横断山区高速公路长大下坡路段安全评价及改善措施

陈朝晖， 何云勇,2， 何恩怀

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司， 成都 610041； 2.西南交通大学 土木工程学院， 成都 610031)

近年来，我国公路建设重心逐渐延伸至西部地区和高原，公路建设受制于地形、地貌、地质等自然条件，山区高速公路普遍面临长大下坡安全设计的现实需求。与一般路段高速公路相比，长大下坡路段往往具有高差大、转角小、曲线半径小、桥隧比例高、平纵线形展线困难等特点，运营安全问题尤为突出。国内外学者基于车辆下坡时的动力性能建立了车辆制动鼓温升理论与计算模型，从保障车辆正常行驶角度对长大下坡路段运营安全进行了研究[1-5]，但对山区高速公路连续长大下坡路段路线设计评价鲜有报道，如不同位置和长度的缓坡对货车制动鼓温度的影响、强制停车区对货车安全营运的作用等。本文在已有研究成果基础上，利用大货车温升控制的长大下坡安全评价方法，分析了四川省某横断山区高速公路44.6 km连续长大下坡路段设计安全性，研究了强制停车区及缓坡设置作用及适宜位置，提出了基于安全运营的改善措施，可供同类地区高速公路设计参考。

1 长大下坡概况

四川省南部横断山区某高速公路长大下坡起点桩号为K136+660，设计高程为2 608 m，止点桩号为K181+242，设计高程为1 522 m。该连续长大下坡路段长44.6 km，高差为1 086 m，平均纵坡为2.43%。受地形、地貌控制，该长大下坡路段上部采用了2处螺旋展线降坡，如图1所示。其中K136+600～K166+225段长29.9 km，高差为823.8 m，平均纵坡为2.75%，超出了JTG D20—2017《公路路线设计规范》[6]8.3.5条规定。为提高长大下坡路段车辆运营安全，在该路段间断设置了3段缓坡：1) 在连续下坡约11 km处起设置了2%的缓坡段(K147+825～K153+960)，坡长6.14 km；2) 在连续下坡约29.6 km处起设置了1.5%的缓坡段(K166+225～K170+711)，坡长4.49 km；3) 在连续下坡约35.3 km处起设置了0.5%的缓坡段(K171+940～K173+110)，坡长1.17 km。

图1 长大下坡路段平面示意

根据JTG D20—2017《公路路线设计规范》[6]要求，需对该长大下坡路段进行交通安全性评价，并提出路段速度控制和通行管理方案、完善交通工程和安全设计、论证是否增设货车强制停车区。

2 基于货车温升控制的长大下坡安全评价方法

2.1 货车制动鼓温升模型

影响连续长大下坡路段运营安全的核心问题是载重货车持续制动过程中，引起制动鼓温度急剧升高，导致货车制动功能衰减甚至失效问题。相关研究表明，货车持续制动前后制动鼓温差达150 ℃，当制动鼓温度超过临界值时，货车容易出现刹车失灵，导致严重的交通安全事故。世界道路协会PIARC基于货车制动系统能量守恒原理，考虑货车车重、下坡行车速度、坡度、坡长及温度等因素，建立了货车制动鼓温升模型[7]，见式(1)。该模型在高速公路长大下坡路段安全性评价中应用相对较多，评价结果较为可靠[8]。

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

(1)

式中：T为制动鼓初始温度，℃；T0为制动鼓初始温度，℃；Ta为环境温度，℃；K1=1.23+0.016V；K2=0.1+0.001 3V；L为下坡路段长度，m；PB为制动功率，PB=PG-PE-PF，hp；PE为发动机制动功率，hp；PG为坡度力功率，PG=W·θ·V/272.16，hp；PF为摩擦力功率，PF=(450+10.78V)V/600，hp；W为车辆总重，kg；θ为纵坡坡度，%；V为行车速度，km/h。

依据世界道路协会PIARC货车制动鼓温度预测模型，通过预测汽车的制动鼓温度可判断长大下坡路段中各路段的危险程度，如表1所示。有关研究表明[9-10]，当货车制动鼓温度低于200 ℃时，制动性能正常；当货车制动鼓温度处于200 ℃～260 ℃时，货车制动性能显著下降，存在衰退制动失效的风险；当货车制动鼓温度处于260 ℃～290 ℃时，货车制动性能严重下降，随时都可能发生制动失效；而当货车制动鼓温度超过290 ℃时，制动鼓完全失效。因此，根据制动鼓温度将连续下坡路段危险程度划分为安全路段(低于200 ℃)、衰减路段(介于200 ℃～260 ℃)、危险路段(制动高于260 ℃)。

2.2 长大下坡路段货车温升计算

运用式(1)货车制动鼓温升预测模型对图1连续长大下坡路段进行安全性评价。货车制动鼓温升模型中初始温度T0取65.6 ℃，外部环境温度取20 ℃，测算车型选取4轴货车重31 t、5轴货车重43 t、6轴货车重49 t三种。货车制动鼓温度预测结果如图2所示。从图2可知， 该长大下坡运行中，4轴货车制动鼓最高温度为124.3 ℃，小于200 ℃，属于安全范围；5轴货车制动鼓最高温度为202.3 ℃,大于200 ℃，但未达到260 ℃，属于衰减范围；6轴货车在K163+885处制动鼓温度达到260 ℃，在K166+285处达到最高，为277 ℃。因此，对6轴货车，该长大下坡中下部均为危险路段。

表1 基于货车制动鼓温度的路段危险程度分级

图2 长大下坡路段货车制动鼓温升测算

该路段不同轴数的大货车制动鼓温度分布规律基本一致，即“陡坡升温，缓坡降温”。由图2还可知，以6轴货车为例，长大下坡路段上部2%的缓坡段制动鼓温度由191.6 ℃下降至181.7 ℃，平均下降1.61 ℃/km；中下部1.5%的缓坡段制动鼓温度由270.9 ℃下降至236.1 ℃，平均下降7.75 ℃/km；下部0.5%的缓坡段制动鼓温度由237.1 ℃下降至225.9 ℃，平均下降9.57 ℃/km。

由此可见，连续长大下坡路段上部设置缓坡对货车制动鼓降温效果不明显；中下部路段设置缓坡制动鼓降温较明显，缓坡越长降温梯度越大。

值得注意的是，若本项目长大下坡采用单一纵坡2.43%展线下坡，6轴货车制动鼓温度预测如图3所示。从图3可知，制动鼓温升曲线先增长后趋于平缓，最高温度位于长大下坡止点，其值为221.2 ℃，降低20%，属衰减路段。由此可见，采用均匀纵坡较陡缓相间的纵坡设计更利于行车安全。

图3 均匀纵坡下货车制动鼓温升测算

2.3 货车超载对制动鼓温度的影响

鉴于我国货运车辆超载现象严重，在连续下坡路段的安全评价中引入货车超载10%、30%的情况，为连续下坡路段的安全设施及管理措施提供依据[11]。4轴货车超载情况下制动鼓温度预测如图4所示。由图4可见，4轴货车超载10%时，由坡顶行驶至坡底，制动鼓温度仍小于200 ℃，属于安全路段；超载30%时，由坡顶下坡至34 km处，制动鼓温度超过260 ℃，最高温度达到288 ℃，长大下坡最后10 km为危险路段。

图4 4轴货车超载情况下制动鼓温升预测

5轴货车超载情况下制动鼓温度预测如图5所示。从图5可见，超载10%时，由坡顶下坡至34.5 km处，制动鼓温度超过260 ℃，最高温度为283.1 ℃。超载30%时，由坡顶下坡至27.8 km处，制动鼓温度超过260 ℃，最高温度达到382.3 ℃，长大下坡下部17 km为危险路段。

图5 5轴货车超载情况下制动鼓温升预测

6轴货车超载情况下制动鼓温度预测如图6所示。从图6可见，超载10%时，由坡顶下坡至27.9 km处，制动鼓温度超过260 ℃，最高温度为367 ℃。超载30%时，由坡顶下坡至13 km处，制动鼓温度超过260 ℃，最高温度达到512.4 ℃，长大下坡路段为危险路段。

图6 6轴货车超载情况下制动鼓温升预测

通过对不同轴数货车满载和超载分析可知，4轴货车超载30%及以上、5轴货车超载10%及以上、6轴车满载及以上，在长大下坡路段行驶制动鼓温度均会超过260 ℃，存在制动鼓失灵风险。因此，建议该路段运营阶段加强货车超载治理，严禁大货车超载行驶。

2.4 基于服务区强制停车的货车温升计算

考虑将K145+100服务区作为大货车强制停车区特管路段，该服务区距离长大下坡路段坡顶约9 km，大货车进入服务区加水降温、制动鼓检查、驾驶员休息后，进入余下的长大下坡路段行驶。6轴大货车由坡顶行驶至服务区的制动鼓温度预测如图7所示。从图7可见，制动鼓最高温度为160 ℃，处于安全范围。服务区至坡底的温度预测如图8所示。从图8可见，制动鼓最高温度为243.1 ℃，处于衰减范围，仍存在衰退制动失效的风险。因此，建议结合该路段地形地质条件、桥隧分布等因素，在适当的位置增设1处避险车道[12]，以提高货车运营安全保障。

图7 6轴货车坡顶至服务区制动鼓温度预测

图8 6轴货车服务区至坡底制动鼓温度预测

3 长大下坡路段安全设计改善措施

1) 将K145+100服务区作为强制停车区特管路段，增加下坡方向服务区内货车停车位，加强高温制动鼓车辆检修、加水降温相关措施，提醒长时间驾驶员在此休息[13]。服务区出口适当位置设置长大下坡路段余长标志，以提醒驾驶员谨慎行驶[14]。

2) 大货车强制进入服务区降温后，运行至K157+660～K181+242段时，制动鼓温度在200 ℃～260 ℃之间，仍存在衰退制动失效的风险。因此，建议结合该路段地形地质条件、桥隧分布等因素，在适当位置增设1处避险车道，以提高大货车运营安全保障。

3) 大货车运行制动鼓温度高于200 ℃路段建议增强路面抗滑性能，加强路侧安全防护等级，条件允许下加高护栏高度，以最大限度地保证制动失控车辆的安全性。建议加强此路段隧道出入口过渡段视线诱导及安全警示，以提醒驾驶员注意洞内外的明暗变化，降低车辆的行驶速度[15]。

4 结论

1) 本文研究的高速公路长大下坡路段案例中，4轴、5轴货车到达坡底时，制动鼓温度基本属于安全范围，6轴大货车则为277 ℃，超过了临界温度。而若该路段纵坡设计为单一值-2.43%，6轴大货车达到坡底温度为221.2 ℃，降低20%，属衰减范围。因此，采用均匀纵坡比陡缓相间的纵坡设计更利于行车安全。

2) 连续长大下坡路段上部设置缓坡对货车制动鼓降温效果不明显；中下部路段设置缓坡制动鼓降温较明显，缓坡越长降温梯度越大。

3) 货车超载将大幅提高全路段制动鼓温度，应严格控制。在适当位置设置强制停车区、服务区，管制大货车驶入加水降温，可有效降低长大下坡路段制动鼓温度，提高运营安全。

4) 建议在制动鼓温度超过200 ℃路段适当位置设置避险车道、增强路面抗滑性能及桥梁护栏防护等级，加强长大下坡余长提醒标志、隧道出入口过渡路段视线诱导及安全警示。