林宣財(cái)，張旭豐，王 佐，吳善根，李 濤

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

山區(qū)高速公路由于受到地形、工程造價(jià)限制，縱斷面常會(huì)采用連續(xù)下坡進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成較多連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段。根據(jù)已建高速公路平均縱坡控制情況的調(diào)查研究，交通事故率與平均縱坡存在相關(guān)性，但與貨車(chē)占比、載重率及貨車(chē)功重比也有密切關(guān)系，汽車(chē)在連續(xù)下坡路段行駛時(shí)，駕駛員常傾向于采用高檔位和制動(dòng)轂制動(dòng)的駕駛方式；為保證貨車(chē)長(zhǎng)下坡?tīng)顟B(tài)為穩(wěn)速，頻繁使用制動(dòng)轂容易導(dǎo)致其溫度上升，引發(fā)制動(dòng)效能降低甚至失效，不利于貨車(chē)的安全行駛。

對(duì)連續(xù)長(zhǎng)下坡交通安全性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較多，主要有針對(duì)連續(xù)下坡路段交通事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[1-3]，建立相關(guān)的制動(dòng)轂溫度模型[4-6]，并提出相應(yīng)的改善措施，如避險(xiǎn)車(chē)道[7-8]、交通管理等[9]。澳大利亞的Austroads[10]對(duì)貨車(chē)駕駛員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查并查閱文獻(xiàn)，研究了連續(xù)下坡路段導(dǎo)致貨車(chē)失控的嚴(yán)重事故，給出了制動(dòng)升溫模型，輔助制動(dòng)系統(tǒng)與駕駛員培訓(xùn)內(nèi)容，以確保貨車(chē)駕駛員與其他道路使用者的安全。陳立輝[11]在已有的制動(dòng)鼓溫度模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入海拔高度修正系數(shù)，構(gòu)建了適合高原環(huán)境連續(xù)下坡路段制動(dòng)鼓溫度模型。在連續(xù)下坡與縱斷面線形指標(biāo)方面，潘兵宏[12]收集了大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，通過(guò)路段試驗(yàn)、場(chǎng)地試驗(yàn)和理論分析，提出了山區(qū)高速公路平均縱坡和坡長(zhǎng)限制的指標(biāo)值。國(guó)內(nèi)針對(duì)高速公路合理限速相關(guān)問(wèn)題也有較多研究，主要基于運(yùn)行速度、設(shè)計(jì)速度為主的限速方法[13-14]。許金良[15]基于運(yùn)行速度、設(shè)計(jì)速度等因素，提出綜合考慮新建高速公路限制速度。

《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2017)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《路線規(guī)范》)指出，我國(guó)目前貨運(yùn)主導(dǎo)型車(chē)輛仍為6軸鉸接列車(chē)，其功重比為5.2 kW/t，美國(guó)AASHTO規(guī)范給出的貨運(yùn)主導(dǎo)車(chē)型功重比8.3 kW/t，相比明顯偏低，也不符合以往研究中給定貨車(chē)主導(dǎo)車(chē)型和功重比[16]。說(shuō)明貨車(chē)功重比偏低是連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段交通事故多發(fā)的主要致因之一；平均縱坡與交通事故也存在相關(guān)性，但僅從減緩平均縱坡度不能完全解決貨車(chē)功重比偏低造成交通事故多發(fā)的問(wèn)題，況且目前《路線規(guī)范》)對(duì)高速公路連續(xù)下坡路段的規(guī)定為：平均縱坡2.5%的連續(xù)坡長(zhǎng)控制長(zhǎng)度20 km，平均縱坡3%的連續(xù)坡長(zhǎng)控制長(zhǎng)度14.8 km，平均縱坡3.5%的連續(xù)坡長(zhǎng)控制長(zhǎng)度9.3 km，這些規(guī)定已經(jīng)較嚴(yán)，對(duì)工程規(guī)模影響較大，為了合理控制工程造價(jià)，應(yīng)從提高貨車(chē)功重比的可能方案和限制速度兩方面著手。本研究主要從貨車(chē)超載、貨車(chē)占比及裝載率角度開(kāi)展調(diào)查研究，根據(jù)大型貨車(chē)載重量對(duì)高速公路連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段交通安全性的影響分析，提出保證貨車(chē)功重比達(dá)到一定水平以上的載重管控措施。

1 大型貨車(chē)功重比對(duì)高速公路連續(xù)下坡路段交通安全性的影響

1.1 貨車(chē)超載對(duì)高速公路長(zhǎng)大縱坡路段交通安全性影響分析

我國(guó)高速公路基本上都是客貨混行，由于貨車(chē)整體性能差別大，貨車(chē)功重比不同造成客貨之間和貨車(chē)之間出現(xiàn)較大的速度差，在上坡路段客貨之間與貨車(chē)之間強(qiáng)超強(qiáng)會(huì)，誘發(fā)交通事故；下坡路段超速或高速行駛，造成剎車(chē)失控，甚至剎車(chē)失靈，出現(xiàn)交通事故多發(fā)。我國(guó)高速公路交通事故率高于歐美等國(guó)，郭騰峰等[17]研究認(rèn)為主因在于貨車(chē)功重比嚴(yán)重偏低，即貨車(chē)性能差、超載是主因，如原八達(dá)嶺高速公路交通事故多發(fā)路段的長(zhǎng)大陡坡長(zhǎng)度僅4.77 km，平均縱坡為4.27%，任意連續(xù)3 km最大平均縱坡為4.51%；但貨車(chē)超載情況見(jiàn)表1，其中中型貨車(chē)平均超載率為4.53倍，居最高，大型貨車(chē)次之，為2.62倍，拖掛車(chē)最小，為1.7倍。由于貨車(chē)超載情況十分嚴(yán)重，貨車(chē)功重比非常低，且貨車(chē)整體性能差，加之平均縱坡度大，連續(xù)坡長(zhǎng)較大，造成八達(dá)嶺高速公路自1998年11月—2003年8月期間因制動(dòng)失效沖入緊急避險(xiǎn)坡道的汽車(chē)有400多輛，沖入山溝的有47輛。超載、特別是嚴(yán)重超載現(xiàn)象被嚴(yán)查后，交通事故明顯逐年減少，該項(xiàng)目最為典型。

表1 原八達(dá)嶺高速公路運(yùn)輸車(chē)輛裝載噸位分布

1.2 大型貨車(chē)占比及滿(mǎn)載對(duì)高速公路交通安全性的影響

根據(jù)調(diào)查研究，貨車(chē)占比及滿(mǎn)載率對(duì)高速公路交通事故率影響較大，對(duì)連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段交通事故發(fā)生概率的影響更大。如某高速公路東段，全長(zhǎng)56 km，連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段為K9+280～K23+440，長(zhǎng)度14 160 m，高差312 m，平均縱坡2.2%，見(jiàn)圖1。其中K15+280～K23+440,長(zhǎng)度8 160 m，高差207.2 m，平均縱坡2.54%，K20+340～K23+440，長(zhǎng)度3 100 m，高差102.0 m，平均縱坡3.29%；區(qū)間平均縱坡控制指標(biāo)均符合《路線規(guī)范》要求。2007年11月通車(chē)，根據(jù)交通量統(tǒng)計(jì)貨車(chē)占比為80.0～88.5%，貨車(chē)車(chē)型95%以上是6軸貨車(chē)，貨物基本上都是煤，拉煤貨車(chē)往往都是滿(mǎn)載，所以貨車(chē)功重比僅約為5.25 kW/t。由于省內(nèi)本項(xiàng)目其它路段地形較平坦，沒(méi)有連續(xù)長(zhǎng)大縱坡，也沒(méi)有拉煤的6軸貨車(chē)，交通事故率低。而該段交通事故發(fā)生總數(shù)在2013年前占省內(nèi)全線(約200 km)的51～80%以上，死亡人數(shù)占比在55～94.6%；2014年之后，通過(guò)限速、限超等管控措施，交通事故發(fā)生總數(shù)明顯降低，但其它路段交通事故率也明顯降低，所以占比還高達(dá)73～83%。連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段僅14.16 km，下行線交通事故發(fā)生總數(shù)占東段的30%多，見(jiàn)表2。說(shuō)明大型貨車(chē)占比大、功重比偏低是交通事故多發(fā)的主要致因；隨著大型貨車(chē)占比的逐年增加，大型半掛列車(chē)已成為我國(guó)公路貨運(yùn)的主要車(chē)型[16]；如果地形條件允許，在工程規(guī)模增加不多情況下，連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段平均縱坡控制原則上宜盡量采用較小值。

圖1 某高速東段連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段縱面縮圖

表2 某高速東段交通現(xiàn)狀

1.3 大型貨車(chē)總質(zhì)量對(duì)高速公路交通安全性的影響

廖軍洪[17]根據(jù)四川、廣東、云南等省長(zhǎng)大下坡的調(diào)研，選取了坡長(zhǎng)分別為 7.5,10,15,20,25,30,50 km的7個(gè)典型長(zhǎng)大下坡作為研究對(duì)象，基于長(zhǎng)大下坡制動(dòng)器溫升特性的對(duì)比分析結(jié)果，車(chē)輛總質(zhì)量對(duì)貨車(chē)制動(dòng)器溫度影響顯著，在研究長(zhǎng)大下坡總長(zhǎng)度、平均縱坡、限制速度及安全保障技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)考慮所在區(qū)域貨車(chē)代表車(chē)型的軸數(shù)和車(chē)輛總質(zhì)量因素。在汽車(chē)下坡行駛過(guò)程中，其重力沿著坡道的分力Fi所做功，將轉(zhuǎn)化為制動(dòng)器制動(dòng)力Fb、路面滾動(dòng)阻力Ff、空氣阻力Fw和發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力Fe的消耗能[18]。由于汽車(chē)各車(chē)輪的實(shí)際載荷和制動(dòng)器效能存在差異，根據(jù)比熱容原理可得到各制動(dòng)器的升溫ΔT:

(1)

式中,m為汽車(chē)質(zhì)量，g為重力加速度，n為汽車(chē)的制動(dòng)器數(shù)量，mb,Cb分別為制動(dòng)器的質(zhì)量和比熱容，i，f分別是路面的下坡坡度和滾動(dòng)阻力系數(shù)，s為汽車(chē)的行駛距離，δ為制動(dòng)器占全車(chē)制動(dòng)的效能比值。

從式(1)可知，為避免制動(dòng)器溫度過(guò)高，必須嚴(yán)格限制汽車(chē)質(zhì)量或功重比；研究表明：應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域的貨運(yùn)特點(diǎn)、代表車(chē)型及汽車(chē)功重比，并結(jié)合連續(xù)長(zhǎng)大縱坡坡長(zhǎng)和平均縱坡度，對(duì)不同車(chē)型(型號(hào))的貨車(chē)載重量或功重比提出針對(duì)性的管控措施，如限制不同車(chē)型(型號(hào))的載重量或根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)功率核定總質(zhì)量等措施，能有效提高汽車(chē)功重比，提升連續(xù)下坡路段交通安全。

1.4 交通管控措施與交通事故相關(guān)性分析

根據(jù)全國(guó)1990—2019年交通事故發(fā)生總數(shù)及死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)(圖2)可知，全國(guó)統(tǒng)計(jì)交通事故發(fā)生總數(shù)及死傷人數(shù)自1993年開(kāi)始逐年增加，2002年達(dá)到高峰值，然后逐年減少，至2009年后趨于平穩(wěn)。根據(jù)2009年統(tǒng)計(jì)資料，全國(guó)發(fā)生交通事故238 351起，導(dǎo)致67 759人死亡，275 125人受傷。2018年，全國(guó)發(fā)生交通事故244 937起，導(dǎo)致63 194人死亡，258 532人受傷；2009年之后，隨著公路通車(chē)?yán)锍痰难杆僭黾雍推?chē)保有量的急劇增長(zhǎng)，交通事故發(fā)生總數(shù)及死傷人數(shù)沒(méi)有增加，而是趨于平穩(wěn)，顯然是交通管控和應(yīng)急管理水平得到有效提升的緣故。近十年，通過(guò)超載監(jiān)管，設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道、降溫池、路段限速、分車(chē)道分車(chē)型限速等措施，連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段交通事故多發(fā)和制動(dòng)失靈頻發(fā)現(xiàn)象得到有效控制。未來(lái)還需對(duì)已建高速公路在連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段限速管理和貨車(chē)載重合理管控兩方面深入開(kāi)展研究。

圖2 全國(guó)1990—2019年交通事故發(fā)生總數(shù)及死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.5 我國(guó)汽車(chē)整體性能提升變化情況的調(diào)查分析

在研究貨車(chē)制動(dòng)轂溫升預(yù)測(cè)模型時(shí)，不同時(shí)期采用的主導(dǎo)車(chē)型不同，主要是因?yàn)槲覈?guó)汽車(chē)整體性能在不斷提升中?！豆仿肪€設(shè)計(jì)細(xì)則》(2009年總校稿)配套研究主導(dǎo)車(chē)型為東風(fēng)EQ5208XXY2 3軸載重載貨車(chē)，同濟(jì)模型主導(dǎo)車(chē)型為解放CA3168P1Kl Tl6X4 3軸載重貨車(chē)，《路線規(guī)范》配套研究主導(dǎo)車(chē)型為東風(fēng)DFL4251A15 6軸鉸接列車(chē)，功重比為5.7 kW/t。根據(jù)2019年市場(chǎng)調(diào)查(表3)，我國(guó)6軸牽引汽車(chē)品牌與種類(lèi)越來(lái)越多，且汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功率及功重比近十年已明顯提高，發(fā)動(dòng)機(jī)功率257 kW已是偏小的車(chē)型，最大功率已達(dá)400 kW，汽車(chē)整體性能總體已有較大幅度的提升；但汽車(chē)核載重量一律按軸數(shù)核定還不夠合理，造成不同發(fā)動(dòng)機(jī)馬力的貨車(chē)功重比差異較大，為5.24～8.31 kW/t。隨著汽車(chē)核載重量的合理管控規(guī)定的完善，未來(lái)我國(guó)汽車(chē)整體性能一定會(huì)適應(yīng)較大連續(xù)坡長(zhǎng)相應(yīng)的平均縱坡要求；高速公路連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段的平均縱坡掌握應(yīng)綜合考慮工程規(guī)模及汽車(chē)整體性能的逐步提升；現(xiàn)階段對(duì)地形條件特別困難路段，可通過(guò)貨車(chē)功重比管控措施的專(zhuān)項(xiàng)研究，合理控制平均縱坡度和連續(xù)坡長(zhǎng)，降低工程造價(jià)。

表3 六軸牽引車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)功率及功重比調(diào)查

2 京昆高速公路某段交通特管區(qū)貨車(chē)載重與交通安全性調(diào)查分析

2.1 交通特管區(qū)管控措施

為了提高G5京昆高速公路某段最長(zhǎng)連續(xù)長(zhǎng)下坡路段的行車(chē)安全性，改善路段通行環(huán)境，于2018年8月將北坡下坡路段前36 km設(shè)置為交通特管區(qū)，在特管區(qū)內(nèi)實(shí)行“客貨分道、控速行駛、不超車(chē)不超速不越道”的方案管理，特管區(qū)內(nèi)設(shè)置了5套違法抓拍系統(tǒng)及相應(yīng)的標(biāo)志設(shè)施，保障了有效監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)駕駛員對(duì)各類(lèi)設(shè)施的嚴(yán)格遵循，該路段貨車(chē)駕駛員安全意識(shí)觀念強(qiáng)，大型貨車(chē)滿(mǎn)載情況非常少。

2.2 貨車(chē)車(chē)輛車(chē)軸數(shù)分布調(diào)查分析

通過(guò)對(duì)G5京昆高速公路某段車(chē)輛類(lèi)型及軸數(shù)的調(diào)查，并對(duì)所調(diào)查的車(chē)輛類(lèi)型按照車(chē)軸數(shù)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，在高速公路上行駛的貨車(chē)類(lèi)型中，6軸大貨車(chē)所占比重最大，達(dá)到了61%，2軸、3軸、4軸大貨車(chē)所占比重相差不大，均在10～15%范圍內(nèi)，車(chē)輛車(chē)軸數(shù)發(fā)布見(jiàn)圖3。

圖3 車(chē)輛車(chē)軸數(shù)分布

2.3 貨車(chē)車(chē)輛載重分布調(diào)查分析

通過(guò)對(duì)G5京昆高速公路某段車(chē)輛的載重調(diào)查，發(fā)現(xiàn)幾乎沒(méi)有超過(guò)40 t的，30～40 t載重所占比重最大為41%，20～30 t，10～20 t，0～10 t載重所占比例依次遞減，分別為23，19和17%，見(jiàn)圖4。從貨車(chē)類(lèi)型分析可知，六軸大貨車(chē)所占比重最大，達(dá)到了61%，其額定載重為49 t，但載重30～40 t所占比重最大，達(dá)到41%，這說(shuō)明在六軸半掛車(chē)中不僅沒(méi)有滿(mǎn)載，而且多數(shù)滿(mǎn)載率僅為60～80%，相當(dāng)于六軸半掛車(chē)功重比提高20%以上，即貨車(chē)功重比基本上大于7.0 kW/t。車(chē)輛載重越大，車(chē)輛在連續(xù)下坡路段行駛過(guò)程中的行車(chē)危險(xiǎn)性越高，車(chē)輛載重越小，行車(chē)危險(xiǎn)性越小。

圖4 車(chē)輛載重分布

2.4 連續(xù)縱坡路段大貨車(chē)下坡速度統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)G5京昆高速公路某段大貨車(chē)下坡過(guò)程中行駛速度的調(diào)查，見(jiàn)圖5，數(shù)據(jù)顯示接近一半的速度小于60 km/h，38%的速度在60～70 km/h之間，≧80 km/h僅占2%，在60～70 km/h之間占14%，所以限速70 km/h較合理。盡管限速80 km/h，但在兩段長(zhǎng)下坡內(nèi)，駕駛員普遍采取了較低的行駛速度，說(shuō)明駕駛員在下坡路段的安全意識(shí)較高，能自覺(jué)地減少貨車(chē)裝載量，并保持低速行駛，提升交通安全性。下坡過(guò)程中速度越高，實(shí)施制動(dòng)的頻率也越高，剎車(chē)頻率高是導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)溫度上升較快、增加制動(dòng)失靈的主要因素。通過(guò)速度的統(tǒng)計(jì)與分析，有助于對(duì)速度限制的控制，有利于安全管理措施的實(shí)施。

圖5 連續(xù)縱坡路段貨車(chē)下坡速度范圍統(tǒng)計(jì)

2.5 交通特管區(qū)交通安全性調(diào)查分析

2018年共發(fā)生11起道路交通事故，均為簡(jiǎn)易程序事故，無(wú)人員傷亡，其中重中型貨車(chē)4起，大中型客車(chē)0起，貨車(chē)事故率為十萬(wàn)分之2.4，比較低；2017年18起(傷2人)、2016年17起(死亡1人)、2015年12起，該交通特管區(qū)的貨車(chē)事故率總體較低。在連續(xù)下坡路段增設(shè)交通特管區(qū)，采取的各類(lèi)相應(yīng)安全措施降低了運(yùn)營(yíng)中的安全風(fēng)險(xiǎn)，其中大型貨車(chē)沒(méi)有滿(mǎn)載，貨車(chē)功重比的提高，也是貨車(chē)事故率較低的主要因素之一。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)貨車(chē)超載、大型貨車(chē)占比及裝載率分別對(duì)高速公路連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段交通安全性影響的調(diào)查分析，以及交通管控措施與交通事故相關(guān)性分析，得出大型貨車(chē)功重比偏低是交通事故多發(fā)的主要誘因。

(2)從G5京昆高速公路某段車(chē)輛載重分布分析可知，在6軸半掛車(chē)中不僅沒(méi)有滿(mǎn)載，而且最大裝載為40 t，多數(shù)車(chē)輛滿(mǎn)載率僅為60～80%，相當(dāng)于6軸半掛車(chē)功重比提高20%以上，即貨車(chē)功重比基本上達(dá)到7.0 kW/t，這是G5京昆高速公路某段連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段交通事故率較低的主要原因之一。研究表明，為了提高現(xiàn)階段交通安全性，可提出保證貨車(chē)功重比達(dá)到7.0 kW/t以上的載重管控措施。

(3)隨著我國(guó)汽車(chē)整體性能的不斷提高和將來(lái)車(chē)輛核載管控規(guī)定的完善，我國(guó)貨車(chē)功重比將會(huì)實(shí)現(xiàn)達(dá)到8.0 kW/t以上的目標(biāo)，那時(shí)就能適應(yīng)較大連續(xù)坡長(zhǎng)相應(yīng)的平均縱坡要求。高速公路連續(xù)長(zhǎng)大縱坡路段平均縱坡掌握應(yīng)綜合考慮工程規(guī)模及汽車(chē)整體性能的逐步提升；現(xiàn)階段對(duì)地形條件特別困難路段，可通過(guò)貨車(chē)功重比管控措施的專(zhuān)項(xiàng)研究，合理控制平均縱坡度和連續(xù)坡長(zhǎng)，降低工程造價(jià)。

(4)研究了大型貨車(chē)功重比對(duì)交通安全性的影響，貨車(chē)載重管控措施的制定應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目代表車(chē)型及裝載率、路線指標(biāo)等具體情況開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)研究。