专家观点：应及时扭转山区高速公路纵坡设计“无限趋缓”的现象
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——从两本《规范》指标差异，解读高速公路平均纵坡指标来源
前言：由于顾虑大型货车失控事故引发的安全问题，国内一些典型山区高速公路项目在设计中出现了纵坡设计“无限趋缓”的现象。本文在对比分析两本《规范》研究差异的基础上，对我国《规范》中高速公路平均纵坡指标进行解读，对各地相关咨询问题进行回复讨论，并呼吁应及时扭转山区高速公路纵坡设计的错误方向。
近年来，在我国部分山区高速公路的连续下坡路段，不同程度地发生了一些大型货车因制动系统失效而导致的严重事故。尽管根据调查、统计，此类事故的直接原因主要在于驾驶员违法、违章操作和车辆超载、超速、违法改装等方面，但笔者却注意到：由于顾虑货车失控事故引发的安全问题，一些地区的典型山区高速公路新建或改扩建项目出现了纵坡设计“无限趋缓”的现象；甚至山岭重丘区路段，出现了按照不大于2%进行平均纵坡控制的情况。
为了科学指导我国高速公路设计、建设与管理，我国新版公路行业标准、规范在修订中，及时对设计指标与交通安全性等相关问题开展了专题调查研究，并在充分对比、论证、验证的基础上，提出了指导山区高速公路选线与设计的“平均纵坡”指标体系。在新版标准、规范发布实施后，修订组陆续受到各地一些关于平均纵坡咨询、讨论的电话、邮件、函件。
本文为了准确回复相关问题，在对相关咨询问题进行梳理归并的基础上，对早期曾研究编制的《公路路线设计细则》（总校稿，以下简称《路线细则》）与新版《公路路线设计规范》（以下简称《规范》）平均纵坡指标的来源、指标差异进行对比说明，对两本《规范》及其支撑专题研究的差异点、研究结论与影响等进行解读,最后对各地咨询的问题进行逐一讨论回复，希望给广大工程勘察设计人员提供参考。
各地关于《规范》中高速公路平均纵坡问题的咨询问题和意见，主要集中在与早期曾研究编制《路线细则》的对比、差异方面，而一些业内人士对高速公路平均纵坡指标的既有认识也多来源于《路线细则》。概括起来，这些问题和意见可归并为以下几个方面：
1) 《路线细则》（总校稿）与《规范》中关于“高速公路平均纵坡与坡长界定性指标”相差较大，为什么？在实际工程项目中应该如何采用？
2) 为什么公路大型货车综合性能下降了，但与《路线细则》比较，《规范》给出的“平均纵坡与坡长”指标反倒是“更放宽”了呢？
3) 可检索到有一些论文或研究成果，同样针对连续下坡安全性开展了实验或研究，但其结论也与《规范》不同，工程设计中可以参考吗？
4) 有人对《规范》中的平均纵坡指标提出不同意见，因为与以往工程设计和实践经验相差比较大，怎么理解呢？
3.《路线细则》（总校稿）平均纵坡指标的来源
2004年，交通运输部向中交一公院下达了《公路路线设计细则》的编制任务。随后，中交一公院根据编写任务和我国工程设计实际需要，立项组织开展了《山区高速公路平均纵坡研究》的专题研究。
2007年，《路线细则》基于该专题研究成果，提出了针对山区高速公路的平均纵坡界定指标。但随后由于上位《标准》《规范》开始修订，《路线细则》发布工作被迫喊停。可是，《路线细则》（总校稿）的电子版本却已经在很多设计单位中开始流传了，有项目开始参考其中提出的平均纵坡指标。
2010年《标准》《规范》修订任务启动之时，正值我国山区高速公路的大规模发展期。当时，因为少数山区高速公路路段大型货车失控事故呈多发态势，引发行业内外对高速公路纵坡设计与安全性的关注。为此，2011年中交一公院配套启动了《高速公路纵坡设计方法与指标研究》的课题研究（西部交通科技项目）。
经过约2年时间的调查、实验和研究，课题组在2013年向《标准》修订组提交了研究结论，并提出了高速公路平均纵坡与坡长的指标建议。但由于课题结论与之前《路线细则》专题研究的结论存在较大差异，甚至在表象上貌似推翻了之前的结论，立即引起了《标准》和《规范》修订组的高度关注。
修订组一方面深入课题，重新核查、推敲每一个研究过程、结论，与包括《路线细则》专题在内的相关研究进行对比，另一方面还将研究报告专门提交道路工程、汽车工程等领域专家、学者审查。并且，从慎重考虑，修订组决定课题成果先不纳入新版《标准》，而是在多次审查、论证后，最终才在2017年由新版《规范》正式发布了。
1) 《路线细则》（总校稿）
在《路线细则》（总校稿）第9章中给出了山区高速公路连续下坡的平均纵坡指标，即“连续长陡下坡路段的各平均纵坡坡度对应的长度宜小于表9.2.9的一般值”。
2) 《规范》
《规范》第8章第3节“坡长”中，推荐高速公路、一级公路连续长、陡下坡路段的平均坡度与坡长不宜超过表8.3.5的规定；但同时明确，若平均坡度与坡长超过该表时，应进行交通安全性评价，对应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。
3) 《路线细则》与《规范》的指标差异
对比上面《路线细则》（总校稿）和《规范》关于平均纵坡与坡长的指标，可以发现：在相同的平均坡度时，《规范》给出坡长限制是《路线细则》的2倍还多；而在相同的坡长时，《规范》给出的平均坡度远大于《路线细则》的坡度。特别是《路线细则》认为平均纵坡2.0%时，坡长不宜超过15km，而《规范》则明确规定平均纵坡小于2.5%时，就无需限制坡长。
看到上述差异，很多人不禁要问：同是研究山区高速公路纵坡与安全性，都考虑到了大型货车连续下坡时制动鼓过热等因素，为什么结论有这么大差别呢？
实际上，要讨论上述指标差异，必须从两本《规范》支撑课题的研究时间、研究对象、研究方法、实验与验证方法、实验模型、考虑因素、所选择的安全工况条件等多方面深入分析、对比。限于篇幅等原因，笔者本文仅对两课题在研究时间、研究对象（代表车型）和安全工况条件（下坡制动方式）方面的差异加以说明：
1）研究的时间与对象
显然，《路线细则》开展专题研究在前。根据资料，《路线细则》配套专题研究的周期大致在2004年—2007年之间。由于公路纵坡设计主要受到货车代表车型的影响，于是，该专题根据试验及调研结论，选择总质量20.9t，功率重量比为7.42kw/t的大型载重车为实验研究的主导车型。下图是该专题选择的代表车型图片：
20t载重汽车车型示意图
下图是该专题调研获得的“2004年济青高速公路济南收费站车辆统计分布图”，从中可以看到当时我国高速公路上各类货车车型的分布情况。当时，25-50t的第六类货车占比很低。
2004年济青高速公路济南收费站车辆统计分布图
《标准》、《规范》配套课题研究的时间周期在2012年—2014年之间，时间比《路线细则》晚约8年时间。该课题研究基于对当前我国高速公路货运车型统计、调查和分析，选择满载总质量49t、功率重量比为5.2kw/t的“五轴、六轴铰接列车”作为研究的代表车型。下图为该类车型的外观图片。
49t铰接列车车型示意图
《规范》课题研究为什么选择铰接列车作为货车的代表车型呢？甚至无需专门说明。因为该车型在我国2013年及之后每年的全国高速公路货车组成中占比达41%以上，且全国高速公路货运总量的80%由该类车型完成。下图是该类六轴半挂式铰接列车（半挂列车）的占比图示。
2013年全国高速公路货车轴型分布图
2）研究的安全工况条件（下坡制动方式）
从研究报告中，笔者注意到，尽管《路线细则》配套专题同时研究了采用“发动机制动方式”下的平均纵坡指标，但《路线细则》最终推荐采用了“无辅助制动方式”下的平均纵坡指标。
在《标准》课题研究中，结合我国代表车型（铰接列车）的制动系统装备条件，同时对“发动机制动”、“无辅助制动”、“发动机排气制动”等多种制动方式进行了调查和实验研究，提出了对应不同制动方式下的纵坡指标，但课题和《规范》最终推荐采用的是“发动机制动方式”下的平均纵坡指标。
需要说明的是，对重型货车而言，“发动机制动方式”就是在连续下坡的过程中，通过挂低档、由发动机慢速运转、向车轮实施反向拖动阻力的下坡制动方式。“发动机排气制动方式”是指发动机停止燃油喷射，把原本是动力输出装置的发动机变成一台空气压缩机。当车辆在惯性力作用下下坡时，由发动机缸体内的空气压缩对车辆前进形成反向阻力，达到减速制动的目的。
而“无辅助制动方式”，是指在连续下坡的过程中，驾驶员主要依靠行车制动器（踩刹车板）进行制动的方式，也就是通常所说的“空挡滑行”方式。虽然在实际驾驶中，有驾驶员冒险采用“空挡滑行”下坡，但这种方式是被明确禁止的违法、违章行为，不符合该类货车驾驶操作要求。
《标准》修订配套课题除了提出《规范》中发布的“高速公路平均纵坡与坡长”关键指标之外，课题研究还取得了以下重要结论及影响：
1) 发现了货运车型及其综合性能的巨大变化
货车代表车型及其性能条件是影响公路纵坡设计指标体系重要因素。课题调查发现：在近10余年期间，随着我国高速公路网的不断完善拓展，高速公路货运车型发生巨大变化。货运代表车型从8t、20t车型，改变为49t的“铰接列车”车型。由于总质量成倍提高，导致代表车型的整体性能显著下降，功率重量比从8.3kW/t降低到了5.2kW/t。
2) 揭示了“车不适应路”的结构性矛盾
由于代表车型整体性能下降，引发“车不适用路”的结构性矛盾。大型货车在山区高速公路上“上不去，下不来”。与8.3kW/t的货车比较，代表车型上坡和下坡的综合能力下降约40%。在全世界公认的平缓纵坡（3%）上，铰接列车满载时的行驶速度只有43.2km/h，低于高速公路的最低容许速度（50-60km/h）。同时，下坡时的持续制动能力也同比下降。课题结论指出，货车整体性能显著降低，正是连续下坡事故多发、频发的深层次原因。
3) 纠正了行业内外对我国高速公路纵坡过大、不安全的错误认识
课题成果从铰接列车上坡爬坡能力、下坡持续制动能力、辅助制动装备、以及国内外重型货车综合性能与安全装备对比、制动鼓温控变化与纵坡/坡长关系、典型事故调查分析等多方面，以科学详实的数据说明：在人、车合法、合规条件下，我国山区高速公路连续纵坡完全能够满足安全通行条件。
这些成果结论，纠正了行业内外对我国高速公路纵坡过大、不安全等的措施认识。而一个时期多发、频发的大型货车制动失效事故，主要是由于人、车等违法、违章因素导致的。
4) 扭转了我国山区公路设计中“纵坡无限趋缓”的错误方向
课题研究报告指出，根据货车制动原理，公路连续纵坡安全问题的实质不仅在于纵坡坡度“陡”的一个方面，而且还在于纵坡“长”的另一个方面。对于山区高速公路项目而言，如果需要克服的相对高差固定，那么，采用“短而陡”的纵坡，与采用“长而缓”的纵坡，在货车制动安全性上的影响是大致相同的。因为，简单而言，货车连续下坡制动过程本身就是将“重力势能转化为机械能和热能的过程”。
课题成果在纳入行业《规范》之后，从根本上扭转了一段时间以来，由于顾虑货车失控事故引发的安全问题，一些山区高速公路项目在设计上“纵坡无限趋缓”的现象。由于担心安全问题，有山区高速公路项目竟然数十公里按平均纵坡不大于2%控制设计。据测算，若将平均纵坡从4%降低到2%，高速公路的建设里程将会增长一倍以上，同时导致桥梁、隧道等大型构造物的数量、长度急剧增大。影响何其巨大啊！
在了解《路线细则》（总校稿）与《规范》条文中高速公路平均纵坡与坡长等相关指标的来源和主要差异之后，我们再来讨论、回复前面相关咨询问题就比较容易了。
1) 首先，由于研究时间（时代）、车型发展变化等客观原因，《路线细则》（总校稿）与《规范》配套课题在研究的对象完全不同，而且两本《规范》推荐采用的安全工况条件（货车下坡制动方式）也截然不同，导致了两本《规范》的平均纵坡指标，根本不具有可比性。
2) 其次，高速公路货车代表车型已经发生巨大变化，从早前的21t载重汽车改变为49t的铰接列车，因此，《路线细则》以载重汽车为对象所取得的成果指标，尽管在数值上与一些项目设计经验接近，并且得到一些业内人士的认可，但我们必须清晰地认识到：《路线细则》的平均纵坡指标已经没有了实际工程设计应用的适用条件。
3) 再有，《路线细则》选择以“无辅助制动方式”即“空挡滑行下坡方式”作为确定公路纵坡设计的安全工况条件，明显不妥。因为“空挡滑行”明确属于非法被禁止的不安全驾驶操作。任何道路或工程设计都必然基于正常、合法的人、车、环境等安全工况条件。按照这个工况条件提出的指标应该是过度保守、安全的情况。
4) 类似地，我们在对比与长大下坡、制动毂温度等相关的研究成果或论文时，也应该深入了解其研究的对象（车型）.....掌握其适用的条件等。如果只表面上对比结论（如指标数值、坡度大与小、坡长长与短等），没有什么实际意义。
5) 笔者认为，无论是新建山区高速公路纵坡设计，还是既有公路连续纵坡路段安全性评价，首先应该依据《标准》和《规范》中明确载明的条文规定或指标要求。从严谨合规角度，实际工程设计不能直接依据论文或未经鉴定的科研结论（除非在《标准》《规范》未涉及或明确可灵活选用的方面）。
众所周知，高速公路建设投资巨大，影响深远。而纵坡指标无疑是影响整个高速公路建设方案、规模造价，乃至长期运营与安全的关键性技术问题。新版《规范》以课题研究为支撑，在充分调查、验证的基础上提出了符合我国当前国情条件和交通安全水平的平均纵坡与坡长指标体系，纠正行业内外对高速公路纵坡与安全性的错误认识。
但由于该平均纵坡指标，与之前相关专题研究和工程实践经验有较大差异，一些专业技术人员对此存在质疑、或展开相关讨论，笔者认为，这是工程师对设计负责、务真求实的具体表现，是值得推崇的现象。后续，笔者将结合各地相关咨询问题，继续撰文对《规范》中“平均纵坡与坡长”等指标及其适用范围等进行讨论、解读，希望对广大工程技术人员全面理解、准确应用《规范》提供参考。
同时，笔者希望通过本文呼吁，各地在山区公路建设中，应充分理解、准确应用我国现行公路标准、规范所载明的指标体系，及时扭转山区高速公路纵坡设计“无限趋缓”的现象，避免造成巨大资源和投资浪费。
最后，笔者推荐《中国“死亡之坡”放在美国排第几？》一文给各位路线工程师，可对比了解美国山区高速公路平均纵坡的实际采用情况。考察对比可见，在局部山岭重丘区路段为了克服自然地形高差，我国局部山区高速公路路段的展线里程（建设里程）可能是美国的2倍以上。
注：由于作者认知有限，本文难免有错误或不当之处，欢迎批评指正。
中交第一公路勘察设计研究院
郭腾峰
2021年3月20日
编辑：苗挺节
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