高速公路復雜地形長大下坡路段合理縱坡研究

段曉偉

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著我國交通基礎建設的推進，西部山區高速公路建設逐步發展，極大地促進了西部落后地區的經濟發展。但是，由于山區高速公路地形高差大，小氣候特點明顯，貨車位于長大下坡的安全運營問題一直都是高速公路縱斷面設計的重點和難點問題。

1 工程概況

本文舉例工程為甘肅中部山區某高速公路。采用80km/h的25.5m高速公路技術標準。本文研究段落位于該工程起點，該段路線地形、地質復雜，海拔超過2000m，且該范圍內年平均降雪14.2天，凍土深度超過1m；連續長大下坡緊接特長隧道出口，高差470m，長下坡終點設置樞紐立交與該地區另一條高速公路相接。

經對該段路線走廊帶研究，該段路線特點較為明確，大高差、小氣候及坡底車輛轉換安全性是該段設計的主要難點。因此，在高差確定的前提下，通過理論分析、調研、類比等多種方式確定滿足路段運營安全、兩條高速公路銜接安全的平均縱坡為本文闡述的核心內容。

2 山區高速公路復雜地形長大下坡縱坡設計思路

在山區高速公路長大縱坡路段，縱坡設計思路至關重要，好的決策思路會在設計階段提升道路安全性、規避運營期間產生較多不必要的事故；反之，單純以規范為準，在設計中忽略地形、位置、氣候、車輛組成等重要因素的影響，往往后期公路運營安全風險很大。

從目前國內研究來看，長大縱坡的眾多設計思路中，較為常用的陡緩+陡緩的組合方式易出現較多問題，采用這種方法時，易出現滿足規范坡率、坡長限定而打擦邊球的方案。對于從車輛性能角度出發，上緩下陡這種方法能夠較好地符合車輛性能，但處理好下坡坡度、坡長的關系是該種方法的關鍵。總體來說，從行車安全的角度考慮，采用平均縱坡，來考慮整體縱坡思路是比較安全的。隨著我國公路事業的發展和車輛組成的特點，現行的規范的設計方法也會更加科學和完善[1-3]。

3 長大下坡合理平均縱坡研究

3.1 理論研究

3.1.1 長下坡研究情況

目前國內外專家學者對長下坡路段汽車制動鼓溫升模型與可靠度結合展開了試驗研究，并提出了縱坡可靠性設計方法，為深入研究縱坡組合設計奠定了基礎。結合國內研究及規范相關結論，制動器溫度達到200℃時，制動性能會發生明顯衰退，該結論與世界道路協會PIARC在《道路安全手冊》中相應預測模型結果較為符合。因此，初步設計中將連續下坡制動轂溫度200℃作為長下坡安全警界溫度。并以溫度達到200℃時下坡距離、坡底溫度和溫升速率作為縱坡組合安全性的分析指標，坡長組合盡量采用長緩坡加短陡坡的組合形式，以最大程度減緩貨車制動轂溫升[4-5]。

3.1.2 貨車下坡行駛特征

目前我國大型車仍普遍裝備發動機輔助制動系統，車輛下坡以車重下坡分力與車輛所受相關阻力達到平衡時建立受力分析。當坡度緩于一定值時，貨車在發動機輔助制動及外力作用下，不采用剎車即可保持均速下坡。將該坡度閾值稱作發動機輔助制動下的臨界縱坡，當控制運行車速在對應的臨界下坡時，設計中將能夠獲得明顯的安全收益，使得貨車處于均速貨減速下坡狀態。結合國內相關研究成果，當以80km/h下坡速度行駛時，臨界縱坡基本為2.0%。

3.1.3 中長大下坡設計規范發展歷程

近年來，山區連續下坡路段嚴峻的交通安全形勢已引起政府相關部門和社會各界的關注，相關規范也不斷結合國內外研究成果進行修訂補充。從規范發展的過程來看：94及06版《公路路線設計規范》中對于公路長大縱坡概念沒有明確界定，對于長大縱坡主要認識以載重汽車低速上坡時對公路通行能力影響的角度出發。

2008年由交通部公路司牽頭編寫的《公路路線設計細則（總校稿）》中結合《山區高速公路平均縱坡研究》成果，給出了山區高速公路連續長陡下坡路段的界定標準，并認為平均縱坡小于2%時，載重汽車制動器溫度一般不會高于200℃，相應坡長可不做限制。

2017版《公路路線設計規范》中補充2011年《高速公路縱坡設計關鍵指標與設計方法研究》相關研究成果，明確了當前我國貨車車型的組成前提下的具體連續長陡下坡坡度及坡長；

2019年交通部組織編制了《提升公路連續長陡下坡路段安全同行能力專項行動技術指南》，指南中結合國內公路連續長陡下坡實際和國內外工程經驗，在2017版《路線設計規范》的基礎上提升、細化了連續長大下坡定義，引入任意3km及事故指標，綜合考慮駕駛人超速、超載及車輛制動系統技術狀況不良等因素。

截止目前，由交通運輸部科學研究院承擔制訂的《公路避險車道設計細則》已進入征求意見階段，其中對長大縱坡定義結合國內科研、設計、運營和國外先進技術，提出“容錯設計”理念，并將連續長、陡下坡路段最小坡度和坡長定義為2.0%/15km，從設計指標方面進一步提升了大型貨車在連續長陡下坡的行駛安全性。

3.1.4 國內外規范對比

（1）中法兩國規范對比。中國與法國相差不大，法國只對最大縱坡或超過最大縱坡值的縱坡長度有限制，我國在大坡度之間夾雜一段較短的緩和坡段，以利于上坡車輛恢復車速，下坡車輛制動減速，但是法國規范認為,應特別避免在兩個大縱坡（大于4%）間插入一段這樣的緩坡，這會使駕駛員產生大坡道已結束的錯覺，使下坡車速回升。

（2）中美日澳等國家對比。美國山區最大縱坡最大，根據山區和丘陵等不同地形擬定，較中國規范大1%到2%。日本最大縱坡規范值較我國小1%，但規定可在最大縱坡的基礎上增大2%～3%。澳大利亞標準中對最大縱坡的規定最為寬泛，最大縱坡指標可變化幅度最大，均未見對連續下坡的界定原則。東盟國家與我國對長大縱坡的規定基本一致，我國公路標準規定的最大縱坡值總體是小于國外。

3.2 類比調研

3.2.1 連續下坡與事故率關系

在連續下坡路段主要事故原因是制動失效，或制動效能降低過多導致車輛失控。事故車型中以大型貨車占比最高，接近40%。下坡路段事故致死率往往較高，且由于地形困難受傷人員施救難度大；事故主要分布于長下坡路段下半段，事故嚴重程度隨著下坡里程的積累而增加，尤以外地駕駛員事故率高，損害后果嚴重。

根據德國交通事故率與縱坡的關系曲線，當縱坡為2%時,上、下坡事故率基本相同，且數值較小;當縱坡在2%～4%時，下坡事故率開始大于上坡，且下坡事故率曲線迅速上升;當縱坡大于6%時，上坡事故率上升緩慢，下坡事故率迅速上升，且成倍增加。下坡路段比上坡路段更危險,下坡路段的縱坡越陡，事故率越高。

我國多數貨車采用成本更低的鼓式制動作為主動制動，鼓式剎車散熱性低，連續的制動會使摩擦溫度不斷升高，造成熱衰減，性能急劇下降。因此，我國研究成果與德國有所區別，受下坡縱坡影響更敏感，縱坡大于1%后，事故率就已開始增高，導致連續下坡問題在我國更為突出。這也與我國采用更為嚴格的路線指標的思路相吻合。

3.2.2 長下坡項目調研情況

為更好地評價長大下坡路段縱斷面安全情況，對國內一些項目相關長大縱坡情況進行了調研，具體各項目平均縱坡及主要技術指標情況如表1。

表1 長大下坡路段安全情況調研

4 結束語

本文通過國內高速公路縱坡情況對比分析可知，路線縱坡設置情況不一，在滿足規范要求情況下差異較大。據以上不完全統計，結合國內資料，僅滿足規范的2.45%及以上縱坡事故率將明顯增高，事故高發地一般位于山區長陡縱坡與冰凍區、霧區等不良因素疊加區域。同時，隧道設置比例對事故率影響較大，隧道越長，事故率相對越高。而長大下坡所處位置也對事故率及事故嚴重程度有所影響，位于坡底及互通立交出口前時，事故率及嚴重性相對較高。另一方面，平均縱坡2.1%及以下坡率，未見明顯的事故情況發生；結合甘肅省內資料，除個別自然坡率較緩的高速外，其余縱坡多以滿足規范要求為主，對于路段整體安全性有待進一步驗證。

平均縱坡是山區高速公路的主要控制性指標，對于工程造價影響巨大，設計中應避免盲目追求過緩或指標用滿，綜合項目特點合理確定平均縱坡，對于長大縱坡安全性問題，現有研究及速度預測模型如何進行多因子及可靠度綜合考慮，還有待進一步研究。