近年來,我國山區(qū)高速公路連續(xù)下坡路段貨車失控事故多發(fā)、頻發(fā),引起各層面的高度重視。在新版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范發(fā)布實(shí)施后,修訂組陸續(xù)收到一些關(guān)于長下坡設(shè)計(jì)方法與指標(biāo)的咨詢函件,內(nèi)容主要涉及以下方面:
如何解決連續(xù)下坡貨車安全問題?問題與縱坡設(shè)計(jì)有關(guān)嗎?
下坡中“緩坡”行駛,駕駛員很少剎車制動(dòng),能夠讓制動(dòng)轂降溫,但《規(guī)范》為什么沒有設(shè)置“緩坡”方法和指標(biāo)?
基于經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣做法,長下坡采用“陡緩結(jié)合”的設(shè)計(jì)方法,正確嗎?
連續(xù)長下坡設(shè)計(jì)中,應(yīng)該如何進(jìn)行縱坡設(shè)計(jì)?控制什么指標(biāo)?
《規(guī)范》新增的平均縱坡指標(biāo),比經(jīng)驗(yàn)值更大、更寬松,安全嗎?
本文結(jié)合《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)修訂過程,綜述相關(guān)調(diào)查研究的主要結(jié)論,解讀《規(guī)范》相關(guān)指標(biāo)來源和依據(jù),回答如何根本性破解長下坡安全問題,簡要總結(jié)山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡的縱坡設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)掌握。
01
山區(qū)高速公路長下坡安全問題與縱坡設(shè)計(jì)有關(guān)嗎?如何破解?
首先,專題通過調(diào)研發(fā)現(xiàn),我國山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡路段事故多發(fā)頻發(fā)的直接原因在于違法駕駛(超載、超限、超速)和違章操作(如:未按規(guī)定使用輔助制動(dòng)系統(tǒng))、車輛非法改裝等方面。
其次,由于貨車大型化趨勢(車輛總質(zhì)量增加數(shù)倍),導(dǎo)致貨車整體性能下降(功率質(zhì)量比下降約40%),引起車輛連續(xù)下坡中的持續(xù)制動(dòng)能力顯著降低。而持續(xù)制動(dòng)能力和裝配(如緩速器)才是保證貨車連續(xù)下坡安全性的關(guān)鍵,并非大家習(xí)慣性認(rèn)為的行車制動(dòng)(器)系統(tǒng)——制動(dòng)轂。與國外同類貨車對比可見,我國貨車整體性能(包括持續(xù)制動(dòng)能力與裝備),與世界發(fā)展水平相差一個(gè)代級以上。下圖為我國不同時(shí)期公路貨運(yùn)代表車型及其性能參數(shù)對比表。
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再有,通過世界多國公路標(biāo)準(zhǔn)對比研究,我國高速公路幾何指標(biāo)與美國等其他國家基本一致,且在實(shí)際工程指標(biāo)(尤其是縱坡方面)采用、掌握方面,我國采用普遍更高、控制更嚴(yán),即我國縱坡等指標(biāo)偏于保守和安全。
綜上,我國山區(qū)高速公路長下坡安全問題直接原因主要在于“人”和“車”的因素方面。其中,貨車大型化導(dǎo)致整體性能下降、持續(xù)制動(dòng)裝備落后等問題,才是長下坡安全問題的深層次矛盾和根結(jié)。同時(shí),調(diào)查試驗(yàn)揭示,在人、車等因素合法、合規(guī)前提下,我國已建的山區(qū)高速公路長下坡路段貨車均可以安全通行。
因此,結(jié)合上述調(diào)查、研究結(jié)論和認(rèn)識(shí),要徹底解決貨車連續(xù)下坡中的安全問題:
第一,必須對標(biāo)國際貨車性能標(biāo)準(zhǔn),提升貨車總體性能和裝配條件。具體而言,要提升貨車功率質(zhì)量比達(dá)到8.3kN/t及以上。同時(shí),升級換代貨車采用持續(xù)制動(dòng)效能更高、更穩(wěn)定的輔助制動(dòng)系統(tǒng)(如:緩速器)。
第二,必須加強(qiáng)山區(qū)高速公路長下坡路段的通行管理和交通組織,杜絕各類人、車違法、違規(guī)行為,嚴(yán)格控制貨車長下坡。
就此,《規(guī)范》修訂階段專門向交通運(yùn)輸部提交了相關(guān)專題研究報(bào)告和對貨車生產(chǎn)制造相關(guān)國家政策性的意見和建議。
02
長下坡設(shè)計(jì)中,需要考慮“緩坡”嗎?
公路行業(yè)《規(guī)范》中的“緩坡”一詞和概念,原本是從上坡方向角度提出的。上坡設(shè)置緩坡的目的——當(dāng)貨車在連續(xù)爬坡過程中速度不斷折減降低,導(dǎo)致路段通行能力顯著下降時(shí),通過有意識(shí)設(shè)計(jì)“緩坡”(仍然是上坡,只是坡度較?。?,為車輛創(chuàng)造一個(gè)短距離提速的條件。根據(jù)汽車連續(xù)爬坡過程中的速度折減表現(xiàn),上坡方向“緩坡”的坡度一般控制在小于3%。
而眾所周知,貨車在山區(qū)高速公路連續(xù)下坡過程中,如果駕駛員連續(xù)踩剎車制動(dòng),就會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)轂溫度過高,逐漸失去制動(dòng)消能,最終導(dǎo)致車輛失控。這也是我國山區(qū)高速公路連續(xù)長下坡路段貨車失控的主要原因和表現(xiàn)。于是,有人認(rèn)為,如果在長下坡路段中設(shè)置有“緩坡”,車輛在緩坡路段行駛時(shí),駕駛員很少踩剎車,這樣有助于制動(dòng)轂自然降溫,恢復(fù)其應(yīng)有的制動(dòng)消能。
顯然,此“緩坡”,非彼“緩坡”,它們是完全不同的概念,目的和性質(zhì)也截然不同。因此,在各類公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)中,不能混淆“緩坡”概念,更不能把上坡方向的“緩坡”設(shè)計(jì)方法和思路,照搬到下坡方向縱坡設(shè)計(jì)當(dāng)中。
03
為什么《規(guī)范》沒有給出長下坡中“緩坡”的設(shè)計(jì)指標(biāo)?
準(zhǔn)確地說,新版《規(guī)范》(2017版)確實(shí)沒有給出長下坡中“緩坡”的設(shè)計(jì)指標(biāo),但并非因?yàn)椤兑?guī)范》缺乏調(diào)查、研究,而是因?yàn)橥ㄟ^專題試驗(yàn)、研究發(fā)現(xiàn),在連續(xù)長下坡過程中設(shè)置“緩坡”并沒有實(shí)際意義,也不具有工程操作性,因此《規(guī)范》不推薦在長下坡設(shè)計(jì)中專門、有意識(shí)設(shè)計(jì)“緩坡”。
根據(jù)汽車下坡運(yùn)動(dòng)方程、制動(dòng)原理和貨車制動(dòng)轂溫度變化模型,汽車下坡行駛過程符合能量守恒定律,即該過程近似于一個(gè)機(jī)械勢能轉(zhuǎn)化為車輛動(dòng)能和熱能(制動(dòng)轂溫度)的過程。例如,在某山區(qū)高速公路起終點(diǎn)位置和相對高差基本確定的前提下,路線設(shè)計(jì)采用“平均坡度4% (長度5km)”的方案與采用“平均坡度3%(長度6km,增設(shè)緩坡)”的方案,對制動(dòng)轂溫度變化影響不大。即在最大縱坡范圍內(nèi),“陡而短”的縱坡組合等同于“長而緩”縱坡組合。
另外,制動(dòng)轂一般為灰鑄鐵材質(zhì),其自然降溫(即在行駛過程中,自然降溫)的速度很慢。一組試驗(yàn)顯示,在60km/h速度時(shí),制動(dòng)轂自然降溫10度,就需要約10分鐘以上時(shí)間,而此時(shí)汽車行駛距離至少10公里。在山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中,設(shè)置幾公里以上的緩坡顯然是不具備操作性。
因此,新版《規(guī)范》(2017版)修訂中明確,連續(xù)長下坡路段設(shè)計(jì)中,不推薦有意識(shí)設(shè)置“緩坡”,即不推薦“陡緩結(jié)合”的設(shè)計(jì)方法(從上坡需要設(shè)置的緩坡除外)。而且,法國等歐洲公路設(shè)計(jì)規(guī)范明文禁止在長下坡中間設(shè)置緩坡的做法,不僅因?yàn)樵O(shè)置“緩坡”對制動(dòng)轂溫度變化無實(shí)際意義,反倒使得坡度更長,而且還容易給駕駛員造成連續(xù)下坡結(jié)束、放松警惕的錯(cuò)覺。
04
控制長下坡設(shè)計(jì)的指標(biāo)是什么?有什么依據(jù)?
盡管,山區(qū)高速公路長下坡安全問題并不在于高速公路縱坡指標(biāo)方面,也不在于縱坡如何組合設(shè)計(jì)方面,但本著對國家、行業(yè)和人民群眾負(fù)責(zé)任的態(tài)度,從我國當(dāng)前貨運(yùn)主導(dǎo)車型的性能條件和升級換代周期等實(shí)際情況出發(fā),《規(guī)范》配套專題通過充分試驗(yàn)、研究和論證,選擇以發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)(即排擋制動(dòng))模式為基本工況條件,通過試驗(yàn)研究建立了貨運(yùn)主導(dǎo)車型——六軸鉸接列車的制動(dòng)溫度控制模型;以制動(dòng)轂溫度不超高200度為安全條件,研究提出了《規(guī)范》表8.3.5“連續(xù)長、陡下坡的平均坡度與連續(xù)坡長”,作為現(xiàn)階段指導(dǎo)高速和一級公路連續(xù)性長下坡的設(shè)計(jì)與評價(jià)性的推薦性指標(biāo)。
需要特別關(guān)注的是,《規(guī)范》表8.3.5基于的“發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)模式”,與排氣輔助制動(dòng)模式比較,相對更安全、更保守。因?yàn)椴捎门艢庵苿?dòng)模式下,得出的平均縱坡坡度和坡長將會(huì)更大、更長。因此,在我國汽車制造標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性要求所有車輛出廠必須裝配輔助制動(dòng)系統(tǒng)(國內(nèi)普遍裝配的是“排氣制動(dòng)系統(tǒng)”)前提下,表8.3.5的指標(biāo)已經(jīng)是相對保守、偏于安全的指標(biāo)了。
這樣,單從下坡方向考慮,新版《規(guī)范》中指導(dǎo)和控制縱坡設(shè)計(jì)的指標(biāo)主要有以下兩個(gè)部分:
1) 最大縱坡坡度
即《規(guī)范》第8.2.1條,各級公路的最大縱坡應(yīng)不大于表8.2.1(最大縱坡);
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▲《規(guī)范》表8.2.1
2) 連續(xù)長、陡下坡的平均縱坡(檢驗(yàn)性指標(biāo))
即《規(guī)范》第8.3.5條,高速和一級公路連續(xù)長、陡下坡路段的平均坡度與連續(xù)坡長不宜超過表8.3.5(平均縱坡坡度與連續(xù)坡長)的規(guī)定;超過時(shí),應(yīng)進(jìn)行交通安全性評價(jià),提出路段速度控制和通行管理方案,完善交通工程和安全設(shè)施,并論證增設(shè)貨車強(qiáng)制停車區(qū)。
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▲《規(guī)范》表8.3.5
05
連續(xù)長下坡如何進(jìn)行縱坡設(shè)計(jì)?(即設(shè)計(jì)方法)
由于公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的條文編制的體例和形式要求,《規(guī)范》條文內(nèi)容不能像設(shè)計(jì)手冊或教科書那樣,完整地講述工程設(shè)計(jì)方法和流程。這里,筆者結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐,總結(jié)一下新版《規(guī)范》(2017版)推薦的“山區(qū)高速公路縱坡設(shè)計(jì)方法和流程”。
1) 首先需要明確,受到貨車動(dòng)力和安全性能條件限制,在連續(xù)上坡方向高速公路縱坡設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于保證路段通行能力,而下坡重點(diǎn)在于保障連續(xù)下坡的通行安全性,因此,山區(qū)高速公路選線、方案優(yōu)化、縱坡設(shè)計(jì),應(yīng)區(qū)分整體式路基、分離式路基,區(qū)分上坡方向和下坡方向等情況。
2) 對采用整體式路基斷面的路段,主體先依照《規(guī)范》對上坡方向的指標(biāo)和要求進(jìn)行縱坡設(shè)計(jì)(包括采用緩坡),因?yàn)榕c下坡方向的指標(biāo)限制比較,上坡方向指標(biāo)受限更多;然后,再對照《規(guī)范》第8.3.5條從下坡方向?qū)v坡設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)、評價(jià)。
3) 對采用分離式路基斷面的路段:
● 上坡方向,完全按照《規(guī)范》對上坡方向的指標(biāo)和要求進(jìn)行縱坡設(shè)計(jì),包括在連續(xù)上坡中間,結(jié)合地形條件合理設(shè)置緩坡;當(dāng)路段運(yùn)行速度、通行能力明顯降低時(shí),論證設(shè)置爬坡車道等措施;
● 下坡方向,則以最大縱坡指標(biāo)(表8.2.1)為控制,以連續(xù)長、陡下坡檢驗(yàn)指標(biāo)(表8.3.5)為參考,結(jié)合沿線地形、地質(zhì)等起伏、變化條件,靈活進(jìn)行縱坡設(shè)計(jì)。(不需要專門或有意識(shí)設(shè)置緩坡)
4) 當(dāng)初步方案的平均縱坡與坡長小于表8.3.5時(shí),縱坡深化設(shè)計(jì)主要考慮順應(yīng)地形起伏變化、填挖平衡、工程量最小等因素,包括保證上坡方向的通行能力和服務(wù)水平(上坡方向)。
5) 當(dāng)初步方案的平均縱坡與坡長大于表8.3.5時(shí):
● 或者,通過重新選線或采用隧道方案降低路段起終點(diǎn)的相對高差,使得新的路線方案的平均縱坡與坡長小于表8.3.5。
● 或者,在起終點(diǎn)相對高差條件比較固定時(shí),在路段中間位置合理設(shè)置貨車強(qiáng)制停車區(qū),即通過強(qiáng)制停車區(qū)將原連續(xù)長下坡路段分為兩個(gè)(或以上的)連續(xù)下坡路段;同時(shí),通過交通安全性評價(jià),明確路段速度控制和通行管理方案。
6) 必要時(shí),重復(fù)以上步驟和過程,直到上坡和下坡兩個(gè)角度,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《規(guī)范》對應(yīng)要求。
補(bǔ)充說明:
以上設(shè)計(jì)方法和流程僅為概述性質(zhì),具體工程設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況,因地制宜,靈活運(yùn)用。上述內(nèi)容未重點(diǎn)介紹上坡方向的縱坡設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)。
06
與上坡方向比較,長下坡設(shè)計(jì)方法有哪些不同?
基于貨車上坡、下坡的綜合能力與對應(yīng)坡度、坡長等對比,可以得出“高速公路縱坡設(shè)計(jì)主要受車輛上坡性能條件控制”的結(jié)論。與上坡方向比較,下坡方向縱坡與坡長均可以更大、更長,即下坡方向可靈活設(shè)計(jì)、掌握的空間更大,受限制更少。這也是為什么世界各國標(biāo)準(zhǔn)中,縱坡指標(biāo)均主要從上坡方向確定的原因。
同時(shí),由于以往公路設(shè)計(jì)、建設(shè)以整體式路基斷面為主,而在整體式路基的公路縱坡設(shè)計(jì)中,上坡方向的縱坡組合必然也同時(shí)決定了下坡方向的縱坡條件,所以,以往公路縱坡設(shè)計(jì)主要從上坡方向考慮較多。在本質(zhì)上,上坡方向縱坡設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決的連續(xù)上坡過程中的路段通行能力和服務(wù)水平問題。
但我國貨運(yùn)車型大型化發(fā)展、車輛整體性能和持續(xù)制動(dòng)不足等情況之后,山區(qū)高速公路縱坡設(shè)計(jì)出現(xiàn)了新的關(guān)鍵點(diǎn)——下坡方向的安全性問題。于是,即便同樣是整體式路基斷面,現(xiàn)在高速公路連續(xù)縱坡設(shè)計(jì)還必須從下坡方向考慮。具體就是對照《規(guī)范》表8.3.5的“連續(xù)長、陡下坡的平均坡度與坡長”指標(biāo),對平均縱坡進(jìn)行檢查和評價(jià)。
需要特別強(qiáng)調(diào)的是,在采用分離式路基的下坡方向,縱坡設(shè)計(jì)最終只受到《規(guī)范》表8.2.1(最大縱坡)和表8.3.5(平均縱坡)兩個(gè)指標(biāo)限制。從“法無禁止即可為”的原則出發(fā),應(yīng)該說,相對于整體式路基而言,分離式路基的下坡方向縱坡設(shè)計(jì)靈活展線、優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間更大,且不需要有意識(shí)考慮設(shè)置緩坡。工程師可以更多把重點(diǎn)放在填完平衡、工程量最小、以及其他控制因素方面。
07
長下坡路段采用“一坡到底”的縱坡方案,可行嗎?
有專業(yè)技術(shù)人員提問,某山區(qū)高速公路(設(shè)計(jì)速度100km/h)在分離式路基下坡方向?qū)φ铡兑?guī)范》,如果采用3.5%、長度9公里,一坡到底的方案可行嗎?符合《規(guī)范》要求嗎?
可以肯定的回答:可以,符合《規(guī)范》要求!
盡管山區(qū)地形起伏變化大,加上橋隧構(gòu)造物布置等制約影響,實(shí)際工程不會(huì)采用“一坡到底”的縱坡設(shè)計(jì)方案,但從符合《規(guī)范》角度而言,只要平均縱坡坡度與坡長在《規(guī)范》表8.3.5的范圍之內(nèi),采用3.5%的坡度、“一坡到底”,符合《規(guī)范》要求。
因?yàn)?,前文曾重點(diǎn)述及,《規(guī)范》表8.3.5是根據(jù)專題試驗(yàn)研究(包括實(shí)車現(xiàn)場試驗(yàn)等),在貨車主導(dǎo)車型采用發(fā)動(dòng)機(jī)輔助制動(dòng)——偏于保守、安全的工況條件下得出。只要駕駛員不違法違規(guī)駕駛,完全可以安全通行。如果駕駛員正確使用輔助制動(dòng)系統(tǒng),安全連續(xù)下坡的坡度、坡長還可以更大、更長。
另外,與美國等其他國家同類工程比較,我國山區(qū)高速公路的縱坡偏于平緩,指標(biāo)采用偏于保守、安全。例如,在美國山區(qū)高速公路中,5-6%的連續(xù)縱坡,動(dòng)輒長大10英里以上(參閱《中國死亡之坡,放到美國排第幾?》等文章)。
08
結(jié)語
回顧《規(guī)范》修訂過程,參與修編工作的很多領(lǐng)導(dǎo)、專家都記得,長下坡安全問題是我國新版公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范修訂中的焦點(diǎn)問題。雖然,配套專題研究早在2014年就已經(jīng)完成,但由于問題復(fù)雜、涉及面廣、結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)差異大等原因,隨后進(jìn)行了長達(dá)約2年時(shí)間的再研究、檢驗(yàn)和驗(yàn)證工作,最終才在2017版《規(guī)范》中正式發(fā)布實(shí)施。
客觀而言,專題研究提出的“連續(xù)長、陡下坡平均縱坡指標(biāo)”,有充分的調(diào)查研究基礎(chǔ),有科學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)論支撐,還經(jīng)過了各層級、跨行業(yè)的反復(fù)審查、評審。在《規(guī)范》(2017版)正式發(fā)布實(shí)施之后,意味著該指標(biāo)已經(jīng)不只是一項(xiàng)研究成果,而是經(jīng)過行業(yè)審慎研究確定的、山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)的直接依據(jù)。
本文再次綜述高速公路連續(xù)長下坡設(shè)計(jì)方法與指標(biāo),意在呼吁各地和工程專業(yè)技術(shù)人員,充分理解《規(guī)范》指標(biāo)的來源和依據(jù),客觀認(rèn)識(shí)長下坡安全問題的本質(zhì),克服以往經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)和習(xí)慣做法,科學(xué)、靈活進(jìn)行山區(qū)高速公路縱坡設(shè)計(jì)。