（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路平均纵坡研究.pdf

摘要 随着山区高速公路的快速发展，因自然条件限制，存在一些连续纵坡路段。资料显 示，这种路段交通事故率较高，严重危及行车安全。我国现行公路技术标准规定的平均 纵坡与长度限制，只适用于等级较低的公路，而高速公路平均纵坡没有规定。在山区高 速公路设计中，设计人员无章可循，导致连续纵坡大小和长度无法控制。因此，对山区 高速公路平均纵坡进行研究，对合理控制长大纵坡、保障行车安全是非常必要的，也是 迫切需要解决的问题。 论文通过大量收集相关资料和文献，在路段试验与场地试验的基础上，对山区高速 公路平均纵坡和坡长限制指标进行了研究。通过现状调查分析，结合未来一段时间载重 车的发展趋势，确定了额定载重l o 一- - - 1 2 t ，功率重量比在7 0 8 5 范围大型载重车为本 研究的主导车型；通过对山区高速公路连续纵坡路段交通事故特点和连续上坡路段通行 能力的分析，确定研究山区高速公路平均纵坡和坡长限制应以下坡方向行车安全为主要 控制因素的原则；分析了连续下坡路段车辆势能转换，制定了下坡路段货车主制动器温 升试验方案，通过对试验数据的回归分析，结合下坡时汽车的运动方程，分别建立了无 辅助制动和发动机制动两种情况下的主制动器温升预测模型；提出了山区高速公路平均 纵坡和坡长限制指标值和界定高速公路长大纵坡的标准和原则；结合山区高速公路连续 纵坡的交通事故特点，从设置爬坡车道、交通标志、速度控制措施三个方面提出了长大 上坡路段可采用的安全措施，从主动安全保障措施和被动安全保障措施两个方面系统地 提出连续下坡路段的安全保障措施，并对避险车道设计的关键技术进行了较为全面的分 析总结。 关键词：山区高速公路、连续纵坡路段、平均纵坡、连续坡长控制、交通事故、主制动器温升模型、 安全保障措施 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h em o u n t a i n o u s e x p r e s s w a y s ，t h e r ea r es o m ec o n t i n u o u s d o w ns l o p es e c t i o n sb e c a u s eo fr e s t r i c t e d n a t u r a lc o n d i t i o n s ，s o m ed a t as h o wt h a t t l l e a c c i d e n tr a t e sa r eh i g h e ri nt h i ss e c t i o n ，w h i c hi sv e r y d a n g e r o u s t h er e q u i r e m e n t so fa v e r a g e l g i t u d i n a ls l o p ea n dt h el i m i t a t i o n so f l e n g t h ，w h i c hw e r es t i p u l a t e di no u r p r e s e n t1 1 i 蛳a y n o 眦s ，a r eo n l yf i tf o ri n f e r i o rr o a d s ；h o w e v e r ，t h e r ea r en o ta n yr e l a t e d r e g u l a t i o n so fa v i 嘲g e 1 0 n g i t u d i n a ls l o p eo fh i g h w a y s ，t h u s ，n or u l e sc a nb ef o l l o w e di nt h ed e s i g n so f m o u n t a i l l o u s e x p 他s s w a y s ，w h i c hl e a d st ot h eu n r e a s o n a b l ed e s i g n so fa v e r a g el o n g i t u d i n a ls l o p e s oi t i s n e c e s s a r yt of m dab e t t e rw a yt os o l v et h ep r o b l e m si no r d e rt ok e e pa l lv e h i c l e ss e c u r eo n s u c hk i n do fr o a d s b yal o to fd a t a , f a c t sa n de x p e r i m e n t sw h i c ha r ec a r d e d o u to nt l l er o a d sa l l d e x p e r i m e m a t l o ng r o u n d s ，t h ea v e r a g el o n g i t u d i n a l s l o p ea n dt h el i m i t a t i o n so fl e n 鼬雒e r e s e a r c h e a l da f t e rs e v e r a li n v e s t i g a t i o na n d a n a l y s e s ，t h ea u t h o rp i c k e do u tat r u c k w h o s el o a d i slo 一12 t ，a n dt h ep o w e r - t o - w e i g h tr a t i o7 o 一8 5 ，a st h em a i nd e s i g n t y p i c a l 咖c ki 1 1t h e p a p e r i h e nam a i nr e g u l a t i o ni sm a d e db ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 锄衙ca c c i d e n t so n t h ec o n t i n u o u sd o w ns l o ps e c t i o n sa n dt h et r a f f i c c a p a c i t i e so nt h ec o n t i n u o u su p h i l ls e c t i o n s t h a ti st h ea v e r a g el o n g i t u d i n a l s l o p ea n dt h el i m i t a t i o n so fl e n g t hs h o u l df o i l o wt h em a i l l 妣t so 士s a f eg o i n go nt h ed o w nh i l l s b ya n a l y z i n gt h ee x c h a n g eo fp o t e n t i a le n e r g yo ft h e v e h i c l e s0 nt h ec o n t i n u o u sd o w n h i l lr o a d s ，t h ea u t h o rm a d es o m ep l a n sf o rd r u mb 瑚( e e x p e r i m e n t a t i o r t , b ya n a l y s i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o nd a t a , t w om o d e l sf o r t e m p e r a _ t l 】r e p r e d i c t i o ni nd r u mb r a k e ，w h i c hc o n d i t i o na r en oa i db r a k ea n de n g i n eb r a k e o nt 1 1 eb a s eo f t h em o d e l s ，t h es t a n d a r d sa n ds o m e d e s i g np r i n c i p l e so ft h ea v e r a g el o n g i t u d i n a ls l o p sa i l dm e l l m l t a t l o n so fl e n - g t ha r e p r o p o s e d ，i n c l u d i n gt h es t a n d a r d sd e t e r m i n a t i o no f1 0 n gs t e e p j o n 哥t u d i n a ls l o p eo nm o u n t a i n o u se x p r e s s w a y s c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c l 觚s t i c so f 仃a 箍c a c c i d e n to nc o n t i n u o u sd o w n h i l l s ，t h ea u t h o rs u g g e s t st w os a f e t ym e a s u r e s ，t h ea c t i v e0 n e s a 1 1 dp a s s l v eo n e s ，f r o mt h r e ea s p e c t s ：u p h i l ll a n ed e s i g n ，t h er e a s o n a b l et r a f f i c s i g n sf a c i l i t i e s a n dm o d e r a t es p e e dc o n t r 0 1 t h ew h o l ea n a l y s i so ft h ei m p o r t a n t d e s i g ns k i l l sa b o u t 仃u c k r e s c u er a m pa r em a d ei nt h e p a p e r k q w 。r d s ：m o u n t a i n 。u se x p r e s s w a y , c o n t i n u o u s l o n g i t u d i n a ls l o p es e c t i 。n ，恤a v e r a g e l o n g i t u d i n a ls l o p e ，t h ec o n t i n u o u ss l o p el i m i t a t i o n so f l e n g t h ，t h et r a f f i ca c c i d e n t ， t h em o d e lf o r t e m p e r a t u r ep r e d i c t i o ni nd r u mb r a k e ，s a f e t ym e a s u r e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：躺乒 年，月胡e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属等 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等移 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或尉 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：夹龆是 驯9 年，月2 p 目 导师签名：饬力 弋事2 孵，月菇日 长安大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 国家实施西部大开发以来，西部省份的公路交通基础设施建设速度很快，极大地促 进了西部地区的发展。但由于西部地区地理位置特殊，高原、微丘、重丘和山岭区较多， 地形高差大，在西部现有公路中，低等级公路和等外公路所占比例较大，技术等级低， 安全设施少，且部分公路依山傍崖，落差大，纵坡长且陡。车辆在这些公路上行驶，迫 使长时间使用制动，使制动器温度上升，制动“热衰退”现象突出，严重时会使制动能 力完全丧失，导致交通事故经常发生。在穿越西部的几条国道线上，女1 1 0 8 ，2 1 0 ，3 1 2 ， 3 1 6 ，3 1 0 等均有不同程度的所谓“事故多发路段”。 相比全国公路平均事故水平，位于山岭重丘区的高速公路连续下坡路段，重大恶性 交通事故发生率最高，调查发现连续纵坡路段的长大下坡是导致交通事故重要的原因之 一。2 0 0 4 年初，按照国务院的统一部署，公安部和国家安全生产监督管理局研究确定了 两部局督办治理的全国2 9 处危险路段，这些路段多处山区，己连续发生重大交通事故或 发生一次伤亡1 0 人以上的特大公路交通事故。在这2 9 个危险路段中，属于连续长大下坡 的事故多发路段有1 6 处，高达5 5 。在公安部通报的2 0 0 3 年一次死亡1 0 人以上的4 1 起特 大交通事故中，坠车事故有2 1 起，占总数的5 1 2 。可见，公路连续长大下坡路段所面 临的安全形势比较严峻。在山区建设高速公路，因地形和经济条件的限制，连续长大下 坡路段不可避免。随着西部地区公路基础设施建设的快速发展，我国高速公路建设的重 心己由地形相对简单的区域向自然条件较为复杂的山区延伸。山区高差大，地形、地质 条件复杂，在越岭路段，为降低工程造价，缩短越岭路线长度，减少对自然环境的破坏， 常采用较大和较长连续纵坡或组合坡段。从已建高速公路运营情况来看，连续长大下坡 对高速公路的行车安全产生重大影响。主要表现在：连续长下坡，导致车速过高，汽车 需频繁制动，对载货汽车易使车辆制动失灵，发生交通事故，甚至恶性事故，并造成长 时间交通中断。连续上坡路段载重车运行速度降低过多，影响路段通行能力，妨碍爬坡 性能较好车辆的运行，使超车需求增多，增加了“强行超车”的可能性，容易发生小汽 车追尾大货车的事故。 在高速公路越岭路段，由于地形复杂，高差大，环保要求高，在路线方案布设和纵 坡设计时，为克服高差和控制工程规模，往往采用连续的长大下坡，即不断交替运用长 第一章绪论 的陡坡和短的缓坡，形成所谓的“台阶式”连续纵坡。已建和在建山区高速公路任意连 续3 k m 平均纵坡大于3 5 的路段较多，连续8 l o k m 下坡( 或上坡) 且平均纵坡大于3 5 的路段也有多条。从已通车山区高速公路运行情况，连续8 l o k m 下坡且平均纵坡大于 3 5 的路段，连续下坡方向交通事故多。因此，应从行车安全的角度控制平均纵坡，合 理运用最大纵坡与最大坡长，并采取必要措施，保证不因平均纵坡过缓而导致工程建设 费用过度增加，也避免因平均纵坡过陡而导致营运时交通运行环境的恶化。 为使纵断面设计更加合理，保证越岭路段的交通安全，我国公路工程技术标准 ( j t gb 0 1 - - 2 0 0 3 ) ( 以下简称标准) 对平均纵坡作了如下规定：“越岭路线连续上 坡( 或下坡) 路段，相对高差为2 0 0 m - - - , 5 0 0 m 时，平均纵坡不应大于5 5 ；相对高差大于 5 0 0 m 时，平均纵坡不应大于5 0 。任意连续3 k m 路段的平均纵坡不应大于5 5 。”，如表 】。 表1 1 标准规定平均纵坡和坡长限制 相对高差( m )平均纵坡( )平均纵坡坡长( 1 ( 1 n ) 2 0 0 5 0 05 53 5 0 05 03 标准在条文说明中解释：“长大纵坡对载重汽车行驶很不利，上坡会使车速减 慢，妨碍后续的快速车辆，使超车需求增多，“强超硬会”的可能性增大，安全性降低； 而下坡会使刹车过热，制动效能减弱，更易发生交通事故。因此，各级公路必须对连续 上坡和连续下坡路段按平均纵坡进行控制 n 3 。 另外，我国公路路线设计规范( j t gd - 2 0 0 6 ) ) ( 以下简称规范) 也遵照标 准对平均纵坡进行了相同的规定，其条文解释中提到“公路纵断面设计，即使完全符 合最大纵坡、坡长限制及缓和坡段的规定，也还不能保证使用质量，不少路段由于平均 纵坡较大，上坡持续使用低速挡，也易导致车辆水箱开锅；下坡则因刹车过热、失效而 导致交通事故发生。因此，有必要控制平均纵坡。公路纵坡坡度与坡长限制专题研 究认为，二、三、四级公路相对高差为2 0 0 - 5 0 0 m 时，以平均纵坡不应大于5 5 进行控 制是可行的。但对高速公路、一级公路由于缺乏调查样本数量，且鉴于当前我国交通组 成以及车辆超限超载的状况等原因，尚无研究结论。在实际运用中只能采用运行速度对 其安全性进行验算、评价，以策安全”乜3 。 标准和规范中关于平均纵坡的规定，对于指导山区高速公路纵断面设计存 在以下的问题： 2 长安大学博十学位论文 ( 1 ) 当平均纵坡小于5 时，对应坡长限制没有规定。按标准规定，只要连续 纵坡路段中任意3 k m 的平均纵坡小于5 5 均满足要求，这样设计是存在问题的，应是不 同平均纵坡对应不同坡长限制才更加合理。 ( 2 ) 由于山区高速公路最大纵坡为5 ( 经技术经济论证可增) j 1 1 ) ，上述规定仅 对二、三、四级公路具有指导意义，对高速公路和一级公路设计不具备指导意义。 我国1 9 9 7 年颁布的公路工程技术标准中关于平均纵坡的规定是“二级、三级、 四级公路越岭路线的平均纵坡，般以接近5 5 ( 相对高差为2 0 0 m 5 0 0 m ) 和5 ( 相 对高差大于5 0 0 m ) 为宜，并注意任何相连3 k m 路段的平均纵坡不宜大于5 ，5 ”，该规定 明确了平均纵坡的规定只适用于二级、三级、四级公路。 目前我国标准和规范对平均纵坡的规定难以指导山区高速公路连续上坡和 连续下坡路段的纵断面设计，设计人员只能在满足有关最大纵坡与坡长限制规定基础 上，根据经验来设计纵断面。设计人员并不完全知道在一定高差下应控制多大平均纵坡 及采取何种必要的措施进行方案比选及具体设计，才能保证山区高速公路的纵断面设计 是“安全、通畅、经济 的。 因此，研究山区高速公路不同平均纵坡对应的坡长限制指标具有重要的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 通过查阅国外有关资料和国外公路设计手册，国外没有关于平均纵坡的相关设计标 准，相关的研究主要集中于对纵坡和坡长限制的研究、长大下坡路段的安全对策研究等 方面。 美国对纵断面设计控制指标除用最大纵坡和最小纵坡外，还用设计临界坡长。临界 坡长是指满载的载重汽车，在某一指定上坡坡道上行驶时，不发生不合理减速的坡道最 大长度。对连续长大纵坡路段，主要采取其他措施解决上坡的爬坡问题和下坡的安全问 题口8 3 。在连续下坡路段安全设施的研究中，美国最先提出通过设置避险车道降低失控 车辆危险程度，并对避险车道需考虑的因素、设置原则、设置位置及相关辅助设施的设 计进行了详细研究一1 。 美国联邦公路局( f h w a ) 开发的坡道严重度分级系统g s r s ( g r a d es e v e r it yr a t i n g s y s t e m - g s r s ) ，是连续长大下坡路段是否设置避险车道运用最广的分析工具。g s r s 用预 先设定的制动器温度( 2 6 0 。c ) 确定坡道的最大安全下坡速度。最大安全速度为以此速度 第一章绪论 在坡底紧急制动，制动器温度不会超过预先设定的温度限制，g s r s 的主要目标是计算“重 量特定速度 ( w e i g h t s p e c i f i cs p e e d ) 标记值，这个标记值为驾驶员提供不同车重下 坡的最大安全速度，而不是直接确定是否需设避险车道，但g s r s 是用以分析是否需设避 险车道的一个有用工具，它能根据给定车辆总重和纵坡生成主制动器温升曲线，通过判 断主制动器温度是否超过制动器温度限制，确定是否应设避险车道，制动器温度超过温 度限制值的地点即为避险车道理论上的设置位置哺1 。 1 2 2 国内研究概况 目前国内没有关于山区高速公路平均纵坡指标研究，对高速公路单个纵坡和坡长限 制的研究比较多，另外对长大下坡路段的安全问题和安全对策措施等的研究也比较多。 ( 1 ) 对纵坡和坡长限制的研究 哈尔滨工业大学裴玉龙以我国高等级公路上行驶的典型车型( e q l 4 0 ) 为研究对象， 分析高等级公路纵坡、坡长限制问题。利用汽车行驶理论，依据车辆在公路上的理想行 车车速、最低容许车速，得出高等级公路理想纵坡、不限坡长的最大纵坡和车辆在各种 纵坡坡道上行驶的减速距离，并与我国现行规范进行对比分析，参考了美国、日本 的公路路线设计标准，提出了高等级公路的坡长限制值、最大纵坡值，同时给出了陡坡 上设置爬坡车道的纵坡值参考指标呻1 。 交通部公路科学研究所在公路工程技术标准的配套支撑项目“公路纵坡坡度与 坡长限制研究 中，针对我国的主导货运车型与载重吨位，根据实车装载上坡试验，研究 了纵坡与车辆行驶速度以及速度随坡长的变化规律，确定了典型货车( 功率重量比为 9 3 k w t ) 在不同纵坡上的爬坡性能曲线；通过速度折减量与坡长之间的关系曲线，提 出基于运行速度差和满足公路服务水平要求的各级公路最大纵坡与坡长限制值n 0 1 h 1 2 3 。 长安大学石飞荣、杨少伟从车辆动力学角度对山区高速公路车辆上行和下行的最大 纵坡和坡长进行了分析，提出了上行、下行理想最大纵坡、一般最大纵坡、极限最大纵 坡和坡长限制分析值n 4 1 副。 通过调研和资料收集，关于长大纵坡路段的界定标准比较少，只收集到两处关于长 大下坡路段的界定。 2 0 0 7 年全国道路交通安全工作部际联席会议公布的全国和省级督办公路危险路段 标准中对长大下坡路段提出如下界定标准： 国家级长大下坡路段的标准是连续下坡长度大于3 k m ，且平均纵坡大于5 5 。 4 长安大学博士学位论文 省级长大下坡路段的标准为连续下坡长度大于3 k m ，且平均纵坡大于一定纵坡的 路段( 二级公路大于4 o ，三级公路大于4 5 ，四级公路大于5 5 ) 。 同济大学的张小东认为“高速公路的平均纵坡在3 以上，连续下坡坡长大于5 k m 的 路段是长下坡路段”怔1 ，但没有解释这个界定标准的依据。 从国内对长大陡坡的界定，目前还没有一个合适的关于高速公路长大纵坡路段的界 定标准。因此，关于高速公路长大纵坡路段的界定标准也是本文研究的问题之一。在没 有对长大纵坡路段进行界定之前，本文采用“连续纵坡路段”代替“长大纵坡路段 。 ( 2 ) 长大下坡路段的交通事故分析 重庆交通大学徐慧芬等根据下坡路段事故统计资料，分析纵坡、坡长，竖曲线和下 坡衔接平曲线与道路安全的关系，为提高长大下坡路段安全，优化纵面设计提供参考n 引。 西南交通大学的张永生分析了山区长大下坡路段事故成因，得出长大下坡事故的发生与 纵坡和长度有很大关系，长距离下坡更是诱发交通事故的重要原因。针对事故的成因， 提出设置避险车道是解决山区长大下坡路段交通事故多发问题的重要措施n 7 1 。 长安大学冯红运等以国道3 1 2 咸永一级k 1 5 6 2 k 1 5 6 9 段( 马家坡) 的事故数据为基 础，分析运营阶段连续下坡路段事故特征及存在的突出问题，借鉴国内外典型连续下坡 路段安全改造的经验，提出了连续下坡路段的安全改善措施n 引。 清华大学的袁泉分析了八达岭高速公路返京线k 5 5 k 5 0 连续下坡路段的恶性交通 事故和大货车的制动性能，发现大货车的超载问题己成为主要事故隐患，严重危害交通 安全，车辆在长大下坡路段不可避免连续制动，引起车辆制动器发生热衰退现象，制动 力矩明显降低，制动距离延长，严重时造成制动器完全失效，致使车辆失控而追尾、侧 滑翻车或坠入山崖n 9 1 。 ( 3 ) 避险车道的设置研究 合肥工业大学的张建军在分析国内外避险车道设置原则研究的基础上，选定主导车 型，分析了主导车型在长下坡路段等速行驶时采用的各种制动方式，确定以无辅助制动 方式车辆后轮制动器温度为设置避险车道的依据，并依此建立车辆在长大下坡路段行驶 时制动器温度与下坡纵坡、下坡速度和距坡顶距离三者之间的关系模型。根据该模型确 定连续长大下坡路段避险车道的设置原则乜0 。 兰州交通大学周波分析了连续长大下坡路段对道路交通安全的影响，指出了目前解 决长大下坡路段交通事故有效措施一避险车道应用中的各种弊端，提出了减速下坡车道 的概念及研究意义；建立了基于试验的车辆制动器温升模型，改进了制动器温度与车辆 5 第一章绪论 距坡顶的距离、运行速度及下坡纵坡的函数关系，重点对减速下坡车道的设置原则等进 行了研究乜。 张建军和周波均对连续下坡路段的主制动器温度进行了研究，研究提出了类似的预 测模型，即下式： t = 厂( 下坡纵坡g ，下坡速度v ，距坡顶距离s ) 研究中采用的车型均为中型载重车，但提出的模型均没有考虑环境温度的影响，也 没有考虑车辆的重量因素，另外也没有考虑是否有其他辅助制动。 北京工业大学邵杰从八达岭高速公路进京方向k 5 5 k 5 0 事故多发段的事故统计分 析特性出发，详细研究了道路线形、交通安全设施和行驶特性，找出了交通事故个案中 所体现出的共同统计特征和交通事故重复性、持续性的规律，对交通事故黑点成因鉴别 进行了较深入研究，找出了诱发事故多发的主要成因。从道路基础设施改造方案、道路 沿线交通工程设施改造方案、交通管理方案和方案综合及优化等方面提出了治理事故多 发点的措施与建议乜2 1 。 交通部公路科学研究所周荣贵等人通过排除其他影响因素的实地试验，研究了车辆 制动器温度和车辆刹车距离之间的对应关系，研究表明：对应车辆制动效能，制动器温 度在2 0 0 c 以内为安全，在2 0 0 3 0 0 之间为基本安全，超过3 0 0 为不安全，并结合长 下坡路段的交通事故分析，提出了山区公路连续下坡路段平均纵坡和坡长限制要求：在 车辆正常配载、各种制动设备完好的情况下，采取辅助刹车措施后，公路越岭线的平均 纵坡，不应大于5 5 ( 相对高差为2 0 0 m 5 0 0 m ) 和5 ( 相对高差大于5 0 0 m ) ，而且任意相 连3 k m 路段的平均纵坡不宜大于5 5 ，并提出了交通组织和交通管理措施建议，在平均 纵坡达到4 ，连续下坡3 k m 以上时，宜增设紧急避险车道n 引。 长安大学袁伟在对目前常用鼓式制动器结构和工作原理分析基础上，详细研究了鼓 式制动器的摩擦生热过程，并对制动鼓的散热过程进行了分析，以e q l 4 0 型货车为试验 车，在此基础上建立了鼓式制动器温升计算的数学模型，并在相似理论和量纲分析理论 指导下，进行鼓式制动器对流换热实验，得出鼓式制动器对流换热系数引。 ( 4 ) 国内研究现状综述 目前国内尚未对山区高速公路平均纵坡指标进行研究，研究主要集中对高速公路单 个纵坡和坡长限制的研究、长大下坡路段的交通事故分析及安全对策措施、避险车道的 设置研究等方面。连续下坡路段的安全问题较严重，其中与主制动器失效或制动效能降 低有关的事故比例较高。相关研究从不同的方面分析了连续下坡路段的事故原因，并提 6 长安大学博上学位论文 出了一些有效的安全保障措施，特别是对主制动器温升模型的研究，为避险车道的设置 位置提供参考。国内相关研究中采用的车型主要为中型载重车；主制动器温升模型研究 中没有考虑车辆的重量；缺乏对长大纵坡路段的界定标准；没有系统提出连续纵坡路段 的安全保障措施。 1 3 研究内容 本文研究对象为山区高速公路连续纵坡路段的平均纵坡及连续纵坡路段的安全对 策措施，需要研究以下主要内容： ( 1 ) 确定研究平均纵坡的主导车型 从国内车型现状及未来趋势、事故车型两个方面，通过调查分析，确定本文研究的 主导车型。 ( 2 ) 山区高速公路连续纵坡路段交通事故的特点 通过分析我国山区高速公路的安全状况，从事故路段纵坡参数、事故形态、事故成 因、事故主要车型和时间分布几个方面分析总结我国山区高速公路连续纵坡路段的事故 特点，分析道路纵坡和坡长与交通事故之间的关系。 ( 3 ) 连续下坡路段主导车型的制动器温升模型 在分析大货车主制动器热衰退现象、下坡过程中车辆的势能转换和我国目前货车辅 助制动方式基础上，通过路段的场试验和汽车试验场地试验，采用汽车理论分析、回归 分析的方法，分别研究无辅助制动和发动机制动两种情况下主制动器温升预测模型。 ( 4 ) 山区高速公路平均纵坡的指标值 根据山区高速公路平均纵坡的控制性因素，从下坡路段的行车安全，确定山区高速 公路不同平均纵坡和对应的坡长限制指标值。 ( 5 ) 系统提出山区高速公路连续纵坡路段交通安全保障措施 结合长大纵坡路段的交通安全隐患，对上坡路段和下坡路段的安全保障措施进行系 统地分析，提出连续纵坡路段的安全保障措施。 1 4 技术路线 根据山区高速公路的实际情况，以调查资料和现场实验为基本依据，采用数理统计、 理论分析相结合的方法，对山区高速公路平均纵坡进行系统、深入的研究。 调查我国山区高速公路连续纵坡路段车辆类型、事故主要车型，结合未来一段时 7 第一章绪论 间载货车的发展趋势，确定研究平均纵坡采用的主导车型，并确定试验代表车型。 收集我国高速公路连续纵坡路段的交通事故资料，从交通事故路段纵坡参数、事 故形态、事故主要原因、事故主要车型等几个方面，研究高速公路连续纵坡路段交通事 故的特点。 在汽车制动性能理论分析的基础上，通过汽车实验场实验、长大纵坡路段现场制 动实验，建立主导车型制动器温升模型。 重点考虑下坡制动器温度状况，提出山区高速公路平均纵坡的指标值。 结合长大纵坡路段的交通安全隐患，系统地提出上坡路段和下坡路段的安全保障 措施。 1 5 本章小结 本章根据所收集到的国内外与纵坡、长大纵坡及其交通安全分析等方面资料，介绍 了国内外关于山区公路的平均纵坡、纵坡和坡长、长大下坡路段交通分析方面的研究现 状，在此基础上提出了本文拟研究的主要内容和技术路线。 8 长安大学博士学位论文 第二章连续纵坡路段的交通安全性分析 2 1 我国公路交通安全现状 近年，随着国家对基础设施投资的不断加大，高速公路在我国得到快速发展。在1 9 8 9 年高速公路通车里程仅为2 7 1 k m ，至u 2 0 0 0 年已突破l 。5 万公里，至2 0 0 4 年底，全国高速公 路总里程己超过3 4 万公里，居世界第二位，2 0 0 7 年底，高速公路通车里程已达5 3 9 万 公里。但随着高速公路总里程的不断增长，在己通车的高速公路上，交通事故也随之上 升，且事故指标明显高于其它等级公路。 高速公路较普通公路的显著特征是路面宽阔、全立交、交通设施完备，且高速公路 采取了全线封闭等一系列安全措施，排除了行人、非机动车辆对交通的干扰，这为高速 公路的行车安全提供了有效保证，所以高速公路的事故率较普通公路低。在一些发达国 家，一般高速公路上的交通事故发生率仅为普通公路的1 3 1 2 ，甚至更低。据日本 统计，其高速公路每百公里的事故发生率仅为普通公路的1 2 或1 3 ，而交通量却是普通 公路的1 0 倍左右；在美国，其高速公路每百公里的事故发生率仅为普通公路的1 1 0 。而 我国高速公路现阶段交通事故的发生率较国外同类条件要高出许多。据交通管理部门的 统计资料，在过去几年中，我国高速公路交通事故百公里发生率约为普通公路的4 倍， 且多为重大、恶性交通事故。如在1 9 9 7 年我国高速公路每百公里发生交通事故1 8 9 4 起， 同期所有等级公路每百公里发生交通事故1 5 8 起，当年每百公里高速公路交通事故死亡 2 4 8 人，而所有等级的平均指标为4 7 人。可见高速公路单位里程的事故指标高于我国 公路整体水平。同期，西方发达国家高速公路的单位里程交通事故死亡人数一般在1 3 人百公里。 我国地势西高东低，山地、高原和丘陵约占全国总面积的三分之二，特别是中西部 地区地理位置特殊。根据我国高速公路的交通事故的累积规律显示，占高速公路通车里 程约1 4 的山区高速公路，其所发生事故的数量在事故总量中所占比例虽不高，但事故 性质最严重，损失也最大，尤其在一些特殊路段，如连续下坡路段。车辆在连续下坡路 段上行驶，尤其是大中型载重车，由于长时间使用行车制动，使制动器温度急剧上升， 制动“热衰退现象突出，严重时车辆制动能力完全丧失，以致重特大事故经常发生。 因此，连续下坡路段也常常成为“事故多发路段”。 9 第二章连续纵坡路段的交通安全性分析 连续下坡路段严峻的交通安全形势已引起政府相关部门和社会各界的严重关注。为 预防和减少道路交通事故，按照国务院统一部署，2 0 0 4 年初，公安部和国家安全生产监 督管理局研究确定了两部局督办治理的全国2 9 处危险路段，属长大下坡路段的事故多发 路段多达1 6 处( 见表2 1 ) ，占部级督办整治公路危险路段的5 5 2 。 表2 1部级督办整治公路危险路段表【2 9 1 序地 号区 道路名称路段位置主要隐患近年交通事故情况 北 八达岭高速长下坡且弯多，严重超载1 9 9 8 年1 1 月以来，发生事 1 公路k 5 5k 5 0车辆多，长时间使用制动，故1 7 0 起，死4 3 人，伤1 1 1 尿 ( 进京方向)导致制动失灵，造成事故。人。 河2 0 7 国道2 0 0 2 年以来，发生事故4 8 2k 3 8 6 k 3 8 8 连续下坡转弯。 北( 南行向)起，死2 0 人，伤2 0 人。 山 运三高速公 3路勉2 k 1 2 连续下坡转弯。 2 0 0 2 年以来，发生事故1 7 西 起，死2 0 人，伤2 0 人。 ( = 运方向) 内 11 0 国道 坡长路陡，弯道多，视线 2 0 0 3 年7 月以来，发生事 4蒙 ( 东行向) k 3 2 1 k 3 2 5 短。 故1 4 起，死9 人，伤1 9 古 人。 里 2 0 0 2 年以来，发生重大事 5龙 3 0 1 国道 ( 西行向) k 1 2 2 k 1 2 6连续下陡坡急弯。故1 0 起，死2 1 人，伤2 4 江人。 福 3 1 6 国道 1 0 公里上坡、l o 公里下2 0 0 2 年以来，发生事故5 3 6 ( 南平至福k 1 0 3 一k 9 5 建坡，极限弯、极限坡。起，死3 4 人，伤4 0 人。 建) 下坡连续急弯，水泥路面， 2 0 0 2 年以来，发生重大事 江3 2 0 国道车流量大；视距为2 0 米。 7k l l l 5 + 1 5 0 故2 5 起，死2 0 人，伤1 7 西( 双向) 坡度达1 0 ，纵坡长度 1 0 0 米，弯道半径1 2 0 米。 人。 河 1 0 7 国道走马 路面狭窄，坡陡且长，标 2 0 0 2 年以来，发生事故7 6 8岭坡道k 9 3 6 k 9 3 8 南 志设置缺乏且不合理。起，死1 2 人，伤8 6 人。 ( 北行向) 湖3 1 8 国道k 1 3 5 8 2 0 0 0 年来，发生重特大事 9 长陡坡、急弯、一侧悬崖。故1 3 起，死1 8 人，伤1 3 北( 西行向)k 1 3 6 2 + 18 0 人。 湖永慈线连续下坡转弯，弯道后是 2 0 0 3 年3 月3 0 日发生1 1 0k 3 9 + 5 0 0 起特大事故，死1 2 人，伤 南( 西行向)马路市场。 2 1 人。 广 京珠高速公 车辆行至该段已连续下坡 1 1 路粤北段 k 3 9 k 5 2 近1 3 公里，重载车辆长时 2 0 0 3 年4 月3 日开通至8 东间制动，导致刹车失灵， 月2 0 日，发生事故4 0 起， ( 南行向)死2 7 人，伤5 7 人。 造成事故。 1 0 长安大学博上学位论文 四 3 2 1 国道( 大 连续弯道，陡坡，最陡处 1 2 纳公路) k 1 5 7 k 1 5 9 坡度达9 ，多为一侧恳2 0 0 2 年以来，发生事故1 0 5 门l 岩，视践短，常年雨雾天 起，死6 人，伤1 3 人。 ( 北行向) 气，冬季道路易结冰。 自北向南为连续坡道与弯 2 0 0 1 年发生事故4 7 起，死 陕 长武县亭口道组合，平均坡度达5 。 1 5 人，伤2 6 人：2 0 0 2 年 1 3 坡二级公路 k 16 5 0 k 16 5 4 重载车辆因连续使用制 西以来发生事故2 9 起，死2 0 ( 南行向)动，导致刹车失灵造成事 人，伤1 6 人。 故。 长下坡，连续s 形弯道， 甘天谗公路重载车辆连续使用制动，2 0 0 1 年以来，发生事故5 l 1 4 k 7 5 k 6 3 肃( 东行向)导致刹车失灵( 9 0 事故起，死7 2 人，伤9 6 人。 是刹车失灵) 。 1 0 1 省道2 0 0 1 年以来，发生事故l o 1 5 丁 k 3 5 4 k 3 6 l 弯多、坡陡。 夏( 双向)起，死4 人。 新3 1 2 国道 1 8 公里长下坡，下坡终点 2 0 0 2 年以来，发生事故7 1 6k 3 7 3 2 k 3 7 5 0 处为急转弯，且外超高不 疆( 西行向)起，死1 0 人，伤1 1 人。 够。 这1 6 处路段多地处山区，有的路段坡陡，有的纵坡较长，下坡路段存在急弯或连续 急弯，不利安全通行，已连续发生重大交通事故或发生一次伤亡数十人的特大道路交通 事故。且因主制动器失灵而导致的事故最多。相对平均事故水平，连续下坡路段重特大 交通事故的发生率较高，面临的交通安全形势也更加严峻。在山区建设高等级公路，由 于地形和经济条件的限制，连续下坡路段不可避免，随着西部地区公路基础设施建设的 快速发展，连续下坡路段的交通安全问题将会越来越突出。 2 。2 连续纵坡路段事故统计分析 调查统计显示，高速公路上交通事故分布有一定地段性，有一个或多个事故多发路 段，这些事故多发路段发生的事故占高速公路事故总数较大比例。研究这些路段交通事 故的分布规律和统计学特征参数，研究其空间分布、时间分布、事故形态、事故严重程 度等的规律，重点研究交通事故个案中所体现出的共性特征，以发现交通事故重复性、 持续性的规律。 重点收集了我国几条高速公路连续纵坡路段的事故资料，包括云南玉元高速公路、 北京八达岭高速公路k 5 5 - k 5 0 、浙江甬台温高速公路k 1 3 0 k 1 4 3 ，另从有关文献中收集 了一些山区高速公路的相关事故数据。 2 2 1 基础资料 ( 1 ) 玉元高速公路 第二章连续纵坡路段的交通安全性分析 玉溪一元江高速公路是昆曼大通道的重要路段，道路沿线有多处连续坡长超过1 0 公 里以上的长下坡路段，其中从大风垭口隧道至红光长下坡路段长达2 7 公里。全线许多地 段纵坡高达6 ，因弯多、弯急、坡陡、坡长等的影响，车辆事故比较频繁，自2 0 0 3 年通 车至2 0 0 5 年3 月止，元江境内发生各类交通事故1 2 5 起，其中1 4 起重大死亡事故，造成2 4 人死亡，4 9 人受伤，1 4 起重大死亡交通事故均是大货车超载和下坡车辆失控造成。 该路全线分为平原微丘区和山岭重丘区两段，平原微丘区设计速度v = 1 0 0 k m h ，山 岭重丘区设计速度v = 6 0 k m h 。 表2 2玉元高速公路路段基本资料 序号图纸桩号平均纵坡( )坡k ( k m )相对高差( m )最大纵坡( ) 1k 1 3 0 k 1 4 0 4 1 71 04 1 76 2 k 1 5 0 + 9 8 0 k 1 6 13 4 0 1 0 0 2 3 4 0 8 3 6 3k 1 6 7 + 6 2 0 k 1 7 6 + 2 2 0 3 1 38 62 6 8 8 36 4k 1 7 6 + 4 0 0 k 1 7 9 + 3 0 03 4 32 99 9 54 5 5k 1 8 2 + 7 5 0 k 1 8 6 + 1 0 02 9 13 3 59 7 4 25 8 6k 1 9 0 k 2 0 13 8 21 14 1 36 ( 2 ) 八达岭高速公路 八达岭高速公路南起北三环马甸桥，北至延庆县康庄，全长约7 0 公里，其进京方 向k 5 0 - - 一k 5 5 区段为连续下坡路段，坡长、高差大、弯道多，自建成后交通事故频发， 平均每年发生交通事故2 0 起以上，加之该段道路路侧为高陡山崖，群死群伤的重特大 交通事故时有发生。自1 9 9 8 年1 1 月开通至2 0 0 3 年5 月，共发生交通事故1 6 7 起，伤1 0 3 人，死亡3 6 人。 该路设计标准为山岭重丘的高速公路，设计速度v = 6 0 k m h 。事故收集路段长度约 6 6 公里，高差2 3 4 3 3 米，路段基本资料如表2 3 。 ( 3 ) 甬台温高速公路 甬台温高速公路台州段k 1 2 9 + 7 3 5 k 1 3 9 + 8 5 6 ( 吴岙枢纽立交一临海北立交) 地处 甬台温高速公路与上三高速公路分汇流处，交通量大，在k 1 3 3 + 7 2 6 前为3 9 9 k m 的连 续上坡，其后为6 1 3 k r n 的连续下坡，坡长、高差较大。该段平均纵坡较小，但自建成 后交通事故频发，重特大交通事故时有发生。该路段2 0 0 4 年1 2 月2 0 日至2 0 0 7 年5 月 2 0 日2 9 个月时间中，共发生交通事故1 0 9 6 起，其中死亡事故1 1 起和伤人事故2 8 起， 共造成1 4 人死亡、8 5 人受伤，每年平均每公里死亡1 4 人，事故造成的人员伤亡和财 1 2 长安大学博士学位论文 产损失严重，已连续三年被列为浙江省省级事故黑点。 表2 3八达岭高速公路路段基本资料 纵坡坡长相对高差平均纵坡 序号图纸桩号路段里程桩号 ( )( m )( m ) 坡长( m ) 1k ll + 2