云南建元高速公路連續(xù)下坡段交通安全性研究

陳志勇

(蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

近年來，我國高速公路建設(shè)飛速發(fā)展，其建設(shè)重心從平原區(qū)逐漸轉(zhuǎn)移至山嶺重丘區(qū)。山區(qū)高速公路易受復(fù)雜地形、地質(zhì)條件制約，且其建設(shè)對自然生態(tài)環(huán)境的保護要求較高，因此，山區(qū)高速公路往往容易形成連續(xù)長大下坡路段。在連續(xù)長大下坡路段下坡行駛過程中，頻繁的制動使得貨車制動轂溫度持續(xù)升高，嚴(yán)重時甚至制動失效，從而引發(fā)交通安全事故，危及行車安全。

目前，國內(nèi)外已有連續(xù)下坡路段交通安全性的相關(guān)研究。Ruhl等[1]在連續(xù)下坡路段典型貨車的實際運行情況下，建立了基于制動轂數(shù)量、車速等多因素影響下的制動轂溫度預(yù)測模型；美國聯(lián)邦公路局(FHWA)[2]在恒定的下坡運行速度和發(fā)動機最大功率條件下建立了實驗系統(tǒng)，確定車輛在下坡路段出現(xiàn)制動失效時剎車片的溫度為260 ℃；《道路規(guī)劃設(shè)計手冊》[3]規(guī)定，車輛制動失效導(dǎo)致失控是連續(xù)長大下坡路段事故高發(fā)的主要原因，建議在連續(xù)長大下坡路段事故多發(fā)地設(shè)置避險車道以減少事故發(fā)生概率。

本文根據(jù)云南建元高速公路的設(shè)計資料，對貨車在該工程連續(xù)下坡路段運行的交通安全進行研究，以期為減少后期事故成本、提高運營期的安全性提供科學(xué)參考。

1 連續(xù)長大下坡路段選取

建元高速公路位于云貴高原，區(qū)域內(nèi)地勢西南低、東北高，地形起伏較大，山體較為陡峻，沖溝較發(fā)育，地形中等切割，構(gòu)造斷陷巖溶盆地較發(fā)育。工程區(qū)域內(nèi)的最高點海拔為2 226 m，位于工程區(qū)北側(cè)，最低點海拔為220 m，位于紅河的河谷區(qū)域，工程區(qū)域內(nèi)相對高差2 006 m。

建元高速公路屬于山區(qū)高速公路，橋隧比將近70%，工程艱巨，投資額大。主線設(shè)計速度80 km/h，路線最大縱坡4%。其中，建元高速公路K線右線在K22+308.307～K67+050路段范圍內(nèi)的平均縱坡-2.63%，路線長度44.71 km，相對高差1 177.05 m。根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)[4]中關(guān)于連續(xù)長、陡下坡的坡度及其相應(yīng)坡長規(guī)定，當(dāng)主線平均縱坡為2.5%時，連續(xù)最大坡長為20 km。因此，K線右線在K22+308.307～ K67+050路段屬于《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2017)[4]界定下的連續(xù)長大下坡路段，貨車存在較大的制動風(fēng)險，應(yīng)對該路段的運行安全性進行分析。

2 交通組成分析

根據(jù)建元高速公路在交通量預(yù)測末年(即2039年)交通情況，預(yù)測2039年交通組成情況如圖1所示。2039年交通量中貨車占比較大，約40%，且大型貨車和汽車列車占比超過20%。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究[5]，連續(xù)下坡路段的交通事故致死率較高，達48%，且事故發(fā)生的主要車型為大型貨車，大型貨車占比高達40%。大型貨車在本工程連續(xù)下坡路段的交通安全性應(yīng)予以重視。

圖1 預(yù)測2039年交通組成情況

本工程在交付運營后，隨著時間的推移，貨運交通將持續(xù)增長。在連續(xù)長大下坡路段，重載貨車存在制動失效的高安全風(fēng)險，如果不采取任何線形調(diào)整或附加安全措施，該路段的事故風(fēng)險會在道路條件、車輛性能和不良駕駛行為的共同作用下有所增加。

3 貨車制動轂溫度分析

3.1 制動轂失效原因

我國高速公路交通事故的規(guī)律顯示，山區(qū)高速公路事故總量低于其他高速公路，但事故性質(zhì)惡劣、損失大，尤其在一些特殊路段，如連續(xù)下坡路段。

貨車在連續(xù)下坡路段運行事故高發(fā)的主要原因為制動失效，繼而導(dǎo)致貨車逐步失控。通常，貨車制動轂工作溫度急劇上升的情況有兩種，一種是在下坡時連續(xù)制動，另一種是在高速行駛中采取緊急制動。在各種因素的共同作用下，貨車制動轂所受的摩擦力矩因摩擦片摩擦系數(shù)不斷減小而明顯降低，貨車的制動效能明顯下降，這種現(xiàn)象即為制動效能的熱衰退[5]。貨車在連續(xù)下坡路段運行時，為保持相對安全行駛速度，駕駛員會連續(xù)制動，使得貨車制動轂的實時溫度迅速上升。當(dāng)溫度超過某個界限值時，貨車逐漸出現(xiàn)制動效能的熱衰退，隨著制動效能熱衰退逐漸增強，制動效能會完全喪失，從而導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

3.2 制動轂臨界溫度界定標(biāo)準(zhǔn)

基于貨車制動轂失效原因，結(jié)合實際工程條件考慮，采用長安大學(xué)學(xué)者提出的連續(xù)下坡路段主制動器升溫模型對建元高速公路長大下坡路段進行研究。該項研究表明，道路的縱坡坡度、坡長和車輛重量是影響長大下坡路段車輛勢能轉(zhuǎn)化的主要因素，由此提出基于車輛重量和長大下坡路段相關(guān)參數(shù)的連續(xù)下坡路段制動轂升溫模型，其關(guān)系式見式(1)。

(1)

式中，ΔT為溫度的變化量，℃；i為縱坡，%；V為車輛下坡速度，km/h；M為車輛質(zhì)量，kg；S為車輛所在位置距坡頂?shù)木嚯x，m；α、β為回歸系數(shù)。

根據(jù)上述長大下坡路段車輛制動轂升溫模型研究結(jié)果[5]，制動轂溫度分級及應(yīng)對措施如表1所示。

由表1可知，上述制動轂升溫模型所得出的臨界溫度，低于世界道路協(xié)會260 ℃臨界溫度標(biāo)準(zhǔn)(貨車制動轂仍可以保持良好性能)。為保證貨車行駛的安全性，本試驗將250 ℃定義為制動轂性能的臨界溫度，當(dāng)制動轂溫度接近臨界溫度時，應(yīng)考慮在相應(yīng)位置設(shè)置避險車道。

表1 制動轂溫度分級及應(yīng)對措施 (℃)

3.3 不同工況下制動轂溫度分析

根據(jù)制動轂溫度預(yù)測模型，對駕駛員在不同駕駛檔位(空擋、5擋、6擋)下的制動轂溫度變化情況進行分析，得到連續(xù)長大下坡路段貨車制動轂溫度達到250 ℃或超過250 ℃時的位置，空擋下坡制動轂臨界溫度所處位置如表2所示，5擋、6擋下坡制動轂溫度變化曲線如圖2所示。

表2 空擋下坡制動轂臨界溫度所處位置

由表2可知，在K線右線K22+308.307～K67+050連續(xù)下坡路段，若貨車采用空擋下坡，制動轂溫度均達到250 ℃，甚至超過臨界溫度，高達500 ℃。因此，應(yīng)嚴(yán)禁駕駛員在連續(xù)下坡路段行駛時空擋滑行。

由圖2可知，貨車在不同擋位、不同行駛速度下，當(dāng)運行一段距離之后，制動轂溫度均已超過250 ℃，并隨著下坡里程的增加，制動轂溫度不斷升高，在貨車到達坡底前，制動轂溫度超過300 ℃，下坡里程繼續(xù)增加，制動轂溫度持續(xù)升高，制動轂幾乎喪失制動效果。此外，在相同擋位情況下，貨車行駛速度越低，制動轂溫度上升速度越快，越易提前達到臨界溫度。

圖2 5擋、6擋下坡制動轂溫度變化曲線

由上述分析可知，K線右線K22+308.307～ K67+050連續(xù)下坡路段在不同工況下均存在安全性問題。因此，需重點分析K線右線K22+308.307～K67+050路段車輛運行的安全性。

3.4 K線右線制動轂溫度分析

一般情況下，貨車下坡速度為60～80 km/h，貨車在6擋要求最低速度為70 km/h。因此，本試驗選擇貨車以6擋、70 km/h行駛在K線右線K22+308.307～K67+050作為試驗條件進行研究，貨車制動轂溫度預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 貨車制動轂溫度預(yù)測結(jié)果注：制動轂溫度低于200 ℃的樁號未計入圖中。

由圖3可知，K線右線K22+308.307～K67+050連續(xù)下坡路段，自K32+969.016之后，貨車制動轂溫度超過臨界值250 ℃，制動能力開始衰減。受限于地形地質(zhì)條件，本工程在該段連續(xù)下坡路段沿線大型構(gòu)造物多、橋隧比例高，符合設(shè)置避險車道條件的路段較少。因此，建元高速公路施工設(shè)計階段在K33+830、K41+910、K42+690、K48+170、K66+670等樁號附近設(shè)置了避險車道。除K33+830位置處制動轂溫度約為280 ℃，其余避險車道設(shè)置位置制動轂溫度均大于500 ℃，遠超過臨界值250 ℃，制動轂近乎喪失制動效果，對貨車安全駕駛極為不利。

根據(jù)研究路段地形地質(zhì)條件、橋隧分布情況和平縱線形等，在設(shè)計階段共設(shè)置了5處避險車道，K線右線避險車道設(shè)置如表3所示。

表3 K線右線避險車道設(shè)置

避險車道均采用上坡道型，以利于失控貨車在重力坡度與集料摩阻力的共同作用下安全減速避險停車。

通過設(shè)置避險車道，并在運營管理階段進一步加強大型貨車速度控制以及提高連續(xù)下坡路段風(fēng)險宣傳力度，強化大型貨車駕駛員安全意識，可盡量避免大型貨車制動失靈事故的發(fā)生，減少研究路段在運營期內(nèi)的交通事故，減少事故數(shù)量，降低事故嚴(yán)重程度。

此外，結(jié)合研究路段制動轂的溫度變化情況、大型構(gòu)造物分布、地形條件等因素，于連續(xù)長大下坡路段K46+600處擬增設(shè)尼格停車區(qū)。停車區(qū)的設(shè)置一方面有利于降低貨車制動轂溫度，另一方面可為駕駛員提供休息場地，緩解駕駛員疲勞，使得車輛的制動性能得到有效恢復(fù)，有利于貨車在連續(xù)長大下坡路段的安全運行。

4 關(guān)鍵節(jié)點安全性分析

建元高速公路K線右線連續(xù)下坡路段范圍為K22+308.307～K67+050，K線右線連續(xù)下坡路段結(jié)構(gòu)物分布如圖4所示。

圖4 K線右線連續(xù)下坡路段結(jié)構(gòu)物分布(單位：m)注：加粗標(biāo)注服務(wù)設(shè)施為最終設(shè)計設(shè)置構(gòu)造物。

在連續(xù)下坡路段范圍內(nèi)，山區(qū)復(fù)雜的地形地質(zhì)條件嚴(yán)格限制了路段平面線形的布置。為避繞不良地形地質(zhì)，路段在平面設(shè)計上采用了較多的大偏角曲線。其中，最小平曲線半徑為710 m，最大平曲線半徑為2 814 m，變化范圍較大。

工程方案在縱斷面的布置上為克服陡變的高差，多以橋隧相接的方式穿越。在該連續(xù)長大下坡路段范圍內(nèi)共設(shè)隧道10座，含五老峰、咪的村2處特長隧道。其中，咪的村隧道采用螺旋展線的方式進行布線，螺旋曲線半徑為735 m，在該隧道前的道路線形表現(xiàn)為連續(xù)S形曲線，半徑分別為900 m、750 m、1 100 m；在該隧道后緊接半徑分別為750 m、1 000 m的反向曲線。此外，平面線形還包含1處半徑為730 m的回頭曲線，位于樁號K44+100之后。因此，該段連續(xù)下坡路段范圍內(nèi)的平面線形相對較差。

對于五老峰隧道和咪的村隧道等特長隧道，為應(yīng)對可能發(fā)生在隧道洞口的失控貨車直接沖向端墻的交通事故，在施工設(shè)計階段已強化了隧道洞口過渡段線形誘導(dǎo)，提高洞口附近路面的抗滑性，并在隧道洞口迎車面的一側(cè)增加防沖撞緩沖設(shè)施等，以降低事故嚴(yán)重程度，減少事故經(jīng)濟損失。

對于位于炭山隧道至他白依隧道的短、長隧道群之間的路段，因為該段范圍已逼近連續(xù)下坡路段的終點，所以施工設(shè)計階段已在隧道洞口強化過渡段線形誘導(dǎo)，提高路面抗滑性，并在隧道洞口的迎車面方向增加防沖撞緩沖設(shè)施，以提高貨車的行車安全。

此外，本研究路段中、短隧道群有1處，包含他其隧道、克勒1號隧道、克勒2號隧道等3處隧道，該范圍內(nèi)的道路以橋梁、隧道等構(gòu)造物依次相接。該隧道群路段位于連續(xù)長大下坡路段后半段，貨車在該隧道群路段需要反復(fù)進洞、出洞，駕駛員將不斷遭遇明、暗適應(yīng)過程，對保證貨車的安全運行極為不利。因此，在設(shè)計階段已對該隧道群的照明、通風(fēng)、監(jiān)控進行了統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計處理。

基于工程在設(shè)計階段已設(shè)置了相對完善的交通安全保障措施，因此，在工程建成后的運營階段，應(yīng)根據(jù)實際運營情況，進一步對交通安全設(shè)施進行完善，并加強運營管理以保障大型貨車在該連續(xù)下坡路段范圍內(nèi)的安全運行。

5 結(jié)語

本文從保障山區(qū)高速公路貨車的交通安全角度出發(fā)，基于云南建元高速公路，對貨車在連續(xù)長大下坡路段運行的交通安全性進行了分析。根據(jù)貨車在最不利情況下制動轂溫度預(yù)測變化情況，對設(shè)計階段設(shè)置的避險車道等安全措施進行分析。此外，通過對連續(xù)下坡路段范圍內(nèi)的大型構(gòu)造物分布、平縱指標(biāo)進行分析，進一步研究了貨車在連續(xù)長大下坡路段所采用的交通安全措施。關(guān)注貨車在連續(xù)下坡路段的交通安全性對保證整個工程的交通安全具有重要意義，本項目的實施對今后具有類似連續(xù)下坡路段高速公路的設(shè)計具有借鑒與參考價值。