(shí),駕駛?cè)诵睦砭o張程度較高,隨著坡度的繼續(xù)增加,駕駛?cè)诵睦砭o張程度會(huì)降低;在下坡方向,駕駛緊張程度則會(huì)出現(xiàn)明顯增加,當(dāng)坡長(zhǎng)增加到一定程度時(shí),駕駛員行車處于危險(xiǎn)域范圍內(nèi)。駕駛員瞳孔直徑變化百分比(APCPS)可以較為理想的反映駕駛員在行車過程中的心理波動(dòng)情況,從而反映駕駛員的駕駛行為[9]。因此,將瞳孔直徑變化百分比作為駕駛行為表征指標(biāo),分析其在長(zhǎng)大連續(xù)縱坡路段的分布特征。

表1 長(zhǎng)大下坡路段分布一覽表

以四川省雅康高速公路長(zhǎng)大下坡路段為例,開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn),獲取駕駛?cè)嗽陂L(zhǎng)大連續(xù)縱坡路段的瞳孔直徑變化百分比。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,從圖1中可以明顯的看出駕駛員的瞳孔直徑變化百分比均呈現(xiàn)相似的規(guī)律,駕駛?cè)送字睆阶兓俜直纫还渤尸F(xiàn)四個(gè)階梯段的變化:第一階段駕駛員瞳孔直徑變化百分比較為平穩(wěn),變化幅度小,駕駛員處于長(zhǎng)大下坡坡前上游路段,行車安全性較高。第二階段駕駛員瞳孔直徑變化百分比突然上升,駕駛員開始進(jìn)入長(zhǎng)大下坡路段,處于熟悉期階段,心理緊張感明顯,該段定義為長(zhǎng)大下坡駕駛員駛?cè)雴卧５谌A段駕駛員瞳孔直徑變化百分比隨道路條件的變化而變化,在此過程中的瞳孔直徑變化百分比明顯比第二段小,已處于對(duì)長(zhǎng)大連續(xù)縱坡路段的行車環(huán)境的熟悉期之后,此時(shí)駕駛?cè)撕烷L(zhǎng)大連續(xù)縱坡路段行車環(huán)境已達(dá)到新的平衡,該段定義為長(zhǎng)大下坡駕駛員適應(yīng)單元。第四階段駕駛員瞳孔直徑變化百分比比前兩段都小,駕駛員開始駛出長(zhǎng)大下坡路段,心理緊張程度明顯放松,該段定義為長(zhǎng)大下坡駕駛員駛出單元。

3 實(shí)車試驗(yàn)貨車制動(dòng)鼓溫升特征分析

汽車在山區(qū)高速公路連續(xù)縱坡路段發(fā)生的交通事故多以剎車失靈為主所致,制動(dòng)鼓溫度直接反映了汽車的制動(dòng)性能狀況。已有研究表明,行駛汽車制動(dòng)鼓溫度小于200 ℃時(shí),制動(dòng)性能安全可靠;當(dāng)制動(dòng)鼓溫度介于200 ℃～250 ℃之間時(shí),應(yīng)設(shè)置主動(dòng)交安設(shè)置保障安全;當(dāng)制動(dòng)鼓溫度介于250 ℃～300 ℃之間時(shí),應(yīng)設(shè)置主、被動(dòng)結(jié)合的交安措施保障安全;當(dāng)制動(dòng)鼓溫度高于300 ℃時(shí),制動(dòng)性能失效,易引發(fā)交通事故,對(duì)應(yīng)路段應(yīng)采取速度限制、設(shè)置強(qiáng)制檢查站、車道管理等措施,以提高行車安全[10]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn),選取世界道路協(xié)會(huì)PIARC出版的《Road Safety Manual》中的GSRS模型、陳立輝等[11]輔助制動(dòng)溫升預(yù)測(cè)模型與雅康高速公路實(shí)車試驗(yàn)實(shí)測(cè)制動(dòng)鼓溫度進(jìn)行對(duì)比。GSRS模型的計(jì)算公式如式(1)所示。

T=T0×e-K1L/V+Ta(1-e-K1L/K)+
K2PBV(1-e-K1L/V)

(1)

其中,T0為制動(dòng)鼓初始溫度,℃;K1=1.23+0.016V;L為至坡頂?shù)木嚯x,m;V為行車速度,km/h;Ta為環(huán)境溫度,℃;K2=0.1+0.001 3V;PB為制動(dòng)功率,PB=PG-PE-PF,hp;PG=WθV/272.16,hp;PE為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)功率,hp;PF=(450+10.78V)V/600,hp;W為車輛總重,kg;θ為縱坡坡度,%。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)條件下制動(dòng)鼓溫升模型如式(2)所示。

(2)

其中,T0為制動(dòng)鼓初始溫度;Pi為縱坡坡度;Li為各縱坡對(duì)應(yīng)的坡長(zhǎng);Vi為各坡段下坡速度。

貨車實(shí)車試驗(yàn)下坡過程中,全程未開啟淋水或使用其他輔助制動(dòng),僅依靠擋位和主制動(dòng)器控制速度,且為自由行駛,車速非勻速。GSRS模型未考慮輔助制動(dòng),車速也保持勻速行駛。輔助制動(dòng)模型中,全程開啟發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng),依靠發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)和主制動(dòng)器聯(lián)合制動(dòng)控制車速,車輛保持60 km/h勻速行駛。各驗(yàn)算模型制動(dòng)鼓起始溫度均取65.5 ℃。計(jì)算得到不同模型下制動(dòng)鼓溫度值、變化趨勢(shì)分別如圖2所示。

由圖2可知,輔助制動(dòng)模型預(yù)測(cè)溫度曲線和實(shí)車試驗(yàn)溫度曲線變化趨勢(shì)相近,均為波動(dòng)上升;但在實(shí)車試驗(yàn)中貨車制動(dòng)鼓溫度變化起伏較大,輔助制動(dòng)模型中則起伏較小,這與行駛車速、道路條件、發(fā)動(dòng)機(jī)功率因素有關(guān),實(shí)車試驗(yàn)則更接近現(xiàn)實(shí)情況。同時(shí),與實(shí)車試驗(yàn)相比,采用輔助制動(dòng)后,制動(dòng)鼓溫度有明顯下降趨勢(shì),達(dá)到臨界溫度的坡頂距離也有所提高,這說明采取輔助制動(dòng)后,能夠有效降低制動(dòng)鼓溫度值。根據(jù)制動(dòng)鼓溫度對(duì)山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡路段嚴(yán)重程度不同,將沿線交安設(shè)施設(shè)置劃分為四類:Ⅰ類:坡段最高溫度低于200 ℃;Ⅱ類:坡段最高溫度達(dá)到臨界溫度250 ℃;Ⅲ類:坡段最高溫度達(dá)到臨界溫度300 ℃;Ⅳ類:坡段最高溫度超過300 ℃。

4 長(zhǎng)大下坡路段交通安全提升技術(shù)

4.1 交安設(shè)施設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

基于駕駛員行為適應(yīng)特征和汽車制動(dòng)鼓溫升特征變化規(guī)律,將長(zhǎng)大下坡路段交通安全與沿線設(shè)施劃分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ四個(gè)類別,并分別根據(jù)坡前路段、駛?cè)雴卧?、適應(yīng)單元、駛出單元四個(gè)設(shè)計(jì)單元對(duì)行車安全的影響及其安全保障需求,制定山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡路段交通安全設(shè)施設(shè)置標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。

表2 長(zhǎng)大下坡路段交安設(shè)施設(shè)置表

4.2 長(zhǎng)大下坡路段交通安全提升措施

根據(jù)雅康高速公路實(shí)車試驗(yàn)駕駛行為特征及貨車制動(dòng)鼓溫度變化規(guī)律,對(duì)既有長(zhǎng)大下坡路段交通安全設(shè)施提出提升措施:

1)標(biāo)志。雅康高速公路長(zhǎng)大下坡路段標(biāo)志設(shè)置情況如表3所示,可以看出,兩處長(zhǎng)大縱坡路段均設(shè)置了長(zhǎng)大下坡路段余長(zhǎng)提醒、禁止空擋行駛、低擋行駛等標(biāo)志,并配合縱向、橫向減速標(biāo)線提醒駕駛員減速慢行,對(duì)行車安全有利。但在長(zhǎng)大下坡路段前應(yīng)配合陡坡警告標(biāo)志設(shè)置限速標(biāo)志或者建議速度標(biāo)志,因此,建議在K64+750附近位置設(shè)置長(zhǎng)大下坡路段限速標(biāo)志[12]。

表3 長(zhǎng)大下坡路段標(biāo)志設(shè)置情況

受道路線形影響,雅康高速公路K64+770—K58+970段長(zhǎng)大下坡路段設(shè)置了系列警示標(biāo)志與減速標(biāo)線,在長(zhǎng)大下坡路段結(jié)束同樣設(shè)置了結(jié)束提醒標(biāo)志,但在K58+266長(zhǎng)大下坡路段結(jié)束后接曲線路段,且該路段存在不良天氣影響。因此,建議在長(zhǎng)大下坡路段標(biāo)志K58+266前設(shè)置彎道提醒標(biāo)志,并將連續(xù)下坡結(jié)束標(biāo)志設(shè)置于彎道結(jié)束后K57+900左右。在K64+200左右長(zhǎng)大下坡路段限速標(biāo)志,小型車限速100 km/h,大型車限速80 km/h,此路段處于冰雪影響路段,存在暗冰風(fēng)險(xiǎn),建議在此處按限速80 km/h行駛。

另外,該項(xiàng)目長(zhǎng)大下坡路段僅設(shè)置了一般的靜態(tài)標(biāo)志,警示效果一般,建議設(shè)置“動(dòng)態(tài)+靜態(tài)”標(biāo)志,配合縱向視覺減速標(biāo)線以及限速標(biāo)志,提示駕駛員長(zhǎng)下坡路段減速慢行。

2)長(zhǎng)下坡與暗冰結(jié)合路段標(biāo)志標(biāo)線。在雅安方向水獺坪中橋、前碉左線大橋、大柏牛中橋等橋梁處于長(zhǎng)大下坡路段,且位于暗冰影響區(qū)域,對(duì)行車安全不利。建議在水獺坪中橋、前碉左線大橋、大柏牛中橋橋頭前設(shè)置“注意暗冰”警告標(biāo)志,并于橋頭前200 m～500 m位置設(shè)置暗冰路段預(yù)告;在新溝互通及喇叭河互通兩處互通合流出口200 m～500 m位置及互通匝道,提醒剛進(jìn)雅康高速車輛長(zhǎng)大下坡路段信息;在新溝服務(wù)區(qū)匝道入口前200 m～500 m設(shè)置“前方長(zhǎng)大下坡路段”警告標(biāo)志,提醒行駛一段距離的車輛做好連續(xù)下坡準(zhǔn)備;在二郎山停車區(qū)、新溝服務(wù)區(qū)設(shè)置連續(xù)縱坡路段示意圖,提前告知駕駛員做好連續(xù)縱坡路段行車準(zhǔn)備。

3)護(hù)欄。雅康高速公路雅瀘段長(zhǎng)大下坡路段按照J(rèn)TG/T D81—2006公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則要求設(shè)置護(hù)欄,采用SB級(jí)波形護(hù)欄,活動(dòng)護(hù)欄開口處設(shè)置具有一定防撞能力的“鋼管預(yù)應(yīng)力索式防撞活動(dòng)護(hù)欄”。但對(duì)于連續(xù)縱坡路段,且與降雨和冰雪天氣等不良天氣疊加影響,車輛對(duì)于防護(hù)設(shè)施要求更高,建議在連續(xù)下坡路段的彎道、臨崖及高路堤路段應(yīng)將波形護(hù)欄改為SA級(jí)單幅混凝土護(hù)欄,提高護(hù)欄防撞等級(jí),保障行車安全。

4)管理設(shè)施。兩處長(zhǎng)大下坡路段均未設(shè)置監(jiān)控及超速警告情報(bào)板,由于兩處長(zhǎng)大下坡路段均與隧道路段銜接,且隧道路段同樣為下坡路段, K81+111.22—K64+770段的平均縱坡為-2.38%,與長(zhǎng)大下坡路段形成連續(xù)長(zhǎng)下坡路段,對(duì)行車安全不利。建議在長(zhǎng)大下坡路段K62+000位置設(shè)置超速抓拍和超速警告情報(bào)板進(jìn)行強(qiáng)制減速;配合超速抓拍及超速警告情報(bào)板在攝像頭前200 m～500 m設(shè)置靜態(tài)限速標(biāo)志;由于危險(xiǎn)品車輛通行連續(xù)縱坡隧道路段,其事故風(fēng)險(xiǎn)、事故嚴(yán)重程度與隧道事故疏散救援困難的特性,建議禁止運(yùn)載爆炸物品、易燃易爆化學(xué)物品以及劇毒、放射性等危險(xiǎn)物品的車輛進(jìn)入雅康高速公路。

5 結(jié)語

我國(guó)西部四川、重慶、云南、西藏等省正在建設(shè)或規(guī)劃建設(shè)的山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡里程長(zhǎng)、坡度大,往往又與冰、雪、霧和強(qiáng)暴雨等惡劣氣候條件等不利因素組合,普遍面臨長(zhǎng)大下坡運(yùn)營(yíng)安全問題。以雅康高速公路長(zhǎng)大下坡路段為例,開展了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車試驗(yàn),研究駕駛員駕駛行為變化特征及貨車制動(dòng)鼓溫度變化規(guī)律,定義了長(zhǎng)大下坡路段單元?jiǎng)澐?制定了不同路段單元的交通安全設(shè)施設(shè)置標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合雅康高速公路從標(biāo)志、標(biāo)線、護(hù)欄及管理設(shè)施等方面提出了交通安全提升措施建議,可供山區(qū)高速公路長(zhǎng)大下坡路段交安設(shè)施設(shè)計(jì)參考。