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新版标准规范解读:山区高速公路连续长下坡设计方法与指标综述

作者:段钰婧 点击:3361 发布日期: 2022-04-14 09:50:24
信息摘要:
近年来,我国山区高速公路连续下坡路段货车失控事故多发、频发,引起各层面的高度重视。在新版标准规范发布实施后,修订组陆续收到一些关于长下坡设计方法与指标的咨询函件,内容主要涉及以下方面...

  近年来,我国山区高速公路连续下坡路段货车失控事故多发、频发,引起各层面的高度重视。在新版标准规范发布实施后,修订组陆续收到一些关于长下坡设计方法与指标的咨询函件,内容主要涉及以下方面:

  如何解决连续下坡货车安全问题?问题与纵坡设计有关吗?

  下坡中“缓坡”行驶,驾驶员很少刹车制动,能够让制动毂降温,但《规范》为什么没有设置“缓坡”方法和指标?

  基于经验和习惯做法,长下坡采用“陡缓结合”的设计方法,正确吗?

  连续长下坡设计中,应该如何进行纵坡设计?控制什么指标?

  《规范》新增的平均纵坡指标,比经验值更大、更宽松,安全吗?

  本文结合《公路工程技术标准》和《公路路线设计规范》(以下简称《规范》)修订过程,综述相关调查研究的主要结论,解读《规范》相关指标来源和依据,回答如何根本性破解长下坡安全问题,简要总结山区高速公路连续长下坡的纵坡设计方法和指标掌握。

  01

  山区高速公路长下坡安全问题与纵坡设计有关吗?如何破解?

  首先,专题通过调研发现,我国山区高速公路连续长下坡路段事故多发频发的直接原因在于违法驾驶(超载、超限、超速)和违章操作(如:未按规定使用辅助制动系统)、车辆非法改装等方面。

  其次,由于货车大型化趋势(车辆总质量增加数倍),导致货车整体性能下降(功率质量比下降约40%),引起车辆连续下坡中的持续制动能力显著降低。而持续制动能力和装配(如缓速器)才是保证货车连续下坡安全性的关键,并非大家习惯性认为的行车制动(器)系统——制动毂。与国外同类货车对比可见,我国货车整体性能(包括持续制动能力与装备),与世界发展水平相差一个代级以上。下图为我国不同时期公路货运代表车型及其性能参数对比表。

  图片

  再有,通过世界多国公路标准对比研究,我国高速公路几何指标与美国等其他国家基本一致,且在实际工程指标(尤其是纵坡方面)采用、掌握方面,我国采用普遍更高、控制更严,即我国纵坡等指标偏于保守和安全。

  综上,我国山区高速公路长下坡安全问题直接原因主要在于“人”和“车”的因素方面。其中,货车大型化导致整体性能下降、持续制动装备落后等问题,才是长下坡安全问题的深层次矛盾和根结。同时,调查试验揭示,在人、车等因素合法、合规前提下,我国已建的山区高速公路长下坡路段货车均可以安全通行。

  因此,结合上述调查、研究结论和认识,要彻底解决货车连续下坡中的安全问题:

  第一,必须对标国际货车性能标准,提升货车总体性能和装配条件。具体而言,要提升货车功率质量比达到8.3kN/t及以上。同时,升级换代货车采用持续制动效能更高、更稳定的辅助制动系统(如:缓速器)。

  第二,必须加强山区高速公路长下坡路段的通行管理和交通组织,杜绝各类人、车违法、违规行为,严格控制货车长下坡。

  就此,《规范》修订阶段专门向交通运输部提交了相关专题研究报告和对货车生产制造相关国家政策性的意见和建议。

  02

  长下坡设计中,需要考虑“缓坡”吗?

  公路行业《规范》中的“缓坡”一词和概念,原本是从上坡方向角度提出的。上坡设置缓坡的目的——当货车在连续爬坡过程中速度不断折减降低,导致路段通行能力显著下降时,通过有意识设计“缓坡”(仍然是上坡,只是坡度较小),为车辆创造一个短距离提速的条件。根据汽车连续爬坡过程中的速度折减表现,上坡方向“缓坡”的坡度一般控制在小于3%。

  而众所周知,货车在山区高速公路连续下坡过程中,如果驾驶员连续踩刹车制动,就会导致制动毂温度过高,逐渐失去制动消能,最终导致车辆失控。这也是我国山区高速公路连续长下坡路段货车失控的主要原因和表现。于是,有人认为,如果在长下坡路段中设置有“缓坡”,车辆在缓坡路段行驶时,驾驶员很少踩刹车,这样有助于制动毂自然降温,恢复其应有的制动消能。

  显然,此“缓坡”,非彼“缓坡”,它们是完全不同的概念,目的和性质也截然不同。因此,在各类公路项目设计中,不能混淆“缓坡”概念,更不能把上坡方向的“缓坡”设计方法和思路,照搬到下坡方向纵坡设计当中。

  03

  为什么《规范》没有给出长下坡中“缓坡”的设计指标?

  准确地说,新版《规范》(2017版)确实没有给出长下坡中“缓坡”的设计指标,但并非因为《规范》缺乏调查、研究,而是因为通过专题试验、研究发现,在连续长下坡过程中设置“缓坡”并没有实际意义,也不具有工程操作性,因此《规范》不推荐在长下坡设计中专门、有意识设计“缓坡”。

  根据汽车下坡运动方程、制动原理和货车制动毂温度变化模型,汽车下坡行驶过程符合能量守恒定律,即该过程近似于一个机械势能转化为车辆动能和热能(制动毂温度)的过程。例如,在某山区高速公路起终点位置和相对高差基本确定的前提下,路线设计采用“平均坡度4% (长度5km)”的方案与采用“平均坡度3%(长度6km,增设缓坡)”的方案,对制动毂温度变化影响不大。即在最大纵坡范围内,“陡而短”的纵坡组合等同于“长而缓”纵坡组合。

  另外,制动毂一般为灰铸铁材质,其自然降温(即在行驶过程中,自然降温)的速度很慢。一组试验显示,在60km/h速度时,制动毂自然降温10度,就需要约10分钟以上时间,而此时汽车行驶距离至少10公里。在山区高速公路设计中,设置几公里以上的缓坡显然是不具备操作性。

  因此,新版《规范》(2017版)修订中明确,连续长下坡路段设计中,不推荐有意识设置“缓坡”,即不推荐“陡缓结合”的设计方法(从上坡需要设置的缓坡除外)。而且,法国等欧洲公路设计规范明文禁止在长下坡中间设置缓坡的做法,不仅因为设置“缓坡”对制动毂温度变化无实际意义,反倒使得坡度更长,而且还容易给驾驶员造成连续下坡结束、放松警惕的错觉。

  04

  控制长下坡设计的指标是什么?有什么依据?

  尽管,山区高速公路长下坡安全问题并不在于高速公路纵坡指标方面,也不在于纵坡如何组合设计方面,但本着对国家、行业和人民群众负责任的态度,从我国当前货运主导车型的性能条件和升级换代周期等实际情况出发,《规范》配套专题通过充分试验、研究和论证,选择以发动机辅助制动(即排挡制动)模式为基本工况条件,通过试验研究建立了货运主导车型——六轴铰接列车的制动温度控制模型;以制动毂温度不超高200度为安全条件,研究提出了《规范》表8.3.5“连续长、陡下坡的平均坡度与连续坡长”,作为现阶段指导高速和一级公路连续性长下坡的设计与评价性的推荐性指标。

  需要特别关注的是,《规范》表8.3.5基于的“发动机辅助制动模式”,与排气辅助制动模式比较,相对更安全、更保守。因为采用排气制动模式下,得出的平均纵坡坡度和坡长将会更大、更长。因此,在我国汽车制造标准强制性要求所有车辆出厂必须装配辅助制动系统(国内普遍装配的是“排气制动系统”)前提下,表8.3.5的指标已经是相对保守、偏于安全的指标了。

  这样,单从下坡方向考虑,新版《规范》中指导和控制纵坡设计的指标主要有以下两个部分:

  1) 最大纵坡坡度

  即《规范》第8.2.1条,各级公路的最大纵坡应不大于表8.2.1(最大纵坡);

  图片

  ▲《规范》表8.2.1

  2) 连续长、陡下坡的平均纵坡(检验性指标)

  即《规范》第8.3.5条,高速和一级公路连续长、陡下坡路段的平均坡度与连续坡长不宜超过表8.3.5(平均纵坡坡度与连续坡长)的规定;超过时,应进行交通安全性评价,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施,并论证增设货车强制停车区。

  图片

  ▲《规范》表8.3.5

  05

  连续长下坡如何进行纵坡设计?(即设计方法)

  由于公路行业标准规范的条文编制的体例和形式要求,《规范》条文内容不能像设计手册或教科书那样,完整地讲述工程设计方法和流程。这里,笔者结合相关工程实践,总结一下新版《规范》(2017版)推荐的“山区高速公路纵坡设计方法和流程”。

  1) 首先需要明确,受到货车动力和安全性能条件限制,在连续上坡方向高速公路纵坡设计的重点在于保证路段通行能力,而下坡重点在于保障连续下坡的通行安全性,因此,山区高速公路选线、方案优化、纵坡设计,应区分整体式路基、分离式路基,区分上坡方向和下坡方向等情况。

  2) 对采用整体式路基断面的路段,主体先依照《规范》对上坡方向的指标和要求进行纵坡设计(包括采用缓坡),因为与下坡方向的指标限制比较,上坡方向指标受限更多;然后,再对照《规范》第8.3.5条从下坡方向对纵坡设计进行检验、评价。

  3) 对采用分离式路基断面的路段:

  ● 上坡方向,完全按照《规范》对上坡方向的指标和要求进行纵坡设计,包括在连续上坡中间,结合地形条件合理设置缓坡;当路段运行速度、通行能力明显降低时,论证设置爬坡车道等措施;

  ● 下坡方向,则以最大纵坡指标(表8.2.1)为控制,以连续长、陡下坡检验指标(表8.3.5)为参考,结合沿线地形、地质等起伏、变化条件,灵活进行纵坡设计。(不需要专门或有意识设置缓坡)

  4) 当初步方案的平均纵坡与坡长小于表8.3.5时,纵坡深化设计主要考虑顺应地形起伏变化、填挖平衡、工程量最小等因素,包括保证上坡方向的通行能力和服务水平(上坡方向)。

  5) 当初步方案的平均纵坡与坡长大于表8.3.5时:

  ● 或者,通过重新选线或采用隧道方案降低路段起终点的相对高差,使得新的路线方案的平均纵坡与坡长小于表8.3.5。

  ● 或者,在起终点相对高差条件比较固定时,在路段中间位置合理设置货车强制停车区,即通过强制停车区将原连续长下坡路段分为两个(或以上的)连续下坡路段;同时,通过交通安全性评价,明确路段速度控制和通行管理方案。

  6) 必要时,重复以上步骤和过程,直到上坡和下坡两个角度,各项指标均满足《规范》对应要求。

  补充说明:

  以上设计方法和流程仅为概述性质,具体工程设计中应结合实际情况,因地制宜,灵活运用。上述内容未重点介绍上坡方向的纵坡设计方法和指标。

  06

  与上坡方向比较,长下坡设计方法有哪些不同?

  基于货车上坡、下坡的综合能力与对应坡度、坡长等对比,可以得出“高速公路纵坡设计主要受车辆上坡性能条件控制”的结论。与上坡方向比较,下坡方向纵坡与坡长均可以更大、更长,即下坡方向可灵活设计、掌握的空间更大,受限制更少。这也是为什么世界各国标准中,纵坡指标均主要从上坡方向确定的原因。

  同时,由于以往公路设计、建设以整体式路基断面为主,而在整体式路基的公路纵坡设计中,上坡方向的纵坡组合必然也同时决定了下坡方向的纵坡条件,所以,以往公路纵坡设计主要从上坡方向考虑较多。在本质上,上坡方向纵坡设计重点解决的连续上坡过程中的路段通行能力和服务水平问题。

  但我国货运车型大型化发展、车辆整体性能和持续制动不足等情况之后,山区高速公路纵坡设计出现了新的关键点——下坡方向的安全性问题。于是,即便同样是整体式路基断面,现在高速公路连续纵坡设计还必须从下坡方向考虑。具体就是对照《规范》表8.3.5的“连续长、陡下坡的平均坡度与坡长”指标,对平均纵坡进行检查和评价。

  需要特别强调的是,在采用分离式路基的下坡方向,纵坡设计最终只受到《规范》表8.2.1(最大纵坡)和表8.3.5(平均纵坡)两个指标限制。从“法无禁止即可为”的原则出发,应该说,相对于整体式路基而言,分离式路基的下坡方向纵坡设计灵活展线、优化设计的空间更大,且不需要有意识考虑设置缓坡。工程师可以更多把重点放在填完平衡、工程量最小、以及其他控制因素方面。

  07

  长下坡路段采用“一坡到底”的纵坡方案,可行吗?

  有专业技术人员提问,某山区高速公路(设计速度100km/h)在分离式路基下坡方向对照《规范》,如果采用3.5%、长度9公里,一坡到底的方案可行吗?符合《规范》要求吗?

  可以肯定的回答:可以,符合《规范》要求!

  尽管山区地形起伏变化大,加上桥隧构造物布置等制约影响,实际工程不会采用“一坡到底”的纵坡设计方案,但从符合《规范》角度而言,只要平均纵坡坡度与坡长在《规范》表8.3.5的范围之内,采用3.5%的坡度、“一坡到底”,符合《规范》要求。

  因为,前文曾重点述及,《规范》表8.3.5是根据专题试验研究(包括实车现场试验等),在货车主导车型采用发动机辅助制动——偏于保守、安全的工况条件下得出。只要驾驶员不违法违规驾驶,完全可以安全通行。如果驾驶员正确使用辅助制动系统,安全连续下坡的坡度、坡长还可以更大、更长。

  另外,与美国等其他国家同类工程比较,我国山区高速公路的纵坡偏于平缓,指标采用偏于保守、安全。例如,在美国山区高速公路中,5-6%的连续纵坡,动辄长大10英里以上(参阅《中国死亡之坡,放到美国排第几?》等文章)。

  08

  结语

  回顾《规范》修订过程,参与修编工作的很多领导、专家都记得,长下坡安全问题是我国新版公路技术标准规范修订中的焦点问题。虽然,配套专题研究早在2014年就已经完成,但由于问题复杂、涉及面广、结论与经验认识差异大等原因,随后进行了长达约2年时间的再研究、检验和验证工作,最终才在2017版《规范》中正式发布实施。

  客观而言,专题研究提出的“连续长、陡下坡平均纵坡指标”,有充分的调查研究基础,有科学的数据结论支撑,还经过了各层级、跨行业的反复审查、评审。在《规范》(2017版)正式发布实施之后,意味着该指标已经不只是一项研究成果,而是经过行业审慎研究确定的、山区高速公路设计的直接依据。

  本文再次综述高速公路连续长下坡设计方法与指标,意在呼吁各地和工程专业技术人员,充分理解《规范》指标的来源和依据,客观认识长下坡安全问题的本质,克服以往经验认识和习惯做法,科学、灵活进行山区高速公路纵坡设计。



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