長大公路隧道運營安全綜合評價研究

侯靖宇，楊其新，郭 春

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學院，成都 610031)

長大公路隧道運營安全綜合評價研究

侯靖宇，楊其新，郭 春

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，土木工程學院，成都 610031)

為提升長大公路隧道安全運營潛勢，根據(jù)隧道運營環(huán)境特點，提出分段評價思想，運用Delphi法建立了隧道各區(qū)段運營安全綜合評價指標體系，運用乘積標度法分別確定了各指標權(quán)重；根據(jù)模糊綜合評價理論，提出了適用于長大公路隧道的主、客觀相結(jié)合，定量分析為主的綜合評價方法，并且建立了基于評價結(jié)果的響應機制。最后，通過某特長隧道的實踐驗證，表明該綜合評價方法能夠真實地反映出隧道運營安全態(tài)勢，而建立的響應機制也能合理地評判評價結(jié)果。

公路隧道；運營安全；分段評價；乘積標度法；模糊綜合評價

長大公路隧道大多位于山區(qū)，隧道運營環(huán)境較為封閉，故隧道內(nèi)發(fā)生事故、災害時，人員的救援、逃生都面臨著一定的困難，易造成較大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。針對公路隧道運營安全，國內(nèi)外學者均作了大量研究。歐洲Euro Test通過計算隧道的安全潛勢和風險潛勢來最終確定隧道的安全等級，其計算中考慮了隧道長度、交通量、重車比例、危險品運輸?shù)纫蛩豙1]；日本學者主要從隧道長度及交易量的因素，對不同隧道劃分以不同的安全服務(wù)等級[2]；我國學者則運用層次分析法、熵權(quán)法、模糊綜合評價法等從不同的角度對高速公路隧道運營安全進行了研究[3-6]。目前，國內(nèi)學者針對于長大公路隧道運營安全研究還偏少，且對評價結(jié)果處理也缺乏進一步研究。

針對長大公路隧道，提出分段評價的思想，從土建結(jié)構(gòu)、機電設(shè)施等4個方面，采用主客觀相結(jié)合的賦權(quán)法(乘積標度法)確定指標權(quán)重，并且基于模糊理論對隧道運營安全綜合評價、評價結(jié)果處理進行了研究，為隧道運營安全評價研究提供一定的參考。

1 長大公路隧道運營區(qū)段特性分析

根據(jù)統(tǒng)計研究，長大公路隧道運營環(huán)境有著明顯的區(qū)段特性。

(1)根據(jù)國內(nèi)學者研究[7，8]，隧道洞口外應設(shè)置不小于3S(5S)設(shè)計速度行程的過渡段，以避免車輛在進出洞時因視距不佳誘發(fā)的交通事故；且隧道洞內(nèi)運營安全也與洞口處的一些安全設(shè)施息息相關(guān)。故對隧道運營安全進行評價的區(qū)段應包含隧道洞外的一定里程。

(2)相對于隧道中段，隧道洞口段的事故率相對偏高。統(tǒng)計[9-11]顯示，隧道洞口內(nèi)外300 m左右的區(qū)段為事故的高發(fā)地段。原因主要為：隧道是線路上行車環(huán)境變化較為劇烈的地段，其洞口段作為過渡的區(qū)段，駕駛員一般需要在此段內(nèi)適應新環(huán)境。

(3)駕駛員在洞口段行駛時需要視覺適應且隧道路面亮度具有一定的過渡特性。駕駛員在駛?cè)牒婉偝鏊淼罆r，視覺上存在著“黑洞現(xiàn)象”、“白洞現(xiàn)象”，這也是洞口高事故率的原因之一。目前，國內(nèi)外隧道照明設(shè)計都采用分段設(shè)計的方法，洞口段的照明設(shè)計亮度要比隧道中段的大一些，以此來消除駕駛員駛?cè)腭偝鏊淼罆r產(chǎn)生的視覺震蕩。

(4)隧道的路面抗滑性具有一定的區(qū)段特性。隧道洞口內(nèi)外路面的抗滑性存在著突變，其主要體現(xiàn)為：①隧道內(nèi)外路面結(jié)構(gòu)不同，隧道外路面多為瀝青路面，洞內(nèi)一般為水泥路面；②洞口處易受洞外環(huán)境影響，雨雪等天氣狀態(tài)下，易造成洞口內(nèi)外路面抗滑性能差異；③洞內(nèi)車輛產(chǎn)生的煙塵不易消散，吸附在路面造成其抗滑性能下降。

由上述分析可知，隧道運營安全與洞外一定里程內(nèi)的線路線形及安全設(shè)施相關(guān)，進行長大隧道運營安全評價時也應包含隧道進出口外的一定里程；其次，在整個評價里程內(nèi)，運營環(huán)境有著明顯的區(qū)段特性，隧道洞口段與隧道中段運營環(huán)境存在著顯著的不同，故洞口段與隧道中段在進行具體評價時的指標體系與指標權(quán)重存在不同，即使同一指標在進行優(yōu)劣評判時，不同區(qū)段的相對權(quán)重與評價標準也應存在差異。因此，在進行隧道運營安全評價時將整個隧道評價區(qū)段分為洞口段與隧道中段兩個部分(圖1)。

圖1 隧道分段示意

2 長大公路隧道運營安全模糊綜合評價模型

模糊綜合評價法[12，13]是由底層指標逐層向上對受多重因素制約的對象做出總體評價的方法，其通過對不易定量分析的對象進行主觀定性的描述，并加以定量刻畫，最終得出綜合評判結(jié)果。

2.1 安全評價指標體系

長大公路隧道運營安全受人、環(huán)境、管理等眾多因素影響，為避免指標過多造成各因素在整體評價中的作用被弱化，應構(gòu)建多層次指標體系來進行評價。在通過資料收集、現(xiàn)場調(diào)研、專家咨詢確定的初選指標集的基礎(chǔ)上，選取對隧道運營安全影響顯著的指標，構(gòu)建了洞口段與隧道中段的二層次評價指標體系(表1、表2)，由上到下分別稱為目標層、準則層、指標層。其中，洞口段與隧道中段目標層因素集分別為U=(U1，U2，U3，U4)，C=(C1，C2，C3，C4)；若Us、Cs為準則層第s個因素集，分別受指標層n、m個因素制約，則準則層因素集分別為Us=(Us1，Us2，…，Usn)(s=1，2，3，4)，Cs=(Cs1，Cs2，…，Csm)(i=1，2，3，4)。

表1 洞口段指標體系和指標權(quán)重

2.2 指標權(quán)重集確定

一般來說，指標體系中各因素對隧道運營安全的影響程度是不相同的，這種不同可通過對不同指標賦予不同權(quán)重來體現(xiàn)。乘積標度法[14]是一種主客觀相結(jié)合的賦權(quán)法，其思路是在進行指標的重要性比較時，不宜設(shè)置過多的層次，只設(shè)置“同樣重要”、“稍微重要”兩個等級，并且以此為基礎(chǔ)進行遞進的乘積分析。

乘積標度法具體思路是，若指標M與N進行兩兩比較，它們重要度“相同”時，其標度值為：

(1)

若指標M比指標N“稍微重要”的標度值為：

(2)

這里的1.354是根據(jù)層次分析法的9/9～9/1標度法、指數(shù)標標度法、10/10～18/2標度法的稍微重要的值取平均得到。若指標M比指標N“明顯重要”的標度值為：

表2 隧道中段指標體系和指標權(quán)重

(3)

通過對各指標兩兩比較，然后進行歸一化處理，即可確定指標權(quán)重向量。通過乘積標度法對隧道洞口段與隧道中段指標根據(jù)其相對重要程度分別確定指標權(quán)重集(表1、表2)，記目標層指標權(quán)重集分別為A=(A1，A2，A3，A4)，W=(W1，W2，W3，W4)，準則層指標權(quán)重集記為As=(as1，as2，…，asn)(s=1，2，3，4)，Ws=(ws1，ws2，…，wsm)(i=1，2，3，4)。

2.3 評語集與隧道安全等級

表3 安全等級對應表

2.4 綜合評價

綜合評價就是將評價目標的單因素評判矩陣與指標權(quán)重集、評語集進行一定的合成，得出最終評價結(jié)果的過程。評判矩陣表示的是評價指標對評語集的隸屬度，是進行綜合評判的初始數(shù)據(jù)，考慮到隧道運營安全指標體系是一個主客觀指標混合的評價體系，評判矩陣可通過組建評價小組打分的方式獲?。煌瑫r為了避免人為主觀因素致使評價結(jié)果產(chǎn)生偏差，可對指標層指標擬定一定的參考標準，具體標準通過各隧道相關(guān)規(guī)范及國內(nèi)外研究文獻針對洞口段與隧道中段不同的運營環(huán)境詳細制定。

例如，對于洞口段照明系統(tǒng)指標，制定的參考標準如下：①隧道洞口處照明入口段和照明過渡段燈具布設(shè)長度，滿足規(guī)范要求；②洞口處照明亮度滿足《公路隧道通風照明設(shè)計規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)中的要求；③照明設(shè)施完好率滿足《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTG H12—2003)要求；④對達到額定壽命的燈具檢測、更換的頻率滿足要求；⑤洞外照明滿足規(guī)范要求。對于隧道中段照明系統(tǒng)這一指標，制定的參考標準為：①照明設(shè)施完好率滿足規(guī)范要求。②對達到額定壽命的燈具檢測、更換的頻率滿足要求。③緊急停車帶處燈具設(shè)置滿足規(guī)范要求。④隧道橫通道照明燈具設(shè)置滿足規(guī)范要求。

若記RN=(rij)m×n為準則層因素(以洞口段為例)的評判矩陣

在確定了各準則層因素的綜合評判結(jié)果向量之后，目標層因素即長大公路隧道運營安全的評判矩陣即為H=(B1，B2，…，Bs)T(s=1，2，3，4)，目標層因素綜合評判結(jié)果向量為B=A°H?！啊恪北硎灸：阕樱疚倪x取加權(quán)平均型算子M(?，⊕)進行數(shù)據(jù)合成。

一般為了使評價的結(jié)果更為明確，對評判結(jié)果向量Bs與B進行進一步的處理，將其量化為具體評分，即為準則層各分系統(tǒng)與隧道運營安全的具體評分Ps、P，并可得對應評級，其中Ps=BsV，P=BV。

3 評價結(jié)果響應

通過對長大公路隧道運營安全評價結(jié)果的分析，制定相應的響應措施，才能夠改善隧道的運營環(huán)境，提升隧道運營安全級別，保障運營中司乘人員與財產(chǎn)安全。模糊綜合評價評分一般情況下可客觀地反映出隧道運營安全狀態(tài)，但也存在對下屬指標評判信息丟失的情況，即可能會出現(xiàn)準則層個別指標評分較低而總體安全狀態(tài)仍可達到良好的評判結(jié)果，而隧道運營安全是一個受各項因素同時制約的結(jié)果，一些下屬指標的安全狀態(tài)同樣對整體運營安全有著重要的影響。因此，在評估整個評價結(jié)果時應同時考慮目標層總評分與準則層評分。本文在同時考慮準則層指標和目標層評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，制定了對評價結(jié)果的三級響應機制，其具體標準與響應方法如表4所示。

LC-Marx發(fā)生器模擬電路，如圖2所示。電路中，L1—L3為反轉(zhuǎn)電感，L4—L6為接地(隔離)電感，設(shè)置主開關(guān)在峰值時刻導通，典型輸出電壓波形如圖3所示?；咎卣魇牵撦d電壓在達到峰值之后迅速回零。圖中給出了發(fā)生器半個周期的脈沖，開關(guān)在峰值時刻對輸出脈沖進行了陡化，得到了如圖3所示的快前沿脈沖。若要得到方波脈沖，需在此基礎(chǔ)上疊加一個脈沖，延緩電壓幅值回零的速度，就可獲得一段近似的平頂。其本質(zhì)是，在該頻率的脈沖之上，疊加3倍頻甚至更高倍頻的脈沖。

表4 響應標準與對應處置措施

在做具體隧道評價時，根據(jù)不同評價結(jié)果可得出相應的響應級別。一般情況下，一級響應表明隧道現(xiàn)有運營條件很差，存在較多的安全隱患，限定管理機構(gòu)在一定時間內(nèi)完成提升；二級響應表示隧道運營條件基本滿足現(xiàn)有狀況，但也存在一定的安全隱患，評價人員應對指標層指標進行具體分析，對評價結(jié)果差的指標提出建議整改計劃；三級響應表明隧道運營狀態(tài)良好，可暫時不需進行整改。

4 長大公路隧道運營安全評價的實踐驗證

通過四川省某單洞雙向行車特長隧道進行評價方法的實例驗證。該隧道位于四川省甘孜州，全長4 176 m，并建有平導用于通風和逃生救援；隧道建于山區(qū)，洞口兩端氣候差異大；隧道車道寬3.75 m，限速30 km/h；隧道設(shè)有管理處，常備有消防車、清障車、備用發(fā)電機等設(shè)備，管理處制定了路政救災、防汛救災等緊急預案。評價小組成員共10人，主要組成人員有高校研究人員8人及設(shè)計院相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)人員2人。評價小組依據(jù)對洞口段指標與隧道中段指標制定的不同評價標準，對隧道進行了運營安全評價。

洞口段指標層指標評價結(jié)果向量的確定：

同理，洞口段指標層其他指標評價結(jié)果向量與其評分評級為：

則洞口段隧道運營安全的評價矩陣為

綜合評價結(jié)果向量為B(1)=AH(1)=(0.356，0.516，0.128，0)，總體評分為78.1，評級為合格。

對隧道中段進行相同方法評價，得土建結(jié)構(gòu)評分為78.6，評級為合格；機電設(shè)施評分為83.7，評級為良好；事故防治與管理能力評分為81.7，評級為良好，交通環(huán)境評分為84.3，評價為良好；總體評分為81.9，評級為良好。

對照響應標準表，可以看到該隧道洞口段與隧道中段總體運營安全狀態(tài)響應級別為二級，即隧道總體運營狀況能滿足現(xiàn)有要求，在條件允許的情況下可對隧道運營安全潛勢做進一步的提升。

具體對洞口段指標分析，土建結(jié)構(gòu)下洞口線形和路面狀況指標評價較差，交通環(huán)境下車型比例和氣候條件指標評價較差。建議在隧道洞口前一定距離增加減速提醒和車距確認標志，增加減速帶、增加可變信息標志提醒洞口另一端氣候和道路狀況，增加路面清洗頻率，采用抗凝冰材料改善路面，實行隧道車輛分類管理通行等。

具體對隧道中段指標分析，土建結(jié)構(gòu)下避難救援結(jié)構(gòu)和路面狀況評價較差，交通環(huán)境下洞內(nèi)空氣質(zhì)量和車型比例指標評價較差。由于避難救援結(jié)構(gòu)無法進行改建，建議增加逃生引導標識，及時疏通逃生通道，路面可鑿毛增加摩擦系數(shù)，增加路面清洗頻率，更改隧道通風方案加強通風。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)特長公路隧道運營環(huán)境特點分析，隧道運營安全評價應包含洞外一定里程，應分為洞口段與隧道中段兩個區(qū)段具體進行；通過對不同區(qū)段確立相應指標體系與指標權(quán)重能夠更好地反映出隧道運營環(huán)境特點與運營安全態(tài)勢。

(2)針對長大公路隧道，分別建立洞口段與隧道中段指標體系。在進行隧道分段運營安全評價時，運用模糊綜合評價法可將定性評判轉(zhuǎn)為定量結(jié)果，能夠使評價結(jié)果更直觀地反映出隧道的運營安全態(tài)勢。

(3)安全評價的目的在于提升隧道運營安全潛勢，根據(jù)不同評價結(jié)果制定響應措施，可及時改善隧道運營環(huán)境，保障隧道安全、通暢。

[1] Euro Test. Euro TAP Tunnel Test 2010 Methodology[R]. Europe: The AA Motoring， 2010.

[2] H. Mashimo. State of road tunnel safety technology in Japan[J]. Tunnelling and Underground Space Technology， 2002：145-152.

[3] 戴憂華，郭忠印，等.高速公路隧道運行環(huán)境評價指標[J].同濟大學學報：自然科學版，2010，38(8):1172-1174.

[4] 陳紅，周繼彪，王建軍，等.公路隧道運行環(huán)境安全評價指標與方法[J].長安大學學報：自然科學版，2013，33(4):55-61.

[5] 鞏航軍，魏顯威.高速公路隧道運營安全綜合評價研究[J].公路交通科技，2010，27(8):128-130.

[6] 郭延永，劉攀，吳瑤，等.山區(qū)高速公路隧道交通運行環(huán)境安全評價[J].武漢理工大學學報，2013，35(7):54-57.

[7] 鄔洪波，周榮貴，廖軍洪，等.高速公路隧道進口段安全評價技術(shù)[J].公路交通科技，2012，29(10):127-132.

[8] 王琰，孔令旗，郭忠印.基于運行安全的公路隧道進出口線形設(shè)計[J].公路交通科技，2008，25(3):134.

[9] 楊軫，唐瑩，唐磊.隧道出入口平面線形一致性[J].同濟大學學報：自然科學版，2012，40(4):553.

[10]張玉春，何川，吳德興，等.高速公路隧道交通事故特性及其防范措施[J].西南交通大學學報，2009，44(5):777-781.

[11]張生瑞，馬壯林，徐景翠.高速公路隧道內(nèi)交通事故分布規(guī)律[J].長安大學學報：自然科學版，2008，28(4):75-77.

[12]秦利燕，邵春福，賈洪飛.高速公路隧道交通事故分析及預防對策研究[J].中國安全科學學報，2003，13(6):64-67.

[13]何復生.礦山法隧道施工期洞室圍巖安全性評價[J].鐵道標準設(shè)計，2012(4):104-107.

[14]何金平，李珍照，施玉群.大壩結(jié)構(gòu)實測性態(tài)綜合評價中的權(quán)重問題[J].武漢大學學報：工學版，2001，34(3):14-15.

Study on Comprehensive Evaluation of Operation Safety of Long Highway Tunnel

HOU Jing-yu， YANG Qi-xin， GUO Chun

(Key Laboratory of Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

In order to enhance the operation safety of the long highway tunnel， subsection-based evaluation is proposed according to the characteristics of the service environment in the tunnel section. A comprehensive evaluation index system is established based on Delphi method， and each index weight is determined with multiplication scale method. On the basis of the fuzzy synthetic evaluation theory， combing subjective and objective characters， a comprehensive evaluation method stressing on quantitative analysis is put forward for the long highway tunnel， and a response mechanism is set up based on evaluating results. The presented method is verified with the practices in an extra-long tunnel in Sichuan Province. The result shows that the evaluation index system truly reflects the service safety of the long tunnel， and the response mechanism is applicable in reasonable and effective evaluation.

Highway tunnel; Service safety; Subsection evaluation; Multiplication scale method; Fuzzy comprehensive evaluation

2015-03-11；

2015-03-20

四川省交通運輸廳科技項目(2011C20-4-1);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(SWJTU11ZT33)

侯靖宇(1991—)，男，碩士研究生，從事隧道運營安全方面研究，E-mail:houjingyu@live.com。

1004-2954(2015)11-0088-04

U458.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.021