大型货车功重比对高速公路连续下坡路段交通安全性的影响

林宣财，张旭丰，王 佐，吴善根，李 涛

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

山区高速公路由于受到地形、工程造价限制，纵断面常会采用连续下坡进行设计，形成较多连续长大下坡路段。根据已建高速公路平均纵坡控制情况的调查研究，交通事故率与平均纵坡存在相关性，但与货车占比、载重率及货车功重比也有密切关系，汽车在连续下坡路段行驶时，驾驶员常倾向于采用高档位和制动毂制动的驾驶方式；为保证货车长下坡状态为稳速，频繁使用制动毂容易导致其温度上升，引发制动效能降低甚至失效，不利于货车的安全行驶。

对连续长下坡交通安全性问题，国内外相关研究较多，主要有针对连续下坡路段交通事故进行统计分析[1-3]，建立相关的制动毂温度模型[4-6]，并提出相应的改善措施，如避险车道[7-8]、交通管理等[9]。澳大利亚的Austroads[10]对货车驾驶员进行问卷调查并查阅文献，研究了连续下坡路段导致货车失控的严重事故，给出了制动升温模型，辅助制动系统与驾驶员培训内容，以确保货车驾驶员与其他道路使用者的安全。陈立辉[11]在已有的制动鼓温度模型的基础上，通过引入海拔高度修正系数，构建了适合高原环境连续下坡路段制动鼓温度模型。在连续下坡与纵断面线形指标方面，潘兵宏[12]收集了大量相关文献资料，通过路段试验、场地试验和理论分析，提出了山区高速公路平均纵坡和坡长限制的指标值。国内针对高速公路合理限速相关问题也有较多研究，主要基于运行速度、设计速度为主的限速方法[13-14]。许金良[15]基于运行速度、设计速度等因素，提出综合考虑新建高速公路限制速度。

《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)(以下简称《路线规范》)指出，我国目前货运主导型车辆仍为6轴铰接列车，其功重比为5.2 kW/t，美国AASHTO规范给出的货运主导车型功重比8.3 kW/t，相比明显偏低，也不符合以往研究中给定货车主导车型和功重比[16]。说明货车功重比偏低是连续长大纵坡路段交通事故多发的主要致因之一；平均纵坡与交通事故也存在相关性，但仅从减缓平均纵坡度不能完全解决货车功重比偏低造成交通事故多发的问题，况且目前《路线规范》)对高速公路连续下坡路段的规定为：平均纵坡2.5%的连续坡长控制长度20 km，平均纵坡3%的连续坡长控制长度14.8 km，平均纵坡3.5%的连续坡长控制长度9.3 km，这些规定已经较严，对工程规模影响较大，为了合理控制工程造价，应从提高货车功重比的可能方案和限制速度两方面着手。本研究主要从货车超载、货车占比及装载率角度开展调查研究，根据大型货车载重量对高速公路连续长大下坡路段交通安全性的影响分析，提出保证货车功重比达到一定水平以上的载重管控措施。

1 大型货车功重比对高速公路连续下坡路段交通安全性的影响

1.1 货车超载对高速公路长大纵坡路段交通安全性影响分析

我国高速公路基本上都是客货混行，由于货车整体性能差别大，货车功重比不同造成客货之间和货车之间出现较大的速度差，在上坡路段客货之间与货车之间强超强会，诱发交通事故；下坡路段超速或高速行驶，造成刹车失控，甚至刹车失灵，出现交通事故多发。我国高速公路交通事故率高于欧美等国，郭腾峰等[17]研究认为主因在于货车功重比严重偏低，即货车性能差、超载是主因，如原八达岭高速公路交通事故多发路段的长大陡坡长度仅4.77 km，平均纵坡为4.27%，任意连续3 km最大平均纵坡为4.51%；但货车超载情况见表1，其中中型货车平均超载率为4.53倍，居最高，大型货车次之，为2.62倍，拖挂车最小，为1.7倍。由于货车超载情况十分严重，货车功重比非常低，且货车整体性能差，加之平均纵坡度大，连续坡长较大，造成八达岭高速公路自1998年11月—2003年8月期间因制动失效冲入紧急避险坡道的汽车有400多辆，冲入山沟的有47辆。超载、特别是严重超载现象被严查后，交通事故明显逐年减少，该项目最为典型。

表1 原八达岭高速公路运输车辆装载吨位分布

1.2 大型货车占比及满载对高速公路交通安全性的影响

根据调查研究，货车占比及满载率对高速公路交通事故率影响较大，对连续长大纵坡路段交通事故发生概率的影响更大。如某高速公路东段，全长56 km，连续长大纵坡路段为K9+280～K23+440，长度14 160 m，高差312 m，平均纵坡2.2%，见图1。其中K15+280～K23+440,长度8 160 m，高差207.2 m，平均纵坡2.54%，K20+340～K23+440，长度3 100 m，高差102.0 m，平均纵坡3.29%；区间平均纵坡控制指标均符合《路线规范》要求。2007年11月通车，根据交通量统计货车占比为80.0～88.5%，货车车型95%以上是6轴货车，货物基本上都是煤，拉煤货车往往都是满载，所以货车功重比仅约为5.25 kW/t。由于省内本项目其它路段地形较平坦，没有连续长大纵坡，也没有拉煤的6轴货车，交通事故率低。而该段交通事故发生总数在2013年前占省内全线(约200 km)的51～80%以上，死亡人数占比在55～94.6%；2014年之后，通过限速、限超等管控措施，交通事故发生总数明显降低，但其它路段交通事故率也明显降低，所以占比还高达73～83%。连续长大纵坡路段仅14.16 km，下行线交通事故发生总数占东段的30%多，见表2。说明大型货车占比大、功重比偏低是交通事故多发的主要致因；随着大型货车占比的逐年增加，大型半挂列车已成为我国公路货运的主要车型[16]；如果地形条件允许，在工程规模增加不多情况下，连续长大纵坡路段平均纵坡控制原则上宜尽量采用较小值。

图1 某高速东段连续长大纵坡路段纵面缩图

表2 某高速东段交通现状

1.3 大型货车总质量对高速公路交通安全性的影响

廖军洪[17]根据四川、广东、云南等省长大下坡的调研，选取了坡长分别为 7.5,10,15,20,25,30,50 km的7个典型长大下坡作为研究对象，基于长大下坡制动器温升特性的对比分析结果，车辆总质量对货车制动器温度影响显著，在研究长大下坡总长度、平均纵坡、限制速度及安全保障技术方案时，应考虑所在区域货车代表车型的轴数和车辆总质量因素。在汽车下坡行驶过程中，其重力沿着坡道的分力Fi所做功，将转化为制动器制动力Fb、路面滚动阻力Ff、空气阻力Fw和发动机牵引力Fe的消耗能[18]。由于汽车各车轮的实际载荷和制动器效能存在差异，根据比热容原理可得到各制动器的升温ΔT:

(1)

式中,m为汽车质量，g为重力加速度，n为汽车的制动器数量，mb,Cb分别为制动器的质量和比热容，i，f分别是路面的下坡坡度和滚动阻力系数，s为汽车的行驶距离，δ为制动器占全车制动的效能比值。

从式(1)可知，为避免制动器温度过高，必须严格限制汽车质量或功重比；研究表明：应根据项目所在区域的货运特点、代表车型及汽车功重比，并结合连续长大纵坡坡长和平均纵坡度，对不同车型(型号)的货车载重量或功重比提出针对性的管控措施，如限制不同车型(型号)的载重量或根据发动机功率核定总质量等措施，能有效提高汽车功重比，提升连续下坡路段交通安全。

1.4 交通管控措施与交通事故相关性分析

根据全国1990—2019年交通事故发生总数及死亡人数统计(图2)可知，全国统计交通事故发生总数及死伤人数自1993年开始逐年增加，2002年达到高峰值，然后逐年减少，至2009年后趋于平稳。根据2009年统计资料，全国发生交通事故238 351起，导致67 759人死亡，275 125人受伤。2018年，全国发生交通事故244 937起，导致63 194人死亡，258 532人受伤；2009年之后，随着公路通车里程的迅速增加和汽车保有量的急剧增长，交通事故发生总数及死伤人数没有增加，而是趋于平稳，显然是交通管控和应急管理水平得到有效提升的缘故。近十年，通过超载监管，设置避险车道、降温池、路段限速、分车道分车型限速等措施，连续长大纵坡路段交通事故多发和制动失灵频发现象得到有效控制。未来还需对已建高速公路在连续长大纵坡路段限速管理和货车载重合理管控两方面深入开展研究。

图2 全国1990—2019年交通事故发生总数及死亡人数统计

1.5 我国汽车整体性能提升变化情况的调查分析

在研究货车制动毂温升预测模型时，不同时期采用的主导车型不同，主要是因为我国汽车整体性能在不断提升中。《公路路线设计细则》(2009年总校稿)配套研究主导车型为东风EQ5208XXY2 3轴载重载货车，同济模型主导车型为解放CA3168P1Kl Tl6X4 3轴载重货车，《路线规范》配套研究主导车型为东风DFL4251A15 6轴铰接列车，功重比为5.7 kW/t。根据2019年市场调查(表3)，我国6轴牵引汽车品牌与种类越来越多，且汽车发动机功率及功重比近十年已明显提高，发动机功率257 kW已是偏小的车型，最大功率已达400 kW，汽车整体性能总体已有较大幅度的提升；但汽车核载重量一律按轴数核定还不够合理，造成不同发动机马力的货车功重比差异较大，为5.24～8.31 kW/t。随着汽车核载重量的合理管控规定的完善，未来我国汽车整体性能一定会适应较大连续坡长相应的平均纵坡要求；高速公路连续长大纵坡路段的平均纵坡掌握应综合考虑工程规模及汽车整体性能的逐步提升；现阶段对地形条件特别困难路段，可通过货车功重比管控措施的专项研究，合理控制平均纵坡度和连续坡长，降低工程造价。

表3 六轴牵引车发动机功率及功重比调查

2 京昆高速公路某段交通特管区货车载重与交通安全性调查分析

2.1 交通特管区管控措施

为了提高G5京昆高速公路某段最长连续长下坡路段的行车安全性，改善路段通行环境，于2018年8月将北坡下坡路段前36 km设置为交通特管区，在特管区内实行“客货分道、控速行驶、不超车不超速不越道”的方案管理，特管区内设置了5套违法抓拍系统及相应的标志设施，保障了有效监管，实现驾驶员对各类设施的严格遵循，该路段货车驾驶员安全意识观念强，大型货车满载情况非常少。

2.2 货车车辆车轴数分布调查分析

通过对G5京昆高速公路某段车辆类型及轴数的调查，并对所调查的车辆类型按照车轴数进行分类统计，在高速公路上行驶的货车类型中，6轴大货车所占比重最大，达到了61%，2轴、3轴、4轴大货车所占比重相差不大，均在10～15%范围内，车辆车轴数发布见图3。

图3 车辆车轴数分布

2.3 货车车辆载重分布调查分析

通过对G5京昆高速公路某段车辆的载重调查，发现几乎没有超过40 t的，30～40 t载重所占比重最大为41%，20～30 t，10～20 t，0～10 t载重所占比例依次递减，分别为23，19和17%，见图4。从货车类型分析可知，六轴大货车所占比重最大，达到了61%，其额定载重为49 t，但载重30～40 t所占比重最大，达到41%，这说明在六轴半挂车中不仅没有满载，而且多数满载率仅为60～80%，相当于六轴半挂车功重比提高20%以上，即货车功重比基本上大于7.0 kW/t。车辆载重越大，车辆在连续下坡路段行驶过程中的行车危险性越高，车辆载重越小，行车危险性越小。

图4 车辆载重分布

2.4 连续纵坡路段大货车下坡速度统计分析

通过对G5京昆高速公路某段大货车下坡过程中行驶速度的调查，见图5，数据显示接近一半的速度小于60 km/h，38%的速度在60～70 km/h之间，≧80 km/h仅占2%，在60～70 km/h之间占14%，所以限速70 km/h较合理。尽管限速80 km/h，但在两段长下坡内，驾驶员普遍采取了较低的行驶速度，说明驾驶员在下坡路段的安全意识较高，能自觉地减少货车装载量，并保持低速行驶，提升交通安全性。下坡过程中速度越高，实施制动的频率也越高，刹车频率高是导致制动系统温度上升较快、增加制动失灵的主要因素。通过速度的统计与分析，有助于对速度限制的控制，有利于安全管理措施的实施。

图5 连续纵坡路段货车下坡速度范围统计

2.5 交通特管区交通安全性调查分析

2018年共发生11起道路交通事故，均为简易程序事故，无人员伤亡，其中重中型货车4起，大中型客车0起，货车事故率为十万分之2.4，比较低；2017年18起(伤2人)、2016年17起(死亡1人)、2015年12起，该交通特管区的货车事故率总体较低。在连续下坡路段增设交通特管区，采取的各类相应安全措施降低了运营中的安全风险，其中大型货车没有满载，货车功重比的提高，也是货车事故率较低的主要因素之一。

3 结论

(1)通过对货车超载、大型货车占比及装载率分别对高速公路连续长大纵坡路段交通安全性影响的调查分析，以及交通管控措施与交通事故相关性分析，得出大型货车功重比偏低是交通事故多发的主要诱因。

(2)从G5京昆高速公路某段车辆载重分布分析可知，在6轴半挂车中不仅没有满载，而且最大装载为40 t，多数车辆满载率仅为60～80%，相当于6轴半挂车功重比提高20%以上，即货车功重比基本上达到7.0 kW/t，这是G5京昆高速公路某段连续长大纵坡路段交通事故率较低的主要原因之一。研究表明，为了提高现阶段交通安全性，可提出保证货车功重比达到7.0 kW/t以上的载重管控措施。

(3)随着我国汽车整体性能的不断提高和将来车辆核载管控规定的完善，我国货车功重比将会实现达到8.0 kW/t以上的目标，那时就能适应较大连续坡长相应的平均纵坡要求。高速公路连续长大纵坡路段平均纵坡掌握应综合考虑工程规模及汽车整体性能的逐步提升；现阶段对地形条件特别困难路段，可通过货车功重比管控措施的专项研究，合理控制平均纵坡度和连续坡长，降低工程造价。

(4)研究了大型货车功重比对交通安全性的影响，货车载重管控措施的制定应结合项目代表车型及装载率、路线指标等具体情况开展专项研究。