張書豪，張 曦，梅本強，楊昌鳳，何云勇，高建平

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610041;2.雅安市交通建設(集團)有限責任公司,四川 雅安 625000; 3.重慶交通大學土木工程學院,重慶 400074)

我國高速公路長大下坡路段因貨車制動失效而頻頻發(fā)生的交通事故,嚴重影響運營安全。針對高速公路長大下坡路段交通安全保障方面,胡立偉等[1]建立了山區(qū)高速公路行車風險因素識別模型,認為駕駛人安全意識和態(tài)度是最本質的安全風險因素。馬文敏[2]以浙江甬臺溫高速公路為例,分析了長大下坡路段的交通安全運行特征,并提出了綜合性的處置措施。高建平等[3]、吳明先等[4]從高速公路路線和避險車道設計角度,研究了長大下坡路段安全提升的技術措施。陳朝暉[5-6]、張馳[7]等以四川汶馬高速公路、昭西高速公路的長大下坡路段為例,計算了貨車下坡的制動鼓溫度變化特征,提出了相應的安全改善措施。在已有研究成果基礎上,以四川省雅康高速公路長大下坡路段為例,開展現場貨車駕駛實驗,研究駕駛員駕駛行為特征及貨車制動鼓溫升變化規(guī)律,提出基于駕駛行為適應和制動鼓溫升雙重控制的長大下坡路段安全提升措施[8]。

1 工程概況

四川省雅康高速公路起于雅安市對巖鎮(zhèn),經天全縣、瀘定縣,止于甘孜州康定市,路線全長134.5 km,按設計速度80 km/h,路基寬度24.5 m的雙向四車道高速公路標準建設。全線共分布3處長大下坡路段,如表1所示,其中K128+956—K99+570段長29.39 km,平縱縱坡2.57%,屬于典型的長大下坡路段。以該工程為例,開展了雅康高速公路長大下坡路段的現場貨車駕駛試驗,揭示駕駛員駕駛行為特征,研究貨車制動鼓溫度變化規(guī)律,在此基礎上提出長大下坡路段安全提升措施建議。

2 實車試驗駕駛員行為適應特征分析

山區(qū)高速公路連續(xù)下坡路段的公路線形和交通環(huán)境隨里程不斷變化,汽車駕駛員將通過自我調節(jié)來適應不同的道路條件和風險程度,從而導致駕駛員在不同路段的駕駛心理不同,引起駕駛員生理改變。因此,基于駕駛員行為適應理論,采用駕駛員行車生理指標對高速公路長大下坡路段的駕駛行為進行分析,探索長大下坡不同駕駛員的駕駛行為規(guī)律。現有研究表明,駕駛人心理緊張程度并非隨坡度增加而一直呈現遞增的趨勢,坡度在3%～4%之間時,駕駛人心理緊張程度較高,隨著坡度的繼續(xù)增加,駕駛人心理緊張程度會降低;在下坡方向,駕駛緊張程度則會出現明顯增加,當坡長增加到一定程度時,駕駛員行車處于危險域范圍內。駕駛員瞳孔直徑變化百分比(APCPS)可以較為理想的反映駕駛員在行車過程中的心理波動情況,從而反映駕駛員的駕駛行為[9]。因此,將瞳孔直徑變化百分比作為駕駛行為表征指標,分析其在長大連續(xù)縱坡路段的分布特征。

表1 長大下坡路段分布一覽表

以四川省雅康高速公路長大下坡路段為例,開展了現場實車試驗,獲取駕駛人在長大連續(xù)縱坡路段的瞳孔直徑變化百分比。試驗結果如圖1所示,從圖1中可以明顯的看出駕駛員的瞳孔直徑變化百分比均呈現相似的規(guī)律,駕駛人瞳孔直徑變化百分比一共呈現四個階梯段的變化:第一階段駕駛員瞳孔直徑變化百分比較為平穩(wěn),變化幅度小,駕駛員處于長大下坡坡前上游路段,行車安全性較高。第二階段駕駛員瞳孔直徑變化百分比突然上升,駕駛員開始進入長大下坡路段,處于熟悉期階段,心理緊張感明顯,該段定義為長大下坡駕駛員駛入單元。第三階段駕駛員瞳孔直徑變化百分比隨道路條件的變化而變化,在此過程中的瞳孔直徑變化百分比明顯比第二段小,已處于對長大連續(xù)縱坡路段的行車環(huán)境的熟悉期之后,此時駕駛人和長大連續(xù)縱坡路段行車環(huán)境已達到新的平衡,該段定義為長大下坡駕駛員適應單元。第四階段駕駛員瞳孔直徑變化百分比比前兩段都小,駕駛員開始駛出長大下坡路段,心理緊張程度明顯放松,該段定義為長大下坡駕駛員駛出單元。

3 實車試驗貨車制動鼓溫升特征分析

汽車在山區(qū)高速公路連續(xù)縱坡路段發(fā)生的交通事故多以剎車失靈為主所致,制動鼓溫度直接反映了汽車的制動性能狀況。已有研究表明,行駛汽車制動鼓溫度小于200 ℃時,制動性能安全可靠;當制動鼓溫度介于200 ℃～250 ℃之間時,應設置主動交安設置保障安全;當制動鼓溫度介于250 ℃～300 ℃之間時,應設置主、被動結合的交安措施保障安全;當制動鼓溫度高于300 ℃時,制動性能失效,易引發(fā)交通事故,對應路段應采取速度限制、設置強制檢查站、車道管理等措施,以提高行車安全[10]。

根據國內外經驗,選取世界道路協會PIARC出版的《Road Safety Manual》中的GSRS模型、陳立輝等[11]輔助制動溫升預測模型與雅康高速公路實車試驗實測制動鼓溫度進行對比。GSRS模型的計算公式如式(1)所示。

T=T0×e-K1L/V+Ta(1-e-K1L/K)+
K2PBV(1-e-K1L/V)

(1)

其中,T0為制動鼓初始溫度,℃;K1=1.23+0.016V;L為至坡頂的距離,m;V為行車速度,km/h;Ta為環(huán)境溫度,℃;K2=0.1+0.001 3V;PB為制動功率,PB=PG-PE-PF,hp;PG=WθV/272.16,hp;PE為發(fā)動機制動功率,hp;PF=(450+10.78V)V/600,hp;W為車輛總重,kg;θ為縱坡坡度,%。

基于發(fā)動機輔助制動條件下制動鼓溫升模型如式(2)所示。

(2)

其中,T0為制動鼓初始溫度;Pi為縱坡坡度;Li為各縱坡對應的坡長;Vi為各坡段下坡速度。

貨車實車試驗下坡過程中,全程未開啟淋水或使用其他輔助制動,僅依靠擋位和主制動器控制速度,且為自由行駛,車速非勻速。GSRS模型未考慮輔助制動,車速也保持勻速行駛。輔助制動模型中,全程開啟發(fā)動機輔助制動,依靠發(fā)動機輔助制動和主制動器聯合制動控制車速,車輛保持60 km/h勻速行駛。各驗算模型制動鼓起始溫度均取65.5 ℃。計算得到不同模型下制動鼓溫度值、變化趨勢分別如圖2所示。

由圖2可知,輔助制動模型預測溫度曲線和實車試驗溫度曲線變化趨勢相近,均為波動上升;但在實車試驗中貨車制動鼓溫度變化起伏較大,輔助制動模型中則起伏較小,這與行駛車速、道路條件、發(fā)動機功率因素有關,實車試驗則更接近現實情況。同時,與實車試驗相比,采用輔助制動后,制動鼓溫度有明顯下降趨勢,達到臨界溫度的坡頂距離也有所提高,這說明采取輔助制動后,能夠有效降低制動鼓溫度值。根據制動鼓溫度對山區(qū)高速公路長大下坡路段嚴重程度不同,將沿線交安設施設置劃分為四類:Ⅰ類:坡段最高溫度低于200 ℃;Ⅱ類:坡段最高溫度達到臨界溫度250 ℃;Ⅲ類:坡段最高溫度達到臨界溫度300 ℃;Ⅳ類:坡段最高溫度超過300 ℃。

4 長大下坡路段交通安全提升技術

4.1 交安設施設置標準

基于駕駛員行為適應特征和汽車制動鼓溫升特征變化規(guī)律,將長大下坡路段交通安全與沿線設施劃分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ四個類別,并分別根據坡前路段、駛入單元、適應單元、駛出單元四個設計單元對行車安全的影響及其安全保障需求,制定山區(qū)高速公路長大下坡路段交通安全設施設置標準,如表2所示。

表2 長大下坡路段交安設施設置表

4.2 長大下坡路段交通安全提升措施

根據雅康高速公路實車試驗駕駛行為特征及貨車制動鼓溫度變化規(guī)律,對既有長大下坡路段交通安全設施提出提升措施:

1)標志。雅康高速公路長大下坡路段標志設置情況如表3所示,可以看出,兩處長大縱坡路段均設置了長大下坡路段余長提醒、禁止空擋行駛、低擋行駛等標志,并配合縱向、橫向減速標線提醒駕駛員減速慢行,對行車安全有利。但在長大下坡路段前應配合陡坡警告標志設置限速標志或者建議速度標志,因此,建議在K64+750附近位置設置長大下坡路段限速標志[12]。

表3 長大下坡路段標志設置情況

受道路線形影響,雅康高速公路K64+770—K58+970段長大下坡路段設置了系列警示標志與減速標線,在長大下坡路段結束同樣設置了結束提醒標志,但在K58+266長大下坡路段結束后接曲線路段,且該路段存在不良天氣影響。因此,建議在長大下坡路段標志K58+266前設置彎道提醒標志,并將連續(xù)下坡結束標志設置于彎道結束后K57+900左右。在K64+200左右長大下坡路段限速標志,小型車限速100 km/h,大型車限速80 km/h,此路段處于冰雪影響路段,存在暗冰風險,建議在此處按限速80 km/h行駛。

另外,該項目長大下坡路段僅設置了一般的靜態(tài)標志,警示效果一般,建議設置“動態(tài)+靜態(tài)”標志,配合縱向視覺減速標線以及限速標志,提示駕駛員長下坡路段減速慢行。

2)長下坡與暗冰結合路段標志標線。在雅安方向水獺坪中橋、前碉左線大橋、大柏牛中橋等橋梁處于長大下坡路段,且位于暗冰影響區(qū)域,對行車安全不利。建議在水獺坪中橋、前碉左線大橋、大柏牛中橋橋頭前設置“注意暗冰”警告標志,并于橋頭前200 m～500 m位置設置暗冰路段預告;在新溝互通及喇叭河互通兩處互通合流出口200 m～500 m位置及互通匝道,提醒剛進雅康高速車輛長大下坡路段信息;在新溝服務區(qū)匝道入口前200 m～500 m設置“前方長大下坡路段”警告標志,提醒行駛一段距離的車輛做好連續(xù)下坡準備;在二郎山停車區(qū)、新溝服務區(qū)設置連續(xù)縱坡路段示意圖,提前告知駕駛員做好連續(xù)縱坡路段行車準備。

3)護欄。雅康高速公路雅瀘段長大下坡路段按照JTG/T D81—2006公路交通安全設施設計細則要求設置護欄,采用SB級波形護欄,活動護欄開口處設置具有一定防撞能力的“鋼管預應力索式防撞活動護欄”。但對于連續(xù)縱坡路段,且與降雨和冰雪天氣等不良天氣疊加影響,車輛對于防護設施要求更高,建議在連續(xù)下坡路段的彎道、臨崖及高路堤路段應將波形護欄改為SA級單幅混凝土護欄,提高護欄防撞等級,保障行車安全。

4)管理設施。兩處長大下坡路段均未設置監(jiān)控及超速警告情報板,由于兩處長大下坡路段均與隧道路段銜接,且隧道路段同樣為下坡路段, K81+111.22—K64+770段的平均縱坡為-2.38%,與長大下坡路段形成連續(xù)長下坡路段,對行車安全不利。建議在長大下坡路段K62+000位置設置超速抓拍和超速警告情報板進行強制減速;配合超速抓拍及超速警告情報板在攝像頭前200 m～500 m設置靜態(tài)限速標志;由于危險品車輛通行連續(xù)縱坡隧道路段,其事故風險、事故嚴重程度與隧道事故疏散救援困難的特性,建議禁止運載爆炸物品、易燃易爆化學物品以及劇毒、放射性等危險物品的車輛進入雅康高速公路。

5 結語

我國西部四川、重慶、云南、西藏等省正在建設或規(guī)劃建設的山區(qū)高速公路長大下坡里程長、坡度大,往往又與冰、雪、霧和強暴雨等惡劣氣候條件等不利因素組合,普遍面臨長大下坡運營安全問題。以雅康高速公路長大下坡路段為例,開展了現場實車試驗,研究駕駛員駕駛行為變化特征及貨車制動鼓溫度變化規(guī)律,定義了長大下坡路段單元劃分,制定了不同路段單元的交通安全設施設置標準,結合雅康高速公路從標志、標線、護欄及管理設施等方面提出了交通安全提升措施建議,可供山區(qū)高速公路長大下坡路段交安設施設計參考。