鎮(zhèn)清高速特長(zhǎng)隧道比選及長(zhǎng)大縱坡方案設(shè)計(jì)研究

周勇狄 原寶盛

摘要：長(zhǎng)大縱坡路段是山區(qū)高速公路事故高發(fā)地。文章針對(duì)云南省鎮(zhèn)康至清水河高速公路在連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段存在的越嶺特長(zhǎng)隧道選擇、爬坡車道設(shè)置、避險(xiǎn)車道設(shè)置等關(guān)鍵性問題，從平均縱坡、運(yùn)行速度模擬、貨車下坡制動(dòng)溫度等方面進(jìn)行分析，提出優(yōu)化縱斷面設(shè)計(jì)、合理選擇越嶺隧道方式、合理設(shè)置避險(xiǎn)車道等措施，為山嶺重丘區(qū)高速公路在連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段的方案設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路;連續(xù)長(zhǎng)大縱坡;特長(zhǎng)隧道;爬坡車道;避險(xiǎn)車道;方案設(shè)計(jì)

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

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，精準(zhǔn)扶貧政策的穩(wěn)步落實(shí)，西部地區(qū)，尤其是山嶺重丘地區(qū)的路網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)不斷延伸，受地形、地貌和地質(zhì)條件等因素的制約，不可避免出現(xiàn)長(zhǎng)大下坡的路段。然而，長(zhǎng)大下坡路段的交通事故問題日益增多，交通安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻。資料統(tǒng)計(jì)顯示，長(zhǎng)大下坡路段的交通事故占山區(qū)公路事故總數(shù)的40%;而載貨汽車是該路段事故率最高的車輛，約占60%～80%。因此，在設(shè)計(jì)初期合理選取路線平縱面指標(biāo)，合理設(shè)置避險(xiǎn)車道尤為重要 [1][2]。

針對(duì)長(zhǎng)大下坡路段存在的越嶺特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度選擇、爬坡車道和避險(xiǎn)車道設(shè)置等關(guān)鍵問題，本文從平均縱坡、運(yùn)行速度模擬、貨車下坡制動(dòng)溫度分析等方面對(duì)鎮(zhèn)（康）清（水河）高速公路聯(lián)系長(zhǎng)大下坡路段進(jìn)行分析，為山嶺重丘區(qū)高速公路在連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段的方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 山區(qū)高速公路存在的突出問題

山區(qū)高速公路往往受地形、地貌、地質(zhì)、環(huán)保、投資等眾多因素的制約，越嶺線位常常伴隨著長(zhǎng)大上坡和下坡路段的出現(xiàn)，而長(zhǎng)大縱坡多為重、特大交通事故的頻發(fā)路段。因此，路線縱斷面和越嶺隧道的合理選擇、爬坡車道及避險(xiǎn)車道的合理設(shè)置已經(jīng)成為了山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)高度重視的首要問題 [3]。

1.1 越嶺隧道長(zhǎng)度的選定

高速公路越嶺隧道長(zhǎng)度的選定主要取決于越嶺標(biāo)高的控制。一般情況下，隧道越嶺標(biāo)高越低，路線越短，技術(shù)指標(biāo)也越容易提高，對(duì)運(yùn)營(yíng)也越有利。但標(biāo)高低，隧道就越長(zhǎng)，造價(jià)就高，建設(shè)周期就越長(zhǎng)[4]。

因此，越嶺隧道的長(zhǎng)度選定往往應(yīng)結(jié)合地質(zhì)選線來進(jìn)行，并以隧道進(jìn)出口的控制標(biāo)高作為研究的基礎(chǔ)。

1.2 爬坡車道設(shè)置

當(dāng)車輛行駛于連續(xù)長(zhǎng)大縱坡段時(shí)，小客車在上坡方向上速度變化不明顯，而載重汽車則會(huì)因爬坡能力不足而速度逐漸降低，造成兩種車輛的速度差逐漸增大，致使“強(qiáng)超硬會(huì)”的幾率明顯增加，危及行車安全。因此，在上坡路段為慢速車輛設(shè)置爬坡車道是國(guó)際上普遍采取的措施[5][6]。

根據(jù)現(xiàn)行《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2017）的規(guī)定，原則上當(dāng)上坡路段載重汽車的運(yùn)行速度降低到容許最低速度以下或單一縱坡坡長(zhǎng)超限或路段通行能力明顯降低時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)置爬坡車道。

1.3 避險(xiǎn)車道設(shè)置

行駛于長(zhǎng)大下坡路段的大貨車由于頻繁制動(dòng)，導(dǎo)致車輛制動(dòng)性能衰減甚至失靈，極易發(fā)生交通事故，設(shè)置避險(xiǎn)車道無疑是一種有效的補(bǔ)救措施。然而，我國(guó)目前對(duì)于如何確定避險(xiǎn)車道的位置尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可循。由于國(guó)內(nèi)尚未有成熟的研究成果，故采用國(guó)外比較成熟的世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）的貨車制動(dòng)器溫升模型（GSRS模型）[7]對(duì)本項(xiàng)目連續(xù)下坡路段的安全性進(jìn)行定量分析，以評(píng)價(jià)避險(xiǎn)車道設(shè)置位置的合理性。

2 鎮(zhèn)清高速方案設(shè)計(jì)研究

鎮(zhèn)（康）清（水河）高速公路位于云南省臨滄市，地處橫斷山系南段，地形陡峻，山高谷深，構(gòu)造發(fā)育。項(xiàng)目主線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，路線全長(zhǎng)35.240 km，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬25.5 m。其中大梁山特長(zhǎng)隧道出口至路線終點(diǎn)為長(zhǎng)達(dá)18.217 km的連續(xù)下坡路段，克服高差510.3 m，平均縱坡為2.80%，是本項(xiàng)目的控制性路段。

2.1 特長(zhǎng)隧道的方案比選

通過對(duì)本項(xiàng)目工程可行性研究階段路線走廊、控制點(diǎn)及各方案路線走向的研究可知，越嶺隧道標(biāo)高和長(zhǎng)度控制、連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段平均縱坡的控制是本項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

針對(duì)本項(xiàng)目大梁山越嶺特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度的選擇，以現(xiàn)行《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2017）為依據(jù)，參考云南省內(nèi)類似山區(qū)高速公路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一方面控制越嶺隧道長(zhǎng)度在5.5 km左右，并分析論證隧道是否需要設(shè)置豎井等分段送排風(fēng)方式;另一方面以路線終點(diǎn)南捧互通起點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)高為控制，從路線終點(diǎn)分別按平均縱坡≤2.5%、平均縱坡=2.75%、平均縱坡介于2.75%與3.0%之間等多方案展線。

根據(jù)上述原則，初步擬定出4種越嶺隧道方案（如圖1所示）：（1）K線：越嶺隧道長(zhǎng)度為5 553 m，平均縱坡為2.80%;（2）A線：即優(yōu)化后的工可推薦方案，采用隧道群的方式越嶺，隧道長(zhǎng)度分別為2 197 m和4 066 m，連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段的平均縱坡為2.98%;（3）A1線：平均縱坡=2.75%，越嶺隧道長(zhǎng)度為6 130 m;（4）A2線：隧道口至路線終點(diǎn)連續(xù)下坡路段的平均縱坡（以下簡(jiǎn)稱“平均縱坡”）≤2.5%，越嶺隧道長(zhǎng)度為7 320 m。

2.1.1 特長(zhǎng)隧道與隧道群的比選

通過對(duì)各越嶺隧道方案的對(duì)比分析可知，A線為隧道群方案，K線、A1線以及A2線方案則采用一座特長(zhǎng)隧道的形式穿越大梁山。

深入分析對(duì)比可知，A線最大高程為1 193.35 m，位于隧道群兩洞口之間。其中回龍寨隧道（長(zhǎng)2 197 m）路段縱坡為2.03%，一碗水隧道（長(zhǎng)4 066 m）路段縱坡為-2.3%。考慮A線從AK13+590開始連續(xù)下坡至AK35+930處，連續(xù)下坡段里程長(zhǎng)22.340 km，高程由1 193.35 m降至559.36 m，平均縱坡為2.84%，坡度較陡。尤其是一碗水隧道出口至終點(diǎn)AK17+640～AK35+930段，該路段高程由1 106.30 m降至559.36 m，平均縱坡為3.0%，任意3 km平均縱坡最大值達(dá)到3.2%。

K線由大梁山隧道出口K16+930開始連續(xù)下坡至路線終點(diǎn)附近K35+130處，連續(xù)下坡段里程長(zhǎng)18.20 km，高程由1 070.2 m降至559.36 m，平均縱坡為2.81%，坡度適中，并且任意3 km范圍內(nèi)，路線平均縱坡均<3.0%。

因此，從路線平、縱指標(biāo)及連續(xù)性、均衡性等方面對(duì)比，K線、A1線以及A2線的各項(xiàng)指標(biāo)明顯優(yōu)于A線。尤其是縱斷面指標(biāo)，受全線最大高程的影響，A線方案明顯不足，行車安全性較差。

雖然A線方案隧道最大長(zhǎng)度約為4 000 m，射流風(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)可滿足遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)需求，不需設(shè)置斜井或者豎井，同時(shí)，兩隧道間出露區(qū)域增加了工作面，有利于縮短隧道施工周期。但是，由于其自身平縱指標(biāo)的不足，給后續(xù)運(yùn)營(yíng)帶來較大的安全隱患，綜合對(duì)比，推薦采用特長(zhǎng)隧道方案。

2.1.2 特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)度的比選

通過對(duì)各越嶺隧道方案的對(duì)比研究可知，由于受大梁山隧道耿馬端洞口地形和高程的控制，當(dāng)隧道洞口至路線終點(diǎn)連續(xù)長(zhǎng)大下坡段的平均縱坡≤2.75%時(shí)，越嶺隧道的長(zhǎng)度顯著增加。當(dāng)連續(xù)長(zhǎng)大下坡段的平均縱坡由2.80%（K線方案）降低至2.75%（A2線方案）時(shí)，隧道長(zhǎng)度由5 553 m增長(zhǎng)至6 310 m;當(dāng)平均縱坡≤2.5%（A1線方案）時(shí)，越嶺隧道的長(zhǎng)度更是增長(zhǎng)至7 000 m以上。

鑒于對(duì)越嶺隧道造價(jià)、建設(shè)周期及后期運(yùn)營(yíng)管理的考慮，A1和A2線越嶺隧道的長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于K線方案，其帶來的投資、風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)也遠(yuǎn)大于K線方案。綜合比較，推薦采用K線方案。

2.2 連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段設(shè)計(jì)

針對(duì)山區(qū)高速公路長(zhǎng)大縱坡事故多發(fā)的情況，如果在設(shè)計(jì)階段能夠通過安全性評(píng)價(jià)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并按需增設(shè)爬坡車道、避險(xiǎn)車道等必要的設(shè)施，無疑是從根本上降低事故率、提升安全性的有效辦法。

2.2.1 爬坡車道設(shè)置

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）的規(guī)定，高速公路、一級(jí)公路以及二級(jí)公路的連續(xù)上坡路段，當(dāng)通行能力、運(yùn)行安全受到影響時(shí)，應(yīng)設(shè)置爬坡車道。故宜根據(jù)預(yù)測(cè)交通量及交通組成、服務(wù)水平、運(yùn)行速度等評(píng)價(jià)爬坡車道設(shè)置的必要性[8]。

對(duì)本項(xiàng)目反向連續(xù)上坡路段（K35+222.767～K17+000）進(jìn)行運(yùn)行速度預(yù)測(cè)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，主線反向大貨車在連續(xù)上坡K35+222.767～K17+000段的運(yùn)行速度均>50 km/h，滿足《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2017）中對(duì)沿連續(xù)上坡方向載重汽車容許最低速度（當(dāng)設(shè)計(jì)速度為80 km/h，容許最低速度為50 km/h）的要求。

同時(shí)，對(duì)本項(xiàng)目連續(xù)縱坡路段的服務(wù)水平進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，本項(xiàng)目連續(xù)縱坡段的服務(wù)水平在設(shè)計(jì)年限內(nèi)均不小于三級(jí)，滿足規(guī)范對(duì)高速公路設(shè)計(jì)服務(wù)水平的要求。綜合考慮本項(xiàng)目主線反向大貨車在連續(xù)上坡段的運(yùn)行速度預(yù)測(cè)結(jié)果和大貨車占比較低（15.17%）的情況，本項(xiàng)目無需設(shè)置爬坡車道。

2.2.2 避險(xiǎn)車道設(shè)置

因我國(guó)目前對(duì)于如何確定避險(xiǎn)車道的位置尚無明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可循[9][10]，本項(xiàng)目采用世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）的貨車制動(dòng)器溫升模型（GSRS模型）對(duì)本項(xiàng)目連續(xù)下坡路段的安全性進(jìn)行定量分析，以評(píng)價(jià)避險(xiǎn)車道設(shè)置位置的合理性。GSRS模型采用的設(shè)置避險(xiǎn)車道的理論依據(jù)是：當(dāng)剎車片溫度上升到200 ℃時(shí)，貨車剎車性能開始受到影響;當(dāng)剎車片溫度超過260 ℃時(shí)，貨車會(huì)喪失緊急制動(dòng)的能力，國(guó)際上通常將260 ℃定義為剎車片性能臨界溫度，剎車片溫度超過臨界溫度的路段也就是開始考慮設(shè)置避險(xiǎn)車道的路段[11][12]。

通過對(duì)連續(xù)下坡路段的大貨車運(yùn)行速度進(jìn)行模擬可知，其運(yùn)行速度在60～80 km/h間變化，故在分析制動(dòng)器溫度變化情況時(shí)，將貨車下坡速度擬定為70 km/h。以6軸49 t總重貨車作為代表車型分析其在正常工況和不良工況下的制動(dòng)性能。

（1）正常工況

對(duì)大貨車駕駛?cè)嗽谶B續(xù)下坡K17+000～K35+222.767段的正常駕駛行為（如采用低擋下坡、不長(zhǎng)時(shí)間使用制動(dòng)器等）的工況下進(jìn)行了貨車制動(dòng)器溫度分析。其分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)貨車以70 km/h的速度在本項(xiàng)目連續(xù)長(zhǎng)下坡路段行駛時(shí)，不超載和超載20%的大貨車制動(dòng)器溫度均達(dá)不到臨界溫度260 ℃;而超載50%、超載100%的大貨車則分別在K30+305、K25+905路段處達(dá)到260 ℃，存在喪失緊急制動(dòng)性能的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）不良工況

針對(duì)國(guó)內(nèi)重載貨車駕駛?cè)嗽谶B續(xù)長(zhǎng)下坡路段可能存在的不良操作行為（如高擋位下坡等）和車況相對(duì)較差的情況，對(duì)正常工況下的溫升模型相關(guān)參數(shù)按不良工況狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，不良工況下連續(xù)長(zhǎng)下坡路段制動(dòng)器失效臨界溫度為260 ℃時(shí)貨車所處位置如表3所示。

由表3可知，不良工況下超載100%、50%、20%和不超載大貨車連續(xù)下坡途中制動(dòng)器溫度達(dá)到其性能臨界溫度260 ℃時(shí)的位置分別為K24+905、K28+505、K31+805和K34+305路段。

綜合表2和表3的分析結(jié)果可知，超載嚴(yán)重的大貨車在不良工況下沿連續(xù)下坡路段行駛時(shí)其制動(dòng)器溫度更易達(dá)到失效臨界。因此，為安全起見，應(yīng)采用不良工況下超載大貨車可能喪失制動(dòng)性能的位置來評(píng)價(jià)避險(xiǎn)車道位置設(shè)置的合理性。

由于本項(xiàng)目連續(xù)下坡路段位于南捧河右岸，山高谷深，地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜，設(shè)置避險(xiǎn)車道的位置十分受限。最終根據(jù)地形、地貌等條件在K25+400、K30+100、K32+300、K34+200路段設(shè)置4處避險(xiǎn)車道。實(shí)際設(shè)置的避險(xiǎn)車道位置與不良工況下超載100%、50%、20%和不超載大貨車連續(xù)下坡途中制動(dòng)器溫度達(dá)到其性能臨界溫度260 ℃時(shí)的位置基本對(duì)應(yīng)，避險(xiǎn)車道位置的選擇基本合理。

3 結(jié)語

通過對(duì)鎮(zhèn)（康）清（水河）高速公路連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，可以得出如下結(jié)論：

（1）通過對(duì)越嶺隧道規(guī)模和隧道出口外連續(xù)長(zhǎng)大下坡平均縱坡的控制，采用多方案進(jìn)行定性、定量分析最終選定比較合理的越嶺隧道長(zhǎng)度。

（2）通過對(duì)本項(xiàng)目連續(xù)上坡段大貨車運(yùn)行速度和服務(wù)水平的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，并考慮到遠(yuǎn)期大貨車占比較小的情況，本項(xiàng)目無需設(shè)置爬坡車道。

（3）本項(xiàng)目根據(jù)具體情況在K25+400、K30+100、K32+300、K34+200路段設(shè)置了4處避險(xiǎn)車道，與采用GSRS模型預(yù)測(cè)的在不良工況下超載100%、50%、20%和不超載大貨車連續(xù)下坡途中制動(dòng)器溫度達(dá)到其性能臨界溫度260 ℃時(shí)的位置基本對(duì)應(yīng)，說明本項(xiàng)目避險(xiǎn)車道的設(shè)置位置基本合理。

本文通過分析山區(qū)高速公路存在的突出問題，系統(tǒng)研究了鎮(zhèn)（康）清（水河）高速公路特長(zhǎng)隧道比選方案，并基于運(yùn)行速度、服務(wù)水平以及貨車制動(dòng)器溫升模型等對(duì)爬坡車道和避險(xiǎn)車道的設(shè)置情況進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果直接指導(dǎo)鎮(zhèn)（康）清（水河）高速公路的設(shè)計(jì)，有效提升了該項(xiàng)目的安全性，可為同類項(xiàng)目的研究、設(shè)計(jì)提供參考。

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