山区重载高速公路长大下坡事故多发段改造的技术探究

王利平 刘尚云

（1.中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；2.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

随着我国高速路网的连通，交通运输条件大幅改善，但是一些山区高速公路连续纵坡路段事故频发，甚至某些路段被冠以“魔鬼路段”“死亡路段”的称号，道路服务水平低、社会影响大。青兰高速公路山西黎城（晋冀界）至山西长治段（以下简称“长邯高速”）就是公安部备案的事故多发路段，该段高速公路2002年建成通车，大大缓解了原国道309线运煤车拥堵严重的现象，由于是主要的晋煤外运通道，载重拖挂汽车比例高，随着经济快速发展和周边路网的不断完善，短短几年交通量迅速增长，但是随之而来的是事故频出，不能满足使用者的安全出行需求，2008年被国家发展和改革委员会确定为需尽快实行拓宽改造的“卡脖子”路段。要彻底解决既有高速公路存在的问题，需对既有公路的运营现状具有全面认识，提出针对性改造方案，本文主要研究了以下几个关键技术问题。

一、原高速公路的平纵线形与事故情况

长邯高速从西到东，从太行山之巅的上党盆地下行到华北平原，从长治盆地（高程900m～1100m）下第一个台阶到黎城盆地（高程710m～800m），再从黎城盆地下第二个台阶到晋冀界（高程670m），第一段最高点牛王垴隧道进口高程1046.637m，最低点浊漳河桥头716.23m，路线长度10.545km，高差330.407m，平均纵坡3.13%。平面上，此10.545km连续下坡段，出隧道后平曲线半径介于650m～1200m，相对比较均衡，事故多发生在下坡段的中下部，事故主要是由于下坡方向重载车制动失效、减速不及时导致来不及转弯，撞击或越过中央分隔带护栏冲入对向车道造成的。据交警部门的事故统计，自2003年1月～2007年，该下坡路段共发生各类交通事故55起，死亡52人，受伤24人，占山西境内段全线事故的90%。在2008年之后，当地交通主管部门制定并落实了一系列改善措施，包括增加避险车道、设置降温池、减速带、警示标志及限制五轴及以上车辆在夜间行驶等，试行以上交通管制后事故占比明显下降，但仍时有发生，从之前占全线的90%下降到占下行方向的39.45%。

第二段最高点东阳关隧道进口892.581m，最低点晋冀界693.955m，山西境内路线长度5.579km，高差198.626m，平均纵坡3.56%，加上河北境内10.8km下坡段，该段连续下坡高程下降共475m，总长16.4km，平均纵坡2.84%。山西境内平曲线指标较高，达到1253m和2860m，下半段的河北境段基本都是600m～650m之间曲线首尾相连。该路段事故山西境内相对较少，主要发生于坡底段的河北境内。交警部门统计，2005年～2009年，下坡方向约10km发生安全事故67起，其中发生在下行方向的事故占69.8%，导致14人死亡、28人受伤，2006年就有7辆车驶入避险车道。河北段将全段中央分隔带改为钢筋混凝土防撞护栏，设置避险车道、强制减速带、警示标志等安全措施，防止下坡的大型载重货车在该段闯入对向车道。

二、事故原因分析

通过分析发现，安全事故的发生具有三大规律：大型载重货车更容易发生事故；事发段主要为长大下坡路段（纵坡段及弯坡组合路段）；发生事故的原因是驾驶员违章行驶或驾驶不当，导致大型车在连续下坡路段长时间连续或频繁制动及高速大负荷下紧急制动，进而致使制动毂发热、制动性能降低，最终车辆失控酿成事故。

从平面指标、纵坡坡度与坡长指标来看，原长邯高速相比国内其他山区高速公路指标并不低，但仍然事故频发。排除“人”与“车”非正常状态和违法违章（疲劳驾驶、超载、超速、改装等）等直接因素，综合分析还存在车辆载重吨位变化与道路通行条件不适应等因素，具体如下。

该项目是晋煤外运通道，原高速设计于20世纪90年代，在调查与该项目同属一个走廊带的国道309线东阳关省界站时发现，货车占总交通流量的4%，其中拖挂车占比83%，但当时货车平均吨位较小。

经过10年发展，大货车与拖挂车占总交通流量比变化不大，实载吨位却大幅增加，以山西至河北方向（下坡方向）为例，拖挂车平均载重吨位由1998年的11.10t增加到2008年的39.43t，是原来的3.55倍，如果考虑车自身重量则增幅更多。这主要是由主导车型的变化引起的，随着我国高等级公路里程的增加，道路运输条件改善，汽车货运向大型化发展。原来的拖挂车主导车型是解放/黄河EQ-140，2008年拖挂车主导车型是六轴半挂式铰接列车，一般车货总质量49t。根据相关研究，我国汽车功率的增加幅度远小于汽车载重的增加幅度，代表指标即功率重量比有明显下降，重量功率比影响了汽车上坡的爬坡能力和下坡的持续制动能力，根据2011年开展的《高速公路纵坡设计关键指标与设计方法研究》对历次《公路工程技术标准》所采用的代表车型的功率重量比的变化来看，从《公路工程技术标准（附条文说明）》（JTJ 001-1997）[1]的8.3kW/t下降到《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）[2]的5.12kW/t，“代表车型”选的均是当时道路上运营行驶的主流车型。国外的同类型载重货车，欧美的发动机功率重量比一般在10kW/t，且货车平均不低于8.3kW/t。受我国发动机功率偏小的限制，铰接列车辅助制动系统持续制动效能较低，导致下坡控制能力低下，不能适应山区高速长大纵坡线型，也导致持续爬坡性能低，这也是在高速公路上经常见到大货车以明显低于低限速度爬坡的原因。

长邯高速拖挂车比例高达70.7%，货车比例也达到82%，原高速按JTJ 001-1997设计，使用过程中随着载重汽车功率重量比下降，引起的下坡持续制动失效和上坡爬坡缓慢拥堵现象比其他普通山区高速公路明显要多，再加上长大纵坡与平面小半径曲线的组合，所以导致事故高发。

三、长大纵坡指标降幅的确定

综上所述，明确改扩建方案要将两段长大下坡方向分离出来新建，减缓纵坡，但需保证降低范围的合理性，如果降低范围太大，会大幅增加建设里程、工程规模造价、占地、运营成本。据测算，相同高差，纵坡从4%降低到3%，建设里程会增加约20%～40%，所以降幅在满足安全需求的条件下需考虑经济性。对此，通过与高校研究团队合作，进行载重车实车制动毂温升实测试验，并建立与车速、坡长、坡度、车重相关的预测模型，对不同程度的降坡方案进行制动器的温度变化分析，应选择按设定的速度行驶到达坡底时制动毂温度在可控有效范围内作为检验方案可行性标准。

根据车辆制动器性能实验得知，通常情况下，当制动器的温度在200℃以内时，车辆的制动器制动力较为正常，不会出现显著衰减现象；而当制动器温度在260℃时会明显下降，具体只能达到正常温度(即65℃以内)的30%～35%；当温度达到400℃，制动器几乎处于失效状态。所以，在连续下坡路段可利用货车在安全运行状态下的制动器温度阈值（通常取260℃）作为控制指标。

结合课题《高等级公路长大下坡路段安全性评价及改善对策研究》在该项目进行的载重车实车温升模型实测数据的回归分析，构建出连续长大下坡路段实载车辆制动毂温度预测模型，分别预测两处长大下坡路段下坡车辆载重40t、50t、60t情况下行驶速度为50km/h、60km/h、70km/h和75km/h时无辅助制动的制动器温升情况。

制动毂温度变化为：第一段下坡段原高速50t载重下坡行驶速度在50km/h、60km/h、70km/h和75km/h时，其坡底制动器温度超出了温度阈值260℃，分离新建线温度则一直处于260℃内。当以60t超载情况下分别在相同速度行驶时，原有高速在距坡底还有1/3路程时温度已超出260℃，分离新建线仅在坡底温度超出260℃，主要原因是下坡距离太长，出于安全考虑，根据地形条件同时结合温度、运行速度的变化，设置了降温池和避险车道等设施，并加强连续长大下坡路段的预告与警示、控速限超与防护措施避免交通事故的发生。

第二段下坡段原高速同样车辆载重下坡行驶速度为60km/h、70km/h和75km/h时，坡底制动器温度均已超出了温度阈值260℃，分离新建线温度则未变，一直保持在260℃内。

四、降坡方式

降低纵坡有两种方式，第一种是降低起终点间高差，通过降低坡顶高程或抬高坡底高程，达到减缓纵坡的目的，即变相延长里程，但里程在起终点处向本段坡长范围外延伸；第二种是在高差不变、起终点不变的情况下迂回展线，通过延长坡长达到减缓纵坡的目的。研究该项目两段长陡纵坡的地形与既有路状况，发现两段存在一个共同特点，即坡顶原高速均设置了隧道，进口段设置反坡减短隧道长度。

在方案拟定中，结合地形条件，第一段单独采用以上两种方式都不能完全达到预期的降坡效果，只有综合两种方式，即通过提早降坡、抬高坡底桥面高程、利用有利地形展线增加坡长，通过绕行，新线比原高速长出1km，推荐路线长度14.4km，降坡291.6m，平均纵坡2.03%。

第二段不用特意展线，只通过提早降坡、抬高坡底高程即可达到预期。推荐路线长度8.2km，降坡141.5m，平均纵坡1.73%。

五、结语

随着汽车货运向大型化发展，一些山区高速公路长大下坡路段事故集中，事故原因调查、调查与分析、平纵方案拟定是该类改造工程的关键技术问题，本文以青兰高速山西境黎城至长治段拓宽改造工程的研究成果为依据，科学分析了长大下坡存在的问题与交通组成发展变化的关系，通过研究长大纵坡坡度、坡长与汽车载重、车速、制动毂温度之间的关系，提出以制动毂温度不超过260℃作为纵坡指标的控制标准，经该项目通车数年来的运营检验，达到了消除安全隐患的目的，取得了良好的应用示范效应，对山区高速公路改扩建具有指导意义。