基于交通事故多發位置的區間平均縱坡控制指標研究

林宣財，張旭豐，王 佐，吳善根，李 濤

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司, 陜西 西安 710075)

0 引言

近40 a我國高速公路建設成就令世界矚目，到2012年，我國高速公路通車總里程達到9.62×104km，超過美國的9.2×104km，居世界第一。到2019年底，通車總里程為14.96×104km，形成了完善的全國高速公路網。但山區高速公路由于受到地形、工程造價限制，縱斷面常會采用連續下坡進行設計。根據調查，連續長大縱坡路段交通事故率明顯高于一般路段，《公路路線設計規范》(JTG D20—2017)(以下簡稱《路線規范》[1])指出，我國目前貨運主導型車輛仍為6軸鉸接列車，其功重比為5.2 kW/t，美國AASHTO[2]規范給出的貨運主導車型功重比8.3 kW/t，相比明顯偏低，也不符合以往研究中給定貨車主導車型和功重比[3-4]，顯然這是連續長大縱坡路段交通事故多發的主要致因，但平均縱坡與交通事故也必然存在相關性。

國內外對連續下坡交通安全性問題開展了較多研究，主要有針對連續下坡路段的交通事故進行統計分析[5-7]，建立相關的制動轂溫度模型[8-10]，并相應地提出改善措施，如避險車道[11-12]、交通管理[13-14]等。澳大利亞的Austroads[15]對貨車駕駛員進行問卷調查并查閱文獻，研究了連續下坡路段貨車失控的嚴重事故，給出了剎車升溫模型、輔助制動系統的原理與駕駛員培訓內容，以確保貨車駕駛員與其他道路使用者的安全。法國研究人員[16]認為，在長大下坡中設置緩坡，將造成行車速度回升，使得長大下坡更加危險。王博[17]分析貨車在縱坡路段的運行特性，從理論上確定了主導車型加速上坡和減速沖坡的換擋速度，提出平均縱坡指標。曹杰[18]利用經驗公式計算出不同海拔高度不限坡長的臨界坡度值，并從無輔助制動和發動機制動2種情況分析計算相應的緩坡坡長值。潘兵宏[19]收集了大量相關資料和文獻，通過路段試驗、場地試驗和理論分析，提出了山區高速公路平均縱坡和坡長限制的指標值。廖軍洪[20]用運營安全風險因子分析連續長大下坡路段不利安全因素，基于駕駛感受、車輛操作行為特征與線形指標關系，建立長大下坡路段平縱線形指標與駕駛負荷定量關系模型，優化了連續長大下坡路段縱斷面指標。

在2017年版《路線規范》頒布前，我國規范對高速公路連續長大縱坡路段平均縱坡沒有規定。由于我國山區占比大，為克服高差，山區高速公路采用陡緩陡拉坡現象較為普遍，出現較多連續長大縱坡路段。2017年版《路線規范》對高速公路、一級公路連續長大陡坡路段的平均縱坡與連續坡長進行了規定，其中平均縱坡3.5%的連續坡長為9.3 km，平均縱坡3%的連續坡長為14.8 km，這些規定較嚴，但平均縱坡≥4%的連續坡長值規定相對較松。如果連續長大縱坡路段較長，即使全路段平均縱坡小于2.5%，在縱斷面設計時中間任意區間容易出現平均縱坡≥4%，連續坡長≥3 km的陡坡路段，并可能成為交通事故多發區域。陡坡路段平均縱坡越大，連續坡長越長，交通安全風險越大。本研究通過對已建高速公路平均縱坡控制情況和連續長大縱坡路段交通事故多發區域區間平均縱坡的調查分析，提出高速公路連續長大縱坡路段中相對高差小于300 m的任意區間平均縱坡控制指標，為連續長大縱坡路段安全性優化設計提供參考依據。

1 高速公路平均縱坡控制指標相關規定合理性分析

山區高速公路連續長大縱坡路段交通事故多發的誘因非常復雜，所以一直到2017年版《路線規范》對連續長大縱坡路段平均縱坡指標才有明確的規定。早期在《公路路線設計細則》(2009年總校稿)(以下簡稱《設計細則》)配套課題“山區高速公路平均縱坡研究”已有一些研究結論。該課題研究期間正是我國高速公路連續長大縱坡路段重大交通事故的高發期，所以平均縱坡指標取值偏于保守。課題研究從對山區高速公路連續長大縱坡交通事故特點、主要誘因進行調查分析，建立制動器外部溫升預測模型，提出有無發動機輔助制動方式下平均縱坡與連續坡長的關系。相關結論為：相對高差大于300 m時平均縱坡宜控制在2.5%，區間相對高差小于300 m時對任意連續坡長的平均縱坡提出指標控制要求，見表1，即組成平均縱坡雙控指標。

表1 山區高速公路平均縱坡與連續坡長

相對高差大于300 m時，平均縱坡相差0.1%～0.3%，對路線里程及工程造價的影響都很大，特別是相對高差大于500 m時。但平均縱坡相差0.1%～0.3%對交通安全的影響有多大，至今仍缺少確定的結論，所以平均縱坡宜控制2.5%的掌握有較大爭議。區間相對高差小于300 m時，對任意區間不同平均縱坡度的連續坡長提出要求，是基于當時連續長大縱坡重大交通事故多發的現狀考慮，當時調查發現，平均縱坡3%連續坡長大于4 km，或平均縱坡4%連續坡長大于3 km，交通事故率開始明顯增加，目前調查結論還是如此，所以縱坡設計應接近于平均縱坡，有利于交通安全，所以提出表1的規定。該表對2%和2.5%的平均縱坡也限制連續坡長，較多專家認為沒有必要；對3.0%和3.5%的平均縱坡所限制的連續坡長認為明顯偏短。由于種種原因，《設計細則》沒有出版，所以2017年版《路線規范》頒布之前，山區高速公路連續長大縱坡設計基本上僅參考《設計細則》中相對高差大于300 m時平均縱坡宜控制在2.5%的規定掌握。

2017年版《路線規范》規定了對高速公路、一級公路連續長、陡下坡路段的平均坡度與連續坡長，詳見表2?！堵肪€規范》中平均縱坡小于2.5%的連續坡長不限，與《設計細則》中相對高差大于300 m時平均縱坡宜控制在2.5%的的規定相一致?！堵肪€規范》中其他各級平均縱坡度對應的連續坡長是基于相對高差小于500 m的研究結果，所以相對高差小于300 m時的相關規定要求較松，執行規范時較容易滿足要求，但造成拉坡隨意性仍然較大。

表2 高速公路平均縱坡與連續坡長

2 已建高速公路平均縱坡控制依據及現狀調查分析

2.1 2008年以前建成通車的高速公路項目平均縱坡控制

1988年首條高速公路正式通車，到2008年底建成6.03×104km，我國總里程3.5×104km的“五縱七橫”國道主干線已基本貫通。其中在1998年前約10 a建成通車的高速公路里程僅8 733 km。1998年至2008年的第2個10 a，年均通車里程5 157 km，是我國高速公路建設飛速發展時期，使我國“五縱七橫”高速公路國道主骨架網比原規劃提前13 a完成。也正是此期間，高速公路從東部迅速發展到西部，從平原、丘陵地帶快速進入山區。山區地形地質條件復雜，高速公路建設延伸進入山區后，因地形起伏大，必然需要采用規范規定的最大縱坡值及最大限制坡長拉坡。此時期建成通車的高速公路主要設計依據是1997年和2003年版《公路工程技術標準》(以下簡稱《標準》)、1994年版《公路路線設計規范》、1995年版《公路工程基本建設項目設計文件編制辦法》(以下簡稱《編制辦法》)。那時的標準和規范僅規定“二級、三級、四級公路越嶺路線連續上坡(或下坡)路段，相對高差為200～500 m時平均縱坡不應大于5.5%；相對高差大于500 m時平均縱坡不應大于5%，且任意連續3 km路段的平均縱坡不應大于5.5%”。由于我國山地、高原和丘陵占陸地面積約69%，盆地和平原僅占陸地面積31%，在缺乏規范相關規定的情況下，高速公路出現大量的連續長大縱坡段落。盡管2000年前后對北京八達嶺高速公路交通事故多發與剎車失靈頻發現象展開了研究，但在執行1994年版《路線規范》過程中，設計者對連續長大縱坡缺乏完整的概念，為了克服高差和降低工程造價，仍然采用最大縱坡+短緩坡段連續拉坡；最大縱坡為5%時，任意連續3 km平均縱坡較容易超過4.25%，任意連續5 km 以上平均縱坡在3.5%左右的情況較多，但任意連續10 km平均縱坡超過4.0%的較少。表3僅統計了一些較為代表性的項目，全國類似項目非常多。

表3 連續長大縱坡路段調查表

2.2 2008年以后建成通車的高速公路項目平均縱坡控制

2008年至2019年新增總里程8.93×104km，年均通車里程8 118 km，是我國高速公路建設跨越式發展時期。此時期建成通車的高速公路主要設計依據是2003年版《標準》、2006年版《路線規范》、2007年版《編制辦法》。盡管當時在修訂標準與規范時已對連續長大縱坡路段開展了較多的研究，但研究結果難以支撐在標準與規范層面提出較為明確的設計指標或具體規定，2007年版《編制辦法》在公路總體設計圖表示例中提出要統計連續長大縱坡路段的平均縱坡度，以供路線方案綜合比選時參考。由于相對高差大于300 m時，平均縱坡對山區高速公路工程規模影響非常大，我國山區占比大，云貴川等西部省山區占比超過80%，相對高差大于 300 m 情況非常多，為了合理控制工程造價，各省對平均縱坡的掌握非常慎重。2008年之后，雖然全國交通事故發生總數及傷亡人數均趨于平穩，但高速公路因剎車失靈發生重大交通事故的現象仍然持續發生，迫使一些省參照《設計細則》規定執行，即平均縱坡控制在2.5%左右，有些省控制在3%以內，極少數省沒有進行控制或通過論證后平均縱坡仍然采用大于3%的連續長大縱坡。

根據《路線規范》對最大縱坡、坡長限制的規定，如果采用極限指標拉坡，如設計速度為80 km/h時，采用最大縱坡4%及最小緩坡長度時最大平均縱坡達3.82%，最大縱坡為5%時最大平均縱坡達4.55%，最大縱坡為6%時最大平均縱坡達5.14%。顯然，現行《路線規范》中平均縱坡2.5%時連續坡長不限、平均縱坡3.0%時連續坡長14.8 km與平均縱坡3.5%時連續坡長9.3 km的規定，在長大縱坡路段中相對高差小于300 m的任意區間平均縱坡沒有控制。已建高速公路連續長大縱坡路段平均縱坡控制指標的現狀調查分析表明，拉坡隨意性仍然較大，連續長大縱坡路段局部區間較容易出現平均縱坡大于4%、連續坡長大于3.0 km的陡坡段落，可能成為交通事故多發位置。區間平均縱坡越大，連續坡長越長，交通事故多發的安全風險也越大。

2.3 高速公路連續長大縱坡路段交通現狀調查分析

(1)根據調研，既有高速公路不同的連續長大縱坡路段交通事故率差異較大。平均縱坡較大，連續坡長較長，交通事故率一般較高，但也有一些路段交通事故率總體較低。有些路段平均縱坡較小，但連續坡長較長，所以交通事故率也較高。

(2)由于高速公路連續長大縱坡路段交通事故多發的誘因眾多，偶發機理非常復雜，到目前為止，盡管國內外相關研究成果較多，但至今尚未得出適用于全國不同地區的“不同的平均縱坡度所對應的安全坡長”的研究結論。

(3)交通事故多發主因是超載、超速和人為因素造成的；加強車輛與交通管控能有效降低已建高速公路交通事故率。已建高速公路不符合現行《路線規范》規定的連續長大縱坡路段非常多，通過交通管控等綜合措施的應用，我國從2010年之后，交通事故率得到了有效控制，已基本遏制重大交通事故的發生。

3 高速公路連續長大縱坡路段交通事故多發位置的調查研究

通過對事故多發段位置的調查，發現連續長大縱坡長度在15 km內，交通事故多發位置一般在靠近坡底位置。大于15 km，特別是大于30 km以上，事故多發位置一般在中間的較大縱坡路段，典型案例見表4。

表4 交通事故多發路段多發位置及平均縱坡指標

(1)京珠高速公路某段案例

該高速公路通車當天就發生交通事故，之后的短短3 a，長109 km路段死亡500多人，且大貨車失控追尾占80%。交通事故集中在3個點，占70%，事故最多路段不在北行最長的路段，也不在南行的最后一段，而在南行K49～K52路段，即在第1段13 km的連續下坡坡低附近，因為該段區間平均縱坡最大。通過對標志標線、減速帶、加水站等的設置或改造，交通事故明顯減少，采取綜合交通安全保障措施效果顯著。但治標不治本，因剎車失靈發生重大事故的風險仍然存在。

(2)京昆高速公路某段案例

高速公路全長約85 km，全線地形條件復雜、工程規模大，橋隧占82%，其中橋梁占65%，隧道占17%，建設投資大。本段設計速度60 km/h，路基寬度20.0 m，最小平面半徑175 m，最大縱坡5%，其中K76+500～K33+000路線長約43.5 km，平均縱坡2.55%。但交通事故多發路段在樁號K58+600～K49+080的9 520 m范圍，見圖1。該段區間平均縱坡最大為3.81%，其中大于4.0%縱坡8段，總長5 693 m，占比約60%，最大縱坡5%/750 m。

圖1 京昆高速公路某段連續長大縱坡縱斷面縮圖

4 基于交通事故多發位置的任意區間平均縱坡控制指標研究

4.1 區間平均縱坡與交通事故相關性的研究

(1)根據相關研究[18]，交通事故多發生在區間平均縱坡大于3%的路段，約占69.12%。當平均坡度為3.0%～3.5%時，第1個事故多發段距離坡頂的距離為6～10 km。平均坡度越小，事故多發段距離坡頂的里程相對越長，即使平均縱坡相對較小，隨著坡長的增長，也有事故集中發生點，且多發生在單坡4%以上的路段。當平均縱坡大于4.0%以上，盡管連續坡長較短，也極易發生交通事故。

(2)根據潘兵宏[19]的研究，平均縱坡與交通事故的關系如圖2所示，曲線A的縱坡拐點位于2%～3%之間，接近2.5%，坡長約7.5 km。曲線B的縱坡拐點位于1%～2%之間，接近1.3%。從圖2可知，當高速公路平均縱坡大于3%以上時，事故率迅速上升，且坡度越，事故車輛所行駛的距離越短。當高速公路平均縱坡小于2%以下時，車輛發生事故的概率越來越小。連續長大縱坡路段交通事故多發位置的研究結論與該研究成果基本一致。

圖2 平均坡度與交通事故的相關性

(3)圖3為德國交通事故率與縱坡的關系曲線?？梢钥闯?，當縱坡小于2%時，上、下坡事故率基本相同，且事故率較低；當縱坡在2%～3%時，下坡事故率開始大于上坡；當縱坡大于3%時，上坡事故率上升緩慢，而下坡事故率明顯上升，隨著縱坡的增大，事故率迅速增加。

圖3 德國高速公路縱坡與事故率的關系

4.2 不同平均縱坡度與安全坡長的相關研究

(1)陳富堅等[21]以貨車制動器制動效能下降的臨界安全溫度作為約束條件，建立了貨車下坡過程制動器溫升模型的功能函數，提出了縱坡可靠性計算模型的求解方法，并通過工程案例驗證了可靠性設計方法的合理性?；诳煽啃栽O計方法，目標可靠度設定為0. 999 8，即可靠度指標為3.5，計算得出高速公路連續下坡路段不同平均縱坡度所對應的最大安全坡長，見表5。載質量均值μm=18 t，標準差σm=11.4 t，車速分布均值μm隨著平均縱坡的增大而減小，標準差σm變化范圍為7.62～5.67 km/h。不同平均縱坡度所對應的連續坡長均較現行《路線規范》規定值小。

表5 高速公路不同平均坡度對應的最大安全坡長

(2)楊宏志等[22]通過采用 DHS-130XL 紅外觀測儀測量車輛制動轂溫度, 建立了貨車制動轂溫度預測模型，以制動轂溫度200，220，260 ℃所對應的連續坡長分別作為安全坡長、一般最大安全坡長、極限最大安全坡長。以30 t貨車為標準車型,下坡路段的運行速度取60 km/h, 不同平均縱坡所對應的坡長(括號內數字為推薦坡長)見表6，極限最大安全坡長除了平均縱坡為3.5%外，其余均較現行《路線規范》規定值大，但一般最大安全坡長與安全坡長的推薦值均小于現行《路線規范》規定值。

表6 高速公路不同平均坡度對應的安全坡長

(3)蘇波等[23]利用高速公路實地制動鼓測溫試驗的數據, 對美國 GSRS中的制動鼓溫度預測模型進行修正，以此模型為基礎，當車輛總重為60 t的車輛以 60 km/h的速度在長大下坡路段連續下坡時，計算得出連續坡長的限制長度，見表7。該研究結論也較現行《路線規范》規定值小。

表7 不同平均縱坡下的坡長限制

(4)法國高速公路ICTAAL要求，下坡路段坡度大于3%，水平高差大于130 m，建議設置慢車專用道，即平均縱坡大于3%，連續坡長大于4 333 m，需要設置慢車專用道。該指標較《設計細則》和《路線規范》規定更嚴格，《設計細則》僅規定平均縱坡3%路段長度不宜大于4 km，沒有要求設置慢車道。

4.3 避險車道設置位置及間距的研究

《公路避險車道設計細則》(征求意見稿)對設置避險車道的平均縱坡和坡長進行了規定，見表8，連續坡長大于表中的長度，且交通組成的貨車構成比例達到 20%～30%時，宜結合交通安全性評價結論考慮設置避險車道。同時對設置避險車道的設置位置及間距進行了規定，見表9。設置避險車道的要求較現行《路線規范》規定值小。

表8 設置避險車道的平均縱坡和連續坡長

表9 設置避險車道的位置和間距

4.4 縱坡設計采用單一縱坡安全性的研究

廖軍洪[21]根據四川、廣東、云南等省長大下坡的調研，選取坡長分別為 7. 5，10，15，20，25，30，50 km的7個典型長大下坡作為研究對象，基于長大下坡貨車制動器溫升特性，采用單一坡度和設置緩坡2種展線形式對制動器溫度影響的對比分析結果，提出長大下坡縱坡設計建議：(1)從降低貨車下坡過程中制動器溫度角度考慮，應盡可能采用單一縱坡坡度設計；(2)當長大下坡相鄰坡段采用不同縱坡坡度時，坡差不宜過大，以減小對制動器溫度的影響；(3)車輛總質量對貨車制動器溫度影響明顯。

4.5 高速公路連續長大縱坡路段任意區間平均縱坡控制指標的確定

4.5.1 任意區間平均縱坡控制指標確定依據

通過對高速公路連續長大縱坡路段交通事故多發位置的調研和對既有研究成果總結梳理后，確定任意區間平均縱坡控制指標的主要依據如下：

(1)根據區間平均縱坡與交通事故相關性研究[19-20]，平均縱坡在3.0%～3.5%時，連續坡長宜控制在6～10 km。

(2)研究表明，縱坡設計采用單一縱坡有利于交通安全[21]，為了控制縱坡設計接近全路段的平均縱坡度，應控制平均縱坡≥4%的路段連續坡長不宜≥3 km。采用最大縱坡及最大坡長與最大緩坡及最小長度組合設計時，連續拉坡宜控制在2次內。

(3)根據制動鼓溫升模型的相關研究[22-24]，從降低連續長大縱坡路段安全風險考慮，有必要針對相對高差小于300 m的任意區間平均縱坡所對應的連續坡長進行限制。

4.5.2 任意區間平均縱坡控制指標

綜合以上研究，結合我國現行《路線規范》對最大縱坡與坡長限制及設置緩坡等規定，為了使連續長大縱坡路段區間縱坡設計控制更接近于平均縱坡，避免可能出現交通事故多發位置，提升交通安全性，減少特重大交通事故發生，本研究對連續長大縱坡路段中相對高差在300 m內的中間區間路段，提出任意區間的平均縱坡控制指標，見表10，表中的推薦值可作為連續長大縱坡路段安全性優化設計的參考依據。相對高差大于300 m時，可參照采用；地形條件受限制且對工程造價影響較大時，宜按現行《路線規范》規定值執行，但應加強安全保障措施的設置。

表10 連續長大縱坡路段任意區間平均縱坡控制指標

4.5.3 任意區間平均縱坡控制指標可行性測算

根據《路線規范》中規定設計速度80 km/h時最大縱坡為5%，受地形條件限制時，經技術經濟論證，最大縱坡可增加1%。如果采用最大縱坡及最大坡長與最大緩坡及最小長度的組合拉坡，連續拉坡2次克服高差小于90 m，連續坡長小于2.5 km；連續拉坡3次克服高差小于130 m，連續坡長小于3.6 km；連續拉坡6次克服高差小于265 m，連續坡長小于7.5 km；平均縱坡3.62%～5.14%，見表11。從連續長大縱坡路段縱坡設計控制應接近于平均縱坡考慮，平均縱坡≥4%的連續坡長限制以“陡+緩”連續拉坡2次控制為宜。如果連續拉坡不超過3次，平均縱坡3.0%的連續坡長9 km、平均縱坡3.5%的連續坡長6 km的要求較容易做到，對工程規模影響較小。如某高速公路，最長路段的連續下坡坡長51 km，平均縱坡2.97%，最大縱坡4%，經對連續長大縱坡路段的全段縱斷面設計核查，平均縱坡大于3%的任意區間平均縱坡控制指標滿足推薦值要求。

表11 區間平均縱坡控制測算表

5 結論

(1)2008年前建成的山區高速公路，由于缺少平均縱坡控制指標的規定，為了克服高差和降低工程造價，設計采用最大縱坡+短緩坡段連續拉坡，最大縱坡為5%時，任意連續3 km平均縱坡容易超過4.25%，任意連續5 km以上平均縱坡在3.5%左右的情況較多?？v坡設計隨意性大，對連續長大縱坡路段交通安全影響較大。

(2)根據高速公路平均縱坡與交通事故關系及連續長大縱坡路段交通事故多發位置的調研，當高速公路平均縱坡大于3%以上時，事故率迅速上升，且坡度越大，事故車輛所行駛的距離越短。

(3)《路線規范》對各級平均縱坡對應的連續坡長進行了規定，但如果連續長大縱坡路段較長，在缺少對區間相對高差小于300 m的任意區間平均縱坡控制指標時，已建高速公路連續長大縱坡路段平均縱坡控制指標的現狀調查分析表明，拉坡隨意性仍然較大，連續長大縱坡路段中間的區間路段較容易出現較長的陡坡段落，可能成為交通事故多發位置，區間平均縱坡越陡，連續坡長越長，交通事故多發的安全風險就越大。

(4)本研究僅補充研究了高速公路連續長大縱坡路段中相對高差在300 m內任意區間的平均縱坡控制指標，而高速公路連續長大縱坡路段設計影響因素眾多，提升連續長大縱坡路段的安全性問題還需結合安全保障技術等多方面因素綜合考慮。