解读山区高速连续长下坡设计方法与指标

文|中交第一公路勘察设计研究院 郭腾峰

本文结合《公路路线设计规范》修订过程，综述相关调查研究的主要结论，解读相关指标来源和依据，详细解答了如何根本性破解长下坡安全问题，并简要总结山区高速公路连续长下坡的纵坡设计方法和指标。旨在呼吁各地和工程专业技术人员，充分理解《规范》指标的来源和依据，客观认识长下坡安全问题的本质，克服以往经验认识和习惯做法，科学、灵活地进行山区高速公路纵坡设计。

近年来，我国山区高速公路连续下坡路段货车失控事故多发、频发，引起社会各界的广泛关注。在现行《公路工程技术标准》和《公路路线设计规范》（以下简称《规范》）发布实施后，《规范》修订组陆续收到一些关于长下坡设计方法与指标的咨询函件，内容主要涉及以下方面：长下坡问题的本质是什么，如何解决？下坡中“缓坡”行驶，驾驶员为让制动毂降温，很少踩刹车制动，但《规范》为什么没有设置“缓坡”方法和指标？基于经验和习惯做法，长下坡采用“陡缓结合”的设计方法是否正确？连续长下坡设计中，应该如何设计纵坡？《规范》新增的平均纵坡指标，比经验值更大、更宽松是否安全？

本文结合《规范》修订过程，综述相关调查研究的主要结论，解读相关指标来源和依据，详细解答了如何根本性破解长下坡安全问题，并简要总结山区高速公路连续长下坡的纵坡设计方法和指标。

Q：长下坡安全问题与纵坡设计有关吗？如何破解？

A：通过专题调研发现，一方面，我国山区高速公路连续长下坡路段事故多发、频发的直接原因在于货车超载、超限、超速等违法行为，以及驾驶员未按规定使用辅助制动系统、非法改装车辆等。

另一方面，由于国内货车逐渐趋于大型化，车辆总质量增加数倍，导致货车整体性能下降，功率质量比下降约40%，车辆下坡持续制动能力显著降低，也是引发货车交通安全事故的重要因素。

综上所述，我国山区高速公路长下坡安全性主要与“人”和“车”两方面因素相关。其中，货车大型化导致车辆整体性能下降、持续制动装备落后等问题，是长下坡安全问题的深层次矛盾和根结。

调查试验揭示，在人和车等因素合法、合规前提下，我国已建的山区高速公路长下坡路段均可供货车安全通行。因此，结合上述调查研究结论，要想彻底解决货车连续下坡中的安全问题，首先必须对标国际货车性能标准，提升货车总体性能和装配条件。具体而言，要提升货车功率质量比达到每吨8.3千牛及以上。同时，将货车装配升级换代，采用持续制动效能更高、更稳定的辅助制动系统，如缓速器等。其次，必须加强山区高速公路长下坡路段的通行管理和交通组织，杜绝车辆各类违法、违规行为的发生。

鉴于此，《规范》修订阶段修订组专门向交通运输部提交了相关专题研究报告和对货车生产制造相关国家政策性的意见和建议。

Q：长下坡设计中，需要考虑“缓坡”吗？

A：公路行业《规范》中的“缓坡”概念，是在上坡方向的基础上提出的。当货车在连续爬坡过程中，速度不断降低，导致路段通行能力显著下降时，通过有意识设计“缓坡”，能够为车辆创造一个短距离提速的条件。根据汽车连续爬坡过程中的速度折减表现，上坡方向“缓坡”的坡度一般控制在3%以下。

众所周知，货车在山区高速公路连续下坡过程中，如果驾驶员连续踩刹车制动，会导致制动毂温度过高，逐渐失去制动效能，最终导致车辆失控。这也是我国山区高速公路连续长下坡路段货车失控的主要原因和表现。因此，有人认为，如果在长下坡路段中设置“缓坡”，车辆在缓坡路段行驶时，驾驶员很少踩刹车，这样有助于制动毂自然降温，恢复其应有的制动效能。

显然，这种观点是错误的，上坡方向“缓坡”和下坡方向“缓坡”的目的和性质截然不同。因此，在各类公路项目设计中，不能混淆“缓坡”概念，更不能把上坡方向的“缓坡”设计方法和思路，照搬到下坡方向纵坡设计当中。

Q：为什么《规范》没有给出长下坡中“缓坡”的设计指标？

A：准确地说，《规范》（2017版）确实没有给出长下坡中“缓坡”的设计指标，但并非因为《规范》缺乏调查研究，而是因为通过专题试验发现，在连续长下坡过程中设置“缓坡”并没有实际意义，也不具备工程可操作性，因此《规范》不推荐在长下坡中专门设计“缓坡”。

根据汽车下坡运动方程、制动原理和货车制动毂温度变化模型，汽车下坡行驶过程总体符合能量守恒定律，即该过程近似于一个机械势能转化为车辆动能和热能（制动毂温度）的过程。例如，在某山区高速公路起终点位置和相对高差基本确定的前提下，路线设计采用“平均坡度4%（长度5公里）”的方案与采用“平均坡度3%（长度6公里，增设缓坡）”的方案，对制动毂温度变化影响很小。即在最大纵坡范围内，“陡而短”的纵坡组合与长而缓”纵坡组合相比差异不大。

另外，制动毂一般为灰铸铁材质，在车辆行驶过程中，其自然降温的速度很慢。一组试验显示，在车辆以每小时60公里的速度行驶时，要使制动毂自然降温10摄氏度，需要约10分钟以上时间，而此时汽车行驶距离至少10公里。在山区高速公路设计中，设置几公里以上的缓坡显然不具备可操作性。

因此，《规范》（2017版）修订中明确，连续长下坡路段设计中，不推荐有意识设置“缓坡”，即不推荐“陡缓结合”的设计方法（上坡方向需要设置的缓坡除外）。

Q：控制长下坡设计的指标是什么？有什么依据？

A：尽管解决山区高速长下坡安全问题的关键并不在于高速纵坡指标，也不在于纵坡如何组合设计，但本着负责任的态度，《规范》从我国当前货运主导车型的性能条件和升级换代周期等实际情况出发，通过配套专题充分试验、研究和论证，选择以发动机辅助制动（即排挡制动）模式为基本工况条件，通过试验研究建立了货运主导车型——六轴铰接列车的制动温度控制模型；以制动毂温度不超过200摄氏度为安全条件，提出了“《规范》表8.3.5连续长、陡下坡的平均坡度与连续坡长”，如表1所示，作为现阶段指导高速和一级公路连续性长下坡设计与评价性的推荐性指标。

表1 连续长、陡下坡的平均坡度与连续坡长

需要特别说明的是，表1基于的“发动机辅助制动模式”，与排气辅助制动模式比较，相对更安全、更保守。因为采用排气制动模式下，得出的平均纵坡坡度和坡长将会更大、更长。因此，在我国汽车制造标准强制性要求所有车辆出厂必须装配辅助制动系统（国内普遍装配的是“排气制动系统”）前提下，表1中的数据已经是相对保守、偏于安全的指标了。

这样，单从下坡方向考虑，《规范》（2017版）中指导和控制纵坡设计的指标主要有以下两个部分：

最大纵坡坡度

《规范》中各级公路的最大纵坡设计标准如“表8.2.1”即表2所示。

表2 最大纵坡

连续长、陡下坡的平均纵坡（检验性指标）

《规范》中高速和一级公路连续长、陡下坡路段的平均坡度与连续坡长设计标准如表1所示；若超出《规范》设计标准时，应及时进行交通安全性评价，提出路段速度控制和通行管理方案，完善交通工程和安全设施，并论证增设货车强制停车区。

Q：连续长下坡路段，如何设计纵坡？

A：受限于公路行业标准规范的体例和形式要求，《规范》条文内容不能完整地讲述工程设计方法和流程。因此，笔者结合相关工程实践，总结了《规范》（2017版）推荐的“山区高速公路纵坡设计方法和流程”。

首先需要明确，在连续上坡方向高速公路纵坡设计的重点在于保证路段通行能力，而下坡重点在于保障连续下坡的通行安全性，因此，山区高速公路选线、方案优化、纵坡设计，应区分整体式和分离式路基、区分上坡和下坡方向等情况。

整体式

对采用整体式路基断面的路段，主体先依照《规范》对上坡方向的指标和要求设计纵坡（包括采用缓坡），因为与下坡方向的指标限制相比，上坡方向指标受限更多，然后再对照《规范》第1条从下坡方向对纵坡设计进行检验、评价。

分离式

对采用分离式路基断面的路段，上坡方向完全按照《规范》对上坡方向的指标和要求设计纵坡，包括在连续上坡中间，结合地形条件合理设置缓坡；当路段运行速度、通行能力明显降低时，论证设置爬坡车道等措施；下坡方向则以表2中的数据为控制指标，以表1中的数据为检验参考指标，结合沿线地形、地质等起伏、变化条件，灵活设计纵坡。

当初步方案的平均纵坡与坡长小于表1参考指标值时，纵坡深化设计主要考虑顺应地形起伏变化、填挖平衡、工程量最小等因素，包括保证上坡方向的通行能力和服务水平。

当初步方案的平均纵坡与坡长大于表1参考指标值时，可重新选线或采用隧道方案降低路段起终点的相对高差，或在起终点相对高差条件比较固定时，在路段中间位置合理设置货车强制停车区，通过强制停车区将原连续长下坡路段分为两个或两个以上的连续下坡路段，同时，通过交通安全性评价，明确路段速度控制和通行管理方案。必要时，重复以上步骤和过程，直到上坡和下坡的角度和各项指标均满足《规范》要求。

以上设计方法和流程仅为概述性质，具体工程设计中应结合实际情况，因地制宜，灵活运用。

Q：与上坡方向比较，长下坡设计方法有哪些不同？

A：基于货车上坡、下坡的综合能力与对应坡度、坡长等对比，可以得出“高速公路纵坡设计主要受车辆上坡性能条件控制”的结论。与上坡方向相比，下坡方向纵坡与坡长均可以更大、更长，即下坡方向可灵活设计、掌握的空间更大，受限制更少。同时，由于以往公路设计、建设以整体式路基断面为主，而在整体式路基的公路纵坡设计中，上坡方向的纵坡组合必然也同时决定了下坡方向的纵坡条件，因此，以往公路纵坡设计主要从上坡方向考虑较多。在本质上，上坡方向纵坡设计重点在于解决连续上坡路段的通行能力和服务水平问题。

但在我国货运车辆大型化发展、车辆整体性能和持续制动不足等情况下，山区高速公路纵坡设计出现了新的关键点——下坡方向的安全性问题。于是，即便同样是整体式路基断面，现在高速公路连续纵坡设计也必须从下坡方向考虑。需要对照表1中的指标参数，对平均纵坡进行检查和评价。

需要特别强调的是，在采用分离式路基的下坡方向，纵坡设计最终只受到表2和表1中的指标限制。从“法无禁止即可为”的原则出发，相对于整体式路基而言，分离式路基的下坡方向纵坡设计灵活展线、优化设计的空间更大，且不需要有意识设置缓坡。工程师可以把重点更多地放在填完平衡、工程量最小，以及其他控制因素方面。

Q：长下坡路段采用“一坡到底”的纵坡方案，可行吗？

A：有专业技术人员提问，某山区高速公路，设计行车时速为10 0公里，在分离式路基下坡方向对照《规范》，如果采用3.5%、长度9公里，一坡到底的方案可行吗？符合《规范》要求吗？

在本质上，上坡方向纵坡设计重点解决连续上坡路段的通行能力和服务水平问题。

答案是肯定的，尽管山区地形起伏变化大，加上受桥隧构造物布置等制约影响，实际工程不会采用“一坡到底”的纵坡设计方案，但从《规范》符合性角度而言，只要平均纵坡坡度与坡长在表1的范围之内，采用3.5%的坡度、“一坡到底”，符合《规范》要求。

前文曾重点述及表1的参考值是根据专题试验研究、实车现场试验等，在货车主导车型采用发动机辅助制动——偏于保守、安全的工况条件下得出。只要驾驶员不违法、违规驾驶，完全可以安全通行。如果驾驶员正确使用辅助制动系统，安全连续下坡的坡度、坡长还可以更大、更长。

回顾《规范》修订过程，长下坡安全问题是我国现行公路技术标准规范修订中的焦点问题。虽然，配套专题研究早在2014年就已经完成，但由于问题复杂、涉及面广、结论与经验认识差异大等原因，随后进行了长达两年时间的再研究、检验和验证工作，最终才在2017版《规范》中发布实施。

客观而言，专题研究提出的“连续长、陡下坡平均纵坡指标”，有充分的调查研究基础，有科学的数据结论支撑，还经过了各层级、跨行业的反复审查、评审。在《规范》（2017版）正式发布实施之后，意味着该指标已经不只是一项研究成果，而是经过行业审慎研究确定的、山区高速公路设计的直接依据。

本文再次综述高速公路连续长下坡设计方法与指标，旨在呼吁各地和工程专业技术人员，充分理解《规范》指标的来源和依据，客观认识长下坡安全问题的本质，克服以往经验认识和习惯做法，可以科学、灵活进行山区高速公路纵坡设计。