加定至海晏公路长大纵坡段路线设计方案探讨

■王若川

（苏交科集团股份有限公司，南京 210017）

1 概述

G341 加定至海晏公路是《国家公路网规划》中的重要组成部分，是国家公路网的重要补充，其位于海东市互助县、西宁市大通县、海北藏族自治州海晏县。 技术标准为全封闭双向四车道一级公路标准，设计速度为80 km/h、60 km/h（长大纵坡路段），整体式路基宽25.5 m， 分离式路基宽2×12.75 m[1]。受地形限制，加定至海晏公路于大通县设有长大纵坡一处，坡顶位于贾家沟隧道洞口，坡底位于阿家堡枢纽，主要为河谷地形，里程8.2 km，自然坡差330 m，自然平均坡度4%。 由于长大纵坡路段一直是公路安全的重灾区，因此本项目路线设计时应对其进行充分研究，尽可能避免出现长大纵坡或者减缓路段坡度，以提高道路安全。

2 路线方案

2.1 建设条件及主要控制因素

区域内主要控制因素有：（1）地形地貌：位于具喀斯特地形的浅切割陡坡低高山山间沟谷向具梁垅状山脊平缓沟谷的低山丘陵过渡区域。 （2）气候、气象：山区寒冷潮湿，盆地区温暖干燥，气温变化大，属大陆性气候。 （3）水系、水文：沿线未跨越大型河流，多为小支沟发育并多呈现季节性河流，平时多干枯无水。 （4）工程地质：岩性为冲积粉质黏土、圆砾，主要不良地质为湿陷性黄土。 （5）重要道路：大小高速：高速公路，设计速度100 km/h，路基宽度26 m，本项目与其设置枢纽型互通；桥荫路：三级公路，路基宽度7.5 m，本项目与其设置服务型互通；其他道路：朔摩路（三级公路）、X118（三级公路）。（6）区域内沿线村庄布局。

2.2 路线方案布设

为了尽可能降低长大纵坡坡度，提高路段安全性，平面上宜依照地形展线，尽可能加大路线里程，线形上采用规范一般值以上的指标，提高行驶舒适度，降低驾驶员行驶压力。 纵断面上考虑上坡爬坡车辆通行效率，采用以大、小纵坡交替组合的纵断面设计，指标上兼顾地方气候特征，采用最大纵坡阳坡段4.5%、阴坡段4%、缓和坡段2.5%的原则进行布设。

路线自贾家沟隧道洞口，依托山势展线，考虑河谷北侧现状布设有朔摩路， 两侧分布大量村庄，布线条件差， 该段线位主要于河谷南侧进行布设。至拉浪台村、菜子口村处，为兼顾阿家堡枢纽布设条件，线位无法继续依山布设，该处存在两条线位：方案一（图1、2）：借助地形于拉浪台村、菜子口村之间跨越河谷，于北侧展线，进一步加大里程，减小纵坡，但受控于村落布局，线位于菜子口村后侧山体经过，因此拆迁规模、挖方工程偏大。 方案二（图1、3）：继续沿河谷南侧展线，于菜子口村南侧通过，但因无山势依托，填方工程偏大。

图1 方案一与方案二路线布设平面图

2.3 路线方案比选

从路线指标、经济性方面对两个方案进行综合比较，比选结果如表1 所示。

表1 路线方案综合比较分析

方案二路线由菜子村南侧进入枢纽，与方案一相比：（1）路线里程缩短约190 m，长大下坡坡度更大，道路行驶安全性较差；（2）由于无山体依托，该方案在坡底枢纽前无法设置避险车道， 道路行驶安全性较差；（3）虽避免对菜子口村后山体开挖，但枢纽整体缺方101.9 万方，两侧可调运隧道弃渣26.4 万方，缺方问题突出，需另择取土场进行取土；（4）工程规模整体较小，估算较方案一低557.6 万元。

图2 方案一路线布设纵面图

图3 方案二路线布设纵面图

综上所述，方案一平均纵坡较缓，并可依托山势在枢纽前设有避险车道， 道路安全性高于方案二，土石方填挖更平衡，故推荐采用方案一。

3 下坡路段避险设施验算

3.1 下坡路段制动毂温升验算

长大纵坡路段一直是公路安全的重灾区，车辆尤其是大货车在长大下坡路段行驶过程中，需不停制动以稳定车速，动能不停转换为热能，制动毂温度快速上升并随下坡距离的增加不断累积。 制动毂与摩擦片之间的摩擦系数随温度增加而逐步降低，大货车的制动效能也随之发生明显下降，造成制动器热衰退现象， 最终导致大货车的制动效能为零，大货车制动失效。 根据相关专题研究结论，当温度达到200 ℃或者更高时，制动毂就会部分丧失制动效能，存在导致车辆失控的风险[2]。

本文采用同济大学王俊骅等[3]建立的制动毂温升模型进行长大下坡路段大货车制动毂温升计算，计算结果如表2 所示。

表2 长大下坡路段大货车制动毂温升计算结果

从图4 可以看出右线至K91+220 处，制动器温升达到211.86 ℃，已超过临界值200 ℃，制动毂部分或者全部丧失制动效能，存在可能导致车辆失控的风险。

图4 长大下坡路段大货车制动毂温升曲线

3.2 安全设施布置

为增加道路安全，结合建设条件，在K87+400（制动毂预测温度128.53 ℃）右幅，设置麻家庄停车区（图5），以为高温制动器车辆提供到区内车辆检查、降温、加水等服务，提醒长时间驾驶司机在此休息，尽可以减小连续下坡运营带来的影响。 同时结合地形，在K90+732.91（制动毂预测温度196.24 ℃）阿家堡枢纽前设置避险车道一处，最大限度保障失控车辆安全。

图5 麻家庄停车区

图6 阿家堡枢纽避险车道

4 上坡路段爬坡车道验算

在上坡路段上，小客车速度变化不大，而大货车会因爬坡能力不足而减速行驶，降低道路通行能力，同时会导致坡道上两种车辆速度差增大，超车需求增大，危及行车安全，有必要时，应考虑论证设置爬坡车道。

4.1 运行速度验算

根据规范[4]对上坡路段车辆进行运行速度检验，结果如图7 所示。经检验， 上坡方向载重汽车运行速度大于40 km/h，满足规范上坡方向容许的最低速度。

图7 长大纵坡左线运行速度图

4.2 对上坡方向通行能力分析

根据《公路工程技术标准》规定，一级公路的技术标准必须在该使用期内能提供三级以上服务水平，因此有必要对上坡方向通行能力进行分析[5]。 该段远景年2040 年预测交通量20184 pcu/d， 交通组成分别为：小货18.4%、中货3.4%、大货6.0%、拖挂15.2%、 小客47.4%、 大客9.6%。 该段设计速度为60 km/h，该速度下各级服务水平最大服务交通量分别为：一级、二级900 pcu/h/ln、三级1100 pcu/h/ln。

对设计速度进行修正，其具体计算公式如下：

其中，设计速度VD取60 km/h；左侧路缘带为0.5 m， 车道宽度和路侧净空对设计速度的修正值△Vw取-1 km/h；单向2 车道，车道数对设计速度的修正值△VN取-8 km/h。 可计算出该路段实际运行速度VR为51 km/h，内插获得二级服务水平下最大服务交通量修正值MSFi890 pcu/h/ln， 三级服务水平下最大服务交通量修正值MSFi1065 pcu/h/ln。本项目为全封闭公路，一级公路路段的设计通行能力可由下式计算：

其中，驾驶者总体特征修正系数fp取1.0；车道数修正系数ff取1.0；Pi为车型i 的交通量占比；Ei为车型i 折算系数，不同的设计速度、交通量、坡度折减系数均不同，对于连续上坡路段，由于纵坡组合情况不同，需要根据不同的坡度和坡长组合情况来确定出等效坡度和坡长，然后来确定折算系数。

本文采用精确法求算等效坡度， 即通过运行速度的变化值来计算等效坡度坡长，经逐段计算，本路段等效坡度坡长为4.1%，1050 m。 查表得中型车、大型车、拖挂车折算系ei 分别为6.1、6.0、6.0[6]。进而可求得fHV＝0.369， 采用二级服务水平下最大服务交通量修正值计算得到设计通行能力Cd＝328 veh/h/ln，采用三级服务水平下最大服务交通量修正值计算得到Cd＝393 veh/h/ln。

该路段交通量为20184 pcu/d，单向设计小时交通量DDHV 可由下式计算：

其中，年平均日交通量AADT 可根据车型比例换算得到，为15765 veh/d；高峰小时系数K 取9.0%；方向不均匀系数D 取0.52。 得到DDHV＝737 veh/h。

综上所述，远景年满足三级服务水平。

4.3 结论

该路段上坡方向载重汽车运行速度大于40 km/h，满足规范上坡方向容许的最低速度。 远景年服务水平达到三级，满足规范规定的最低服务水平要求，故不设置爬坡车道。

5 结语

加定至海晏公路长大纵坡段充分考虑各种可能的路线方案，灵活运用技术指标，从安全性、经济性等多角度比选，合理选择推荐方案，再分别对下坡路段、上坡路段制动毂温升、运行速度、通行能力进行验算分析，合理设置交通设施，可为其他长大纵坡路段路线设计提供参考与借鉴。