淺談公路隧道長期安全因素研究

燕永民

摘要：隧道在服役過程中不可避免地遭到環(huán)境荷載、疲勞、腐蝕、老化等因素的影響，必然產(chǎn)生損傷累積，從而導(dǎo)致抗力衰減，如不及時采取有力措施，其存在的隱患是難以估量的。為了確保隧道結(jié)構(gòu)的長期安全穩(wěn)定，全面分析影響隧道長期安全的因素，具有極大的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：隧道;安全;因素

前 ?言

近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國交通建設(shè)事業(yè)取得了巨大的成就，并由此進入了一個快速發(fā)展的時期，在加快高速公路的修建的同時，隧道的建設(shè)也進入了新的高潮。隧道因其工作狀態(tài)、地質(zhì)條件和病害機理極其復(fù)雜，由隧道地質(zhì)條件惡化、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和退化、環(huán)境狀況變化、人為因素所造成的崩塌、火災(zāi)、交通事故等時常發(fā)生，嚴(yán)重威脅著隧道安全以及人的生命和財產(chǎn)安全。

一、隧道結(jié)構(gòu)安全因素分析

隧道的構(gòu)成，在本質(zhì)上是圍巖和支護結(jié)構(gòu)的綜合體。在通常情況下，圍巖是主要的承載單元，而支護結(jié)構(gòu)是輔助性的，但在某些特殊情況下，支護結(jié)構(gòu)也是主要的承載單元。因此，在進行隧道結(jié)構(gòu)安全因素分析時，要綜合考慮圍巖與支護結(jié)構(gòu)的變形以及相互作用，它們共同決定了隧道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。下面分別從圍巖與支護結(jié)構(gòu)的變形和相互作用兩個方面對運營期間隧道的結(jié)構(gòu)安全因素進行逐一分析。

1.圍巖與支護結(jié)構(gòu)變形位移因素

隧道周邊點的位移是圍巖和支護系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)變化最直接、最明顯的反映，因此，對隧道水平收斂和拱頂下沉進行監(jiān)測和分析是判斷穩(wěn)定性的主要手段。由于隧道建成后圍巖被支護結(jié)構(gòu)封閉，難以量測，因而隧道運營期間的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以支護結(jié)構(gòu)，尤其是二次襯砌的變形量測為主，通過量測支護結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)，推測圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的作用關(guān)系，間接獲得圍巖的活動情況。但是，隧道在運營期間，不可能關(guān)閉隧道進行監(jiān)測，因此無法進行水平收斂和拱頂下沉的監(jiān)測。

2.圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用應(yīng)力應(yīng)變因素

由于在隧道圍巖變形和破壞的發(fā)展過程中，具有時間效應(yīng)，在主體工程完工后，初襯-圍巖接觸應(yīng)力、二襯-初襯接觸應(yīng)力、初襯鋼拱架應(yīng)力、二襯鋼格柵應(yīng)力、錨桿軸力仍會隨時間繼續(xù)發(fā)展，這些因素是否已經(jīng)趨于穩(wěn)定，是判斷隧道是否已經(jīng)穩(wěn)定的根據(jù)。但是，在隧道通車后，圍巖、初襯和二襯已經(jīng)成為一個復(fù)合體，因此初襯-圍巖接觸應(yīng)力和二襯-初襯接觸應(yīng)力沒有必要再進行考慮。但是仍然需要考慮初襯鋼拱架應(yīng)力、二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力和錨桿軸力，以此判斷隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力是否已經(jīng)達到平衡。

二、隧道環(huán)境條件因素分析

高速公路隧道交通較其他道路交通具有特殊的運行環(huán)境，具有封閉性強、空氣質(zhì)量低、環(huán)境噪音大、能見度低、光過渡等特點。一旦隧道里發(fā)生事故，其后果要比發(fā)生在地面上的嚴(yán)重得多。特別是火災(zāi)，由于封閉的空間妨礙熱和煙霧的擴散，其后果極具災(zāi)難性。再者是洞內(nèi)外亮度差異較大，針對駕駛員容易產(chǎn)生黑洞效應(yīng)，再加上空間的約束和壓抑，心理發(fā)生變化，出現(xiàn)交通事故的概率大大增加。第三，隧道內(nèi)車輛排放的尾氣在封閉空間得不到擴散和稀釋，有害污染物不斷積聚使洞內(nèi)空氣嚴(yán)重污染，不但對人的身體健康產(chǎn)生傷害，而且使隧道能見度降低，引發(fā)交通事故。第四，高速公路上車流量大，車速快，也是發(fā)生事故的一個重要因素。第五隧道工程的典型特點是距離長、規(guī)模大、站點多、通訊對象多，不僅隧道本身長，而且很多工程其隧道和監(jiān)控中心的距離也長達數(shù)公里。另外，它們大多都系上下行分離、雙洞、單向行駛雙車道的隧道。

1.空氣質(zhì)量

隧道在發(fā)生交通事故而引發(fā)的火災(zāi)或爆炸時，常常會產(chǎn)生大量濃煙和有害氣體，即使是在正常情況下，車輛排放也會排放大量尾氣，在封閉空間得不到擴散和稀釋，有害污染物不斷積聚使洞內(nèi)空氣嚴(yán)重污染，不但對人的身體健康產(chǎn)生傷害，而且使隧道能見度降低，引發(fā)交通事故或二次交通事故。

2.瓦斯

在這里，將瓦斯?jié)舛葐为毩谐鰜淼脑蚴侵挥猩贁?shù)穿過煤層的隧道才會產(chǎn)生瓦斯，在一般隧道中基本不會產(chǎn)生瓦斯，并且經(jīng)過隧道初襯、二襯和隧道裝飾，抑止了瓦斯的逸出到隧道中。但是，瓦斯是從煤層中突出的一種可燃可爆氣體，當(dāng)隧道穿越含有部分含煤層的地層時，常常突出大量的瓦斯，而人們?nèi)菀缀鲆曀拇嬖?。在隧道運營期間，瓦斯?jié)舛冗^大，會影響空氣質(zhì)量，從而有害人的身體健康，更重要的是，瓦斯?jié)舛冗_到其爆炸極限，遇火花或溫度達到其著火點，都會引起爆炸，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。

3.溫度

高溫會使人情緒煩躁和感到不舒服，會間接導(dǎo)致交通事故的發(fā)生，高溫也會使發(fā)生火災(zāi)的概率增加。由于隧道斷面小，道路狹窄，發(fā)生火災(zāi)時的溫度高、熱量不易散失，不僅給消防進攻、撲救帶來很多困難，而且還使隧道本身造成不同程度的損壞。通過隧道的車輛以及隧道中電器設(shè)備的運行，也會使環(huán)境溫度升高。因此，需要對溫度進行長期監(jiān)測，并通過通風(fēng)調(diào)節(jié)溫度。

4.通風(fēng)

隧道是封閉的，但運行的車輛又會產(chǎn)生煙霧和CO等有害氣體，穿越含煤地層的隧道還會產(chǎn)生瓦斯，車輛的行駛和隧道內(nèi)機電設(shè)備的運行也會使溫度上升，因此，需要設(shè)計和安裝通風(fēng)系統(tǒng)，以稀釋煙霧和CO、瓦斯等有害氣體，降低溫度，達到隧道衛(wèi)生和安全設(shè)計的要求。隧道內(nèi)的CO濃度與VI值是隧道內(nèi)通風(fēng)控制的基本參數(shù)，因此，可以通過對CO濃度與VI值的監(jiān)測實現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)的控制。但是，并非煙霧和CO、瓦斯等有害氣體濃度越低越好，這還涉及到運行成本和通過隧道的人員的舒適度的問題?！豆匪淼劳L(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》第3.2.3、3.7.1、3.9.2等條規(guī)定了不同隧道在不同情況下允許的風(fēng)速范。

5.照明

汽車駕駛員在隧道中會發(fā)生種種特殊視覺問題。白天進入隧道前，由于隧道內(nèi)外亮度差別極大，從隧道外部去看照明很不充分的隧道入口會看到黑洞（長隧道）及黑框（短隧道）現(xiàn)象。進入隧道后，因急劇的亮度變化，人的視覺不能迅速適應(yīng)，要過一段時間才能看清隧道內(nèi)部情況，容易發(fā)生視覺障礙，危及行車安全。在這種情況下，一般駕駛員會不經(jīng)意地采取強制性減速措施——緊急制動，而緊急制動會引發(fā)車輛甩尾和側(cè)翻。因此，隧道入口事故率較高。白天在隧道出口因外部亮度極高，出口看上去是個亮洞，即“白洞現(xiàn)象”，出現(xiàn)極強的眩光。夜間出口看到的又是黑洞，因而看不清外部道路的線性及路上的障礙物，中長隧道尤甚。因此，有必要根據(jù)隧道洞內(nèi)外亮度的變化實現(xiàn)照明的自動或人工干預(yù)控制，以提高隧道內(nèi)的行車安全性。

6.噪聲

為了稀釋隧道內(nèi)CO等有害氣體，提高能見度，大多公路隧道中均安裝了強制性通風(fēng)風(fēng)機，風(fēng)機運轉(zhuǎn)時的噪聲較大。另一方面由于經(jīng)濟、社會和汽車行業(yè)的快速發(fā)展，使機動車通行急增，車速得到大幅度提高，車流量也迅速增大，也產(chǎn)生較大的噪聲。噪聲影響人的身心健康和情緒，也可能引發(fā)交通事故，特別是在人車混合隧道，更應(yīng)該控制噪聲在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。