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    新版標準規范解讀:山區高速公路連續長下坡設計方法與指標綜述
    2022-03-02 來源:西安交通人 

      近年來,我國山區高速公路連續下坡路段貨車失控事故多發、頻發,引起各層面的高度重視。在新版標準規范發布實施后,修訂組陸續收到一些關于長下坡設計方法與指標的咨詢函件,內容主要涉及以下方面:

      如何解決連續下坡貨車安全問題?問題與縱坡設計有關嗎?

      下坡中“緩坡”行駛,駕駛員很少剎車制動,能夠讓制動轂降溫,但《規范》為什么沒有設置“緩坡”方法和指標?

      基于經驗和習慣做法,長下坡采用“陡緩結合”的設計方法,正確嗎?

      連續長下坡設計中,應該如何進行縱坡設計?控制什么指標?

      《規范》新增的平均縱坡指標,比經驗值更大、更寬松,安全嗎?

      本文結合《公路工程技術標準》和《公路路線設計規范》(以下簡稱《規范》)修訂過程,綜述相關調查研究的主要結論,解讀《規范》相關指標來源和依據,回答如何根本性破解長下坡安全問題,簡要總結山區高速公路連續長下坡的縱坡設計方法和指標掌握。

      01

      山區高速公路長下坡安全問題與縱坡設計有關嗎?如何破解?

      首先,專題通過調研發現,我國山區高速公路連續長下坡路段事故多發頻發的直接原因在于違法駕駛(超載、超限、超速)和違章操作(如:未按規定使用輔助制動系統)、車輛非法改裝等方面。

      其次,由于貨車大型化趨勢(車輛總質量增加數倍),導致貨車整體性能下降(功率質量比下降約40%),引起車輛連續下坡中的持續制動能力顯著降低。而持續制動能力和裝配(如緩速器)才是保證貨車連續下坡安全性的關鍵,并非大家習慣性認為的行車制動(器)系統——制動轂。與國外同類貨車對比可見,我國貨車整體性能(包括持續制動能力與裝備),與世界發展水平相差一個代級以上。下圖為我國不同時期公路貨運代表車型及其性能參數對比表。

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      再有,通過世界多國公路標準對比研究,我國高速公路幾何指標與美國等其他國家基本一致,且在實際工程指標(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,即我國縱坡等指標偏于保守和安全。

      綜上,我國山區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,貨車大型化導致整體性能下降、持續制動裝備落后等問題,才是長下坡安全問題的深層次矛盾和根結。同時,調查試驗揭示,在人、車等因素合法、合規前提下,我國已建的山區高速公路長下坡路段貨車均可以安全通行。

      因此,結合上述調查、研究結論和認識,要徹底解決貨車連續下坡中的安全問題:

      第一,必須對標國際貨車性能標準,提升貨車總體性能和裝配條件。具體而言,要提升貨車功率質量比達到8.3kN/t及以上。同時,升級換代貨車采用持續制動效能更高、更穩定的輔助制動系統(如:緩速器)。

      第二,必須加強山區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、違規行為,嚴格控制貨車長下坡。

      就此,《規范》修訂階段專門向交通運輸部提交了相關專題研究報告和對貨車生產制造相關國家政策性的意見和建議。

      02

      長下坡設計中,需要考慮“緩坡”嗎?

      公路行業《規范》中的“緩坡”一詞和概念,原本是從上坡方向角度提出的。上坡設置緩坡的目的——當貨車在連續爬坡過程中速度不斷折減降低,導致路段通行能力顯著下降時,通過有意識設計“緩坡”(仍然是上坡,只是坡度較?。?,為車輛創造一個短距離提速的條件。根據汽車連續爬坡過程中的速度折減表現,上坡方向“緩坡”的坡度一般控制在小于3%。

      而眾所周知,貨車在山區高速公路連續下坡過程中,如果駕駛員連續踩剎車制動,就會導致制動轂溫度過高,逐漸失去制動消能,最終導致車輛失控。這也是我國山區高速公路連續長下坡路段貨車失控的主要原因和表現。于是,有人認為,如果在長下坡路段中設置有“緩坡”,車輛在緩坡路段行駛時,駕駛員很少踩剎車,這樣有助于制動轂自然降溫,恢復其應有的制動消能。

      顯然,此“緩坡”,非彼“緩坡”,它們是完全不同的概念,目的和性質也截然不同。因此,在各類公路項目設計中,不能混淆“緩坡”概念,更不能把上坡方向的“緩坡”設計方法和思路,照搬到下坡方向縱坡設計當中。

      03

      為什么《規范》沒有給出長下坡中“緩坡”的設計指標?

      準確地說,新版《規范》(2017版)確實沒有給出長下坡中“緩坡”的設計指標,但并非因為《規范》缺乏調查、研究,而是因為通過專題試驗、研究發現,在連續長下坡過程中設置“緩坡”并沒有實際意義,也不具有工程操作性,因此《規范》不推薦在長下坡設計中專門、有意識設計“緩坡”。

      根據汽車下坡運動方程、制動原理和貨車制動轂溫度變化模型,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機械勢能轉化為車輛動能和熱能(制動轂溫度)的過程。例如,在某山區高速公路起終點位置和相對高差基本確定的前提下,路線設計采用“平均坡度4% (長度5km)”的方案與采用“平均坡度3%(長度6km,增設緩坡)”的方案,對制動轂溫度變化影響不大。即在最大縱坡范圍內,“陡而短”的縱坡組合等同于“長而緩”縱坡組合。

      另外,制動轂一般為灰鑄鐵材質,其自然降溫(即在行駛過程中,自然降溫)的速度很慢。一組試驗顯示,在60km/h速度時,制動轂自然降溫10度,就需要約10分鐘以上時間,而此時汽車行駛距離至少10公里。在山區高速公路設計中,設置幾公里以上的緩坡顯然是不具備操作性。

      因此,新版《規范》(2017版)修訂中明確,連續長下坡路段設計中,不推薦有意識設置“緩坡”,即不推薦“陡緩結合”的設計方法(從上坡需要設置的緩坡除外)。而且,法國等歐洲公路設計規范明文禁止在長下坡中間設置緩坡的做法,不僅因為設置“緩坡”對制動轂溫度變化無實際意義,反倒使得坡度更長,而且還容易給駕駛員造成連續下坡結束、放松警惕的錯覺。

      04

      控制長下坡設計的指標是什么?有什么依據?

      盡管,山區高速公路長下坡安全問題并不在于高速公路縱坡指標方面,也不在于縱坡如何組合設計方面,但本著對國家、行業和人民群眾負責任的態度,從我國當前貨運主導車型的性能條件和升級換代周期等實際情況出發,《規范》配套專題通過充分試驗、研究和論證,選擇以發動機輔助制動(即排擋制動)模式為基本工況條件,通過試驗研究建立了貨運主導車型——六軸鉸接列車的制動溫度控制模型;以制動轂溫度不超高200度為安全條件,研究提出了《規范》表8.3.5“連續長、陡下坡的平均坡度與連續坡長”,作為現階段指導高速和一級公路連續性長下坡的設計與評價性的推薦性指標。

      需要特別關注的是,《規范》表8.3.5基于的“發動機輔助制動模式”,與排氣輔助制動模式比較,相對更安全、更保守。因為采用排氣制動模式下,得出的平均縱坡坡度和坡長將會更大、更長。因此,在我國汽車制造標準強制性要求所有車輛出廠必須裝配輔助制動系統(國內普遍裝配的是“排氣制動系統”)前提下,表8.3.5的指標已經是相對保守、偏于安全的指標了。

      這樣,單從下坡方向考慮,新版《規范》中指導和控制縱坡設計的指標主要有以下兩個部分:

      1) 最大縱坡坡度

      即《規范》第8.2.1條,各級公路的最大縱坡應不大于表8.2.1(最大縱坡);

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      ▲《規范》表8.2.1

      2) 連續長、陡下坡的平均縱坡(檢驗性指標)

      即《規范》第8.3.5條,高速和一級公路連續長、陡下坡路段的平均坡度與連續坡長不宜超過表8.3.5(平均縱坡坡度與連續坡長)的規定;超過時,應進行交通安全性評價,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施,并論證增設貨車強制停車區。

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      ▲《規范》表8.3.5

      05

      連續長下坡如何進行縱坡設計?(即設計方法)

      由于公路行業標準規范的條文編制的體例和形式要求,《規范》條文內容不能像設計手冊或教科書那樣,完整地講述工程設計方法和流程。這里,筆者結合相關工程實踐,總結一下新版《規范》(2017版)推薦的“山區高速公路縱坡設計方法和流程”。

      1) 首先需要明確,受到貨車動力和安全性能條件限制,在連續上坡方向高速公路縱坡設計的重點在于保證路段通行能力,而下坡重點在于保障連續下坡的通行安全性,因此,山區高速公路選線、方案優化、縱坡設計,應區分整體式路基、分離式路基,區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《規范》對上坡方向的指標和要求進行縱坡設計(包括采用緩坡),因為與下坡方向的指標限制比較,上坡方向指標受限更多;然后,再對照《規范》第8.3.5條從下坡方向對縱坡設計進行檢驗、評價。

      3) 對采用分離式路基斷面的路段:

      ● 上坡方向,完全按照《規范》對上坡方向的指標和要求進行縱坡設計,包括在連續上坡中間,結合地形條件合理設置緩坡;當路段運行速度、通行能力明顯降低時,論證設置爬坡車道等措施;

      ● 下坡方向,則以最大縱坡指標(表8.2.1)為控制,以連續長、陡下坡檢驗指標(表8.3.5)為參考,結合沿線地形、地質等起伏、變化條件,靈活進行縱坡設計。(不需要專門或有意識設置緩坡)

      4) 當初步方案的平均縱坡與坡長小于表8.3.5時,縱坡深化設計主要考慮順應地形起伏變化、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水平(上坡方向)。

      5) 當初步方案的平均縱坡與坡長大于表8.3.5時:

      ● 或者,通過重新選線或采用隧道方案降低路段起終點的相對高差,使得新的路線方案的平均縱坡與坡長小于表8.3.5。

      ● 或者,在起終點相對高差條件比較固定時,在路段中間位置合理設置貨車強制停車區,即通過強制停車區將原連續長下坡路段分為兩個(或以上的)連續下坡路段;同時,通過交通安全性評價,明確路段速度控制和通行管理方案。

      6) 必要時,重復以上步驟和過程,直到上坡和下坡兩個角度,各項指標均滿足《規范》對應要求。

      補充說明:

      以上設計方法和流程僅為概述性質,具體工程設計中應結合實際情況,因地制宜,靈活運用。上述內容未重點介紹上坡方向的縱坡設計方法和指標。

      06

      與上坡方向比較,長下坡設計方法有哪些不同?

      基于貨車上坡、下坡的綜合能力與對應坡度、坡長等對比,可以得出“高速公路縱坡設計主要受車輛上坡性能條件控制”的結論。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計、掌握的空間更大,受限制更少。這也是為什么世界各國標準中,縱坡指標均主要從上坡方向確定的原因。

      同時,由于以往公路設計、建設以整體式路基斷面為主,而在整體式路基的公路縱坡設計中,上坡方向的縱坡組合必然也同時決定了下坡方向的縱坡條件,所以,以往公路縱坡設計主要從上坡方向考慮較多。在本質上,上坡方向縱坡設計重點解決的連續上坡過程中的路段通行能力和服務水平問題。

      但我國貨運車型大型化發展、車輛整體性能和持續制動不足等情況之后,山區高速公路縱坡設計出現了新的關鍵點——下坡方向的安全性問題。于是,即便同樣是整體式路基斷面,現在高速公路連續縱坡設計還必須從下坡方向考慮。具體就是對照《規范》表8.3.5的“連續長、陡下坡的平均坡度與坡長”指標,對平均縱坡進行檢查和評價。

      需要特別強調的是,在采用分離式路基的下坡方向,縱坡設計最終只受到《規范》表8.2.1(最大縱坡)和表8.3.5(平均縱坡)兩個指標限制。從“法無禁止即可為”的原則出發,應該說,相對于整體式路基而言,分離式路基的下坡方向縱坡設計靈活展線、優化設計的空間更大,且不需要有意識考慮設置緩坡。工程師可以更多把重點放在填完平衡、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?

      有專業技術人員提問,某山區高速公路(設計速度100km/h)在分離式路基下坡方向對照《規范》,如果采用3.5%、長度9公里,一坡到底的方案可行嗎?符合《規范》要求嗎?

      可以肯定的回答:可以,符合《規范》要求!

      盡管山區地形起伏變化大,加上橋隧構造物布置等制約影響,實際工程不會采用“一坡到底”的縱坡設計方案,但從符合《規范》角度而言,只要平均縱坡坡度與坡長在《規范》表8.3.5的范圍之內,采用3.5%的坡度、“一坡到底”,符合《規范》要求。

      因為,前文曾重點述及,《規范》表8.3.5是根據專題試驗研究(包括實車現場試驗等),在貨車主導車型采用發動機輔助制動——偏于保守、安全的工況條件下得出。只要駕駛員不違法違規駕駛,完全可以安全通行。如果駕駛員正確使用輔助制動系統,安全連續下坡的坡度、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,我國山區高速公路的縱坡偏于平緩,指標采用偏于保守、安全。例如,在美國山區高速公路中,5-6%的連續縱坡,動輒長大10英里以上(參閱《中國死亡之坡,放到美國排第幾?》等文章)。

      08

      結語

      回顧《規范》修訂過程,參與修編工作的很多領導、專家都記得,長下坡安全問題是我國新版公路技術標準規范修訂中的焦點問題。雖然,配套專題研究早在2014年就已經完成,但由于問題復雜、涉及面廣、結論與經驗認識差異大等原因,隨后進行了長達約2年時間的再研究、檢驗和驗證工作,最終才在2017版《規范》中正式發布實施。

      客觀而言,專題研究提出的“連續長、陡下坡平均縱坡指標”,有充分的調查研究基礎,有科學的數據結論支撐,還經過了各層級、跨行業的反復審查、評審。在《規范》(2017版)正式發布實施之后,意味著該指標已經不只是一項研究成果,而是經過行業審慎研究確定的、山區高速公路設計的直接依據。

      本文再次綜述高速公路連續長下坡設計方法與指標,意在呼吁各地和工程專業技術人員,充分理解《規范》指標的來源和依據,客觀認識長下坡安全問題的本質,克服以往經驗認識和習慣做法,科學、靈活進行山區高速公路縱坡設計。



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