镇清高速特长隧道比选及长大纵坡方案设计研究

周勇狄 原宝盛

摘要：长大纵坡路段是山区高速公路事故高发地。文章针对云南省镇康至清水河高速公路在连续长大纵坡路段存在的越岭特长隧道选择、爬坡车道设置、避险车道设置等关键性问题，从平均纵坡、运行速度模拟、货车下坡制动温度等方面进行分析，提出优化纵断面设计、合理选择越岭隧道方式、合理设置避险车道等措施，为山岭重丘区高速公路在连续长大纵坡路段的方案设计提供参考。

关键词：高速公路;连续长大纵坡;特长隧道;爬坡车道;避险车道;方案设计

The longitudinal slope section is a highincidence area of mountainous expressway，then，regarding the key problems existing in continuous longitudinal slope section of ZhenkangQingshuihe Expressway in Yunnan such as selection of ridgecrossing ultralong tunnel，climbing lane setting，and escape lane setting，this article conducts the analysis from the aspects of average longitudinal slope，running speed simulation，truck downhill braking temperature，etc.，and proposes the measures，such as optimization of longitudinal section design，the reasonable selection of ridgecrossing tunnel mode，the reasonable setting of escape lane and so on，thus providing the reference for the design of continuous longitudinal slope section of expressways in mountain and heavy hill areas.

Expressway;Continuous longitudinal slope;Ultralong tunnel;Climbing lane;Escape lane;Scheme design

0 引言

随着国家“一带一路”战略的深入推进，精准扶贫政策的稳步落实，西部地区，尤其是山岭重丘地区的路网规划与建设不断延伸，受地形、地貌和地质条件等因素的制约，不可避免出现长大下坡的路段。然而，长大下坡路段的交通事故问题日益增多，交通安全形势十分严峻。资料统计显示，长大下坡路段的交通事故占山区公路事故总数的40%;而载货汽车是该路段事故率最高的车辆，约占60%～80%。因此，在设计初期合理选取路线平纵面指标，合理设置避险车道尤为重要 [1][2]。

针对长大下坡路段存在的越岭特长隧道长度选择、爬坡车道和避险车道设置等关键问题，本文从平均纵坡、运行速度模拟、货车下坡制动温度分析等方面对镇（康）清（水河）高速公路联系长大下坡路段进行分析，为山岭重丘区高速公路在连续长大下坡路段的方案设计提供参考。

1 山区高速公路存在的突出问题

山区高速公路往往受地形、地貌、地质、环保、投资等众多因素的制约，越岭线位常常伴随着长大上坡和下坡路段的出现，而长大纵坡多为重、特大交通事故的频发路段。因此，路线纵断面和越岭隧道的合理选择、爬坡车道及避险车道的合理设置已经成为了山区高速公路设计中应当高度重视的首要问题 [3]。

1.1 越岭隧道长度的选定

高速公路越岭隧道长度的选定主要取决于越岭标高的控制。一般情况下，隧道越岭标高越低，路线越短，技术指标也越容易提高，对运营也越有利。但标高低，隧道就越长，造价就高，建设周期就越长[4]。

因此，越岭隧道的长度选定往往应结合地质选线来进行，并以隧道进出口的控制标高作为研究的基础。

1.2 爬坡车道设置

当车辆行驶于连续长大纵坡段时，小客车在上坡方向上速度变化不明显，而载重汽车则会因爬坡能力不足而速度逐渐降低，造成两种车辆的速度差逐渐增大，致使“强超硬会”的几率明显增加，危及行车安全。因此，在上坡路段为慢速车辆设置爬坡车道是国际上普遍采取的措施[5][6]。

根据现行《公路路线设计规范》（JTG D20-2017）的规定，原则上当上坡路段载重汽车的运行速度降低到容许最低速度以下或单一纵坡坡长超限或路段通行能力明显降低时，应考虑设置爬坡车道。

1.3 避险车道设置

行驶于长大下坡路段的大货车由于频繁制动，导致车辆制动性能衰减甚至失灵，极易发生交通事故，设置避险车道无疑是一种有效的补救措施。然而，我国目前对于如何确定避险车道的位置尚无明确的标准和规范可循。由于国内尚未有成熟的研究成果，故采用国外比较成熟的世界道路协会（PIARC）的货车制动器温升模型（GSRS模型）[7]对本项目连续下坡路段的安全性进行定量分析，以评价避险车道设置位置的合理性。

2 镇清高速方案设计研究

镇（康）清（水河）高速公路位于云南省临沧市，地处横断山系南段，地形陡峻，山高谷深，构造发育。项目主线采用双向四车道高速公路标准设计，路线全长35.240 km，设计速度80 km/h，路基宽25.5 m。其中大梁山特長隧道出口至路线终点为长达18.217 km的连续下坡路段，克服高差510.3 m，平均纵坡为2.80%，是本项目的控制性路段。

2.1 特长隧道的方案比选

通过对本项目工程可行性研究阶段路线走廊、控制点及各方案路线走向的研究可知，越岭隧道标高和长度控制、连续长大下坡路段平均纵坡的控制是本项目的重点和难点。

针对本项目大梁山越岭特长隧道长度的选择，以现行《公路路线设计规范》（JTG D20-2017）为依据，参考云南省内类似山区高速公路的设计经验，一方面控制越岭隧道长度在5.5 km左右，并分析论证隧道是否需要设置竖井等分段送排风方式;另一方面以路线终点南捧互通起点设计标高为控制，从路线终点分别按平均纵坡≤2.5%、平均纵坡=2.75%、平均纵坡介于2.75%与3.0%之间等多方案展线。

根据上述原则，初步拟定出4种越岭隧道方案（如图1所示）：（1）K线：越岭隧道长度为5 553 m，平均纵坡为2.80%;（2）A线：即优化后的工可推荐方案，采用隧道群的方式越岭，隧道长度分别为2 197 m和4 066 m，连续长大下坡路段的平均纵坡为2.98%;（3）A1线：平均纵坡=2.75%，越岭隧道长度为6 130 m;（4）A2线：隧道口至路线终点连续下坡路段的平均纵坡（以下简称“平均纵坡”）≤2.5%，越岭隧道长度为7 320 m。

2.1.1 特长隧道与隧道群的比选

通过对各越岭隧道方案的对比分析可知，A线为隧道群方案，K线、A1线以及A2线方案则采用一座特长隧道的形式穿越大梁山。

深入分析对比可知，A线最大高程为1 193.35 m，位于隧道群两洞口之间。其中回龙寨隧道（长2 197 m）路段纵坡为2.03%，一碗水隧道（长4 066 m）路段纵坡为-2.3%。考虑A线从AK13+590开始连续下坡至AK35+930处，连续下坡段里程长22.340 km，高程由1 193.35 m降至559.36 m，平均纵坡为2.84%，坡度较陡。尤其是一碗水隧道出口至终点AK17+640～AK35+930段，该路段高程由1 106.30 m降至559.36 m，平均纵坡为3.0%，任意3 km平均纵坡最大值达到3.2%。

K线由大梁山隧道出口K16+930开始连续下坡至路线终点附近K35+130处，连续下坡段里程长18.20 km，高程由1 070.2 m降至559.36 m，平均纵坡为2.81%，坡度适中，并且任意3 km范围内，路线平均纵坡均<3.0%。

因此，从路线平、纵指标及连续性、均衡性等方面对比，K线、A1线以及A2线的各项指标明显优于A线。尤其是纵断面指标，受全线最大高程的影响，A线方案明显不足，行车安全性较差。

虽然A线方案隧道最大长度约为4 000 m，射流风机纵向通风可满足远期运营需求，不需设置斜井或者竖井，同时，两隧道间出露区域增加了工作面，有利于缩短隧道施工周期。但是，由于其自身平纵指标的不足，给后续运营带来较大的安全隐患，综合对比，推荐采用特长隧道方案。

2.1.2 特长隧道长度的比选

通过对各越岭隧道方案的对比研究可知，由于受大梁山隧道耿马端洞口地形和高程的控制，当隧道洞口至路线终点连续长大下坡段的平均纵坡≤2.75%时，越岭隧道的长度显著增加。当连续长大下坡段的平均纵坡由2.80%（K线方案）降低至2.75%（A2线方案）时，隧道长度由5 553 m增长至6 310 m;当平均纵坡≤2.5%（A1线方案）时，越岭隧道的长度更是增长至7 000 m以上。

鉴于对越岭隧道造价、建设周期及后期运营管理的考虑，A1和A2线越岭隧道的长度明显长于K线方案，其带来的投资、风险和挑战也远大于K线方案。综合比较，推荐采用K线方案。

2.2 连续长大纵坡路段设计

针对山区高速公路长大纵坡事故多发的情况，如果在设计阶段能够通过安全性评价对其进行优化设计，并按需增设爬坡车道、避险车道等必要的设施，无疑是从根本上降低事故率、提升安全性的有效办法。

2.2.1 爬坡车道设置

根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）的规定，高速公路、一级公路以及二级公路的连续上坡路段，当通行能力、运行安全受到影响时，应设置爬坡车道。故宜根据预测交通量及交通组成、服务水平、运行速度等评价爬坡车道设置的必要性[8]。

对本项目反向连续上坡路段（K35+222.767～K17+000）进行运行速度预测，结果如图2所示。

由图2可以看出，主线反向大货车在连续上坡K35+222.767～K17+000段的运行速度均>50 km/h，满足《公路路线设计规范》（JTG D20-2017）中对沿连续上坡方向载重汽车容许最低速度（当设计速度为80 km/h，容许最低速度为50 km/h）的要求。

同时，对本项目连续纵坡路段的服务水平进行预测，预测结果如表1所示。

由表1可以看出，本项目连续纵坡段的服务水平在设计年限内均不小于三级，满足规范对高速公路设计服务水平的要求。综合考虑本项目主线反向大货车在连续上坡段的运行速度预测结果和大货车占比较低（15.17%）的情况，本项目无需设置爬坡车道。

2.2.2 避险车道设置

因我国目前对于如何确定避险车道的位置尚无明确的标准和规范可循[9][10]，本项目采用世界道路协会（PIARC）的货车制动器温升模型（GSRS模型）对本项目连续下坡路段的安全性进行定量分析，以评价避险车道设置位置的合理性。GSRS模型采用的设置避险车道的理论依据是：当刹车片温度上升到200 ℃时，货车刹车性能开始受到影响;当刹车片温度超过260 ℃时，貨车会丧失紧急制动的能力，国际上通常将260 ℃定义为刹车片性能临界温度，刹车片温度超过临界温度的路段也就是开始考虑设置避险车道的路段[11][12]。

通过对连续下坡路段的大货车运行速度进行模拟可知，其运行速度在60～80 km/h间变化，故在分析制动器温度变化情况时，将货车下坡速度拟定为70 km/h。以6轴49 t总重货车作为代表车型分析其在正常工况和不良工况下的制动性能。

（1）正常工况

对大货车驾驶人在连续下坡K17+000～K35+222.767段的正常驾驶行为（如采用低挡下坡、不长时间使用制动器等）的工况下进行了货车制动器温度分析。其分析结果如表2所示。

由表2可知，当货车以70 km/h的速度在本项目连续长下坡路段行驶时，不超载和超载20%的大货车制動器温度均达不到临界温度260 ℃;而超载50%、超载100%的大货车则分别在K30+305、K25+905路段处达到260 ℃，存在丧失紧急制动性能的风险。

（2）不良工况

针对国内重载货车驾驶人在连续长下坡路段可能存在的不良操作行为（如高挡位下坡等）和车况相对较差的情况，对正常工况下的温升模型相关参数按不良工况状态进行标定，不良工况下连续长下坡路段制动器失效临界温度为260 ℃时货车所处位置如表3所示。

由表3可知，不良工况下超载100%、50%、20%和不超载大货车连续下坡途中制动器温度达到其性能临界温度260 ℃时的位置分别为K24+905、K28+505、K31+805和K34+305路段。

综合表2和表3的分析结果可知，超载严重的大货车在不良工况下沿连续下坡路段行驶时其制动器温度更易达到失效临界。因此，为安全起见，应采用不良工况下超载大货车可能丧失制动性能的位置来评价避险车道位置设置的合理性。

由于本项目连续下坡路段位于南捧河右岸，山高谷深，地形地质条件极为复杂，设置避险车道的位置十分受限。最终根据地形、地貌等条件在K25+400、K30+100、K32+300、K34+200路段设置4处避险车道。实际设置的避险车道位置与不良工况下超载100%、50%、20%和不超载大货车连续下坡途中制动器温度达到其性能临界温度260 ℃时的位置基本对应，避险车道位置的选择基本合理。

3 结语

通过对镇（康）清（水河）高速公路连续长大下坡路段进行方案设计，可以得出如下结论：

（1）通过对越岭隧道规模和隧道出口外连续长大下坡平均纵坡的控制，采用多方案进行定性、定量分析最终选定比较合理的越岭隧道长度。

（2）通过对本项目连续上坡段大货车运行速度和服务水平的预测结果进行分析，并考虑到远期大货车占比较小的情况，本项目无需设置爬坡车道。

（3）本项目根据具体情况在K25+400、K30+100、K32+300、K34+200路段设置了4处避险车道，与采用GSRS模型预测的在不良工况下超载100%、50%、20%和不超载大货车连续下坡途中制动器温度达到其性能临界温度260 ℃时的位置基本对应，说明本项目避险车道的设置位置基本合理。

本文通过分析山区高速公路存在的突出问题，系统研究了镇（康）清（水河）高速公路特长隧道比选方案，并基于运行速度、服务水平以及货车制动器温升模型等对爬坡车道和避险车道的设置情况进行了研究，其研究结果直接指导镇（康）清（水河）高速公路的设计，有效提升了该项目的安全性，可为同类项目的研究、设计提供参考。

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