李　科，丁　浩，王少飛，王小軍

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067)

基于營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)的高速公路隧道防災(zāi)等級劃分方法研究

李科，丁浩，王少飛，王小軍

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

摘要：根據(jù)對公路隧道多種潛在運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)的分析，提出基于營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)的高速公路隧道防災(zāi)等級劃分，同時(shí)提出基于防災(zāi)等級的高速公路隧道機(jī)電設(shè)施性能化配置方法，以有效克服現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的片面性和局限性。并以廣樂高速公路長基嶺公路隧道為例，對研究成果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：公路隧道；營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)；防災(zāi)等級

公路隧道作為道路體系組成的特殊路段，因其具有事故發(fā)生幾率大、危害程度高、處理難度大、社會(huì)影響深等特點(diǎn)，故是道路體系中的危險(xiǎn)路段，也是營運(yùn)管理的重點(diǎn)監(jiān)管路段。為統(tǒng)一公路隧道防災(zāi)等級劃分，規(guī)范隧道內(nèi)減災(zāi)機(jī)電設(shè)備設(shè)置規(guī)模，提高公路隧道營運(yùn)管理水平，最大程度降低事故發(fā)生及減少事故帶來的負(fù)面影響，各國針對本國公路隧道實(shí)際營運(yùn)情況，建立了自己的公路隧道防火安全等級體系。例如，日本公路隧道消防安全根據(jù)道路工團(tuán)編制的《隧道非常(緊急)用設(shè)施設(shè)計(jì)要領(lǐng)》，按長度和交通量將公路隧道安全等級分為5個(gè)等級，如圖1所示。英國頒布的《公路及橋梁設(shè)計(jì)手冊》規(guī)定，公路隧道營運(yùn)安全等級由隧道設(shè)計(jì)年度(一般按通車后第15自然年)的日平均交通量和隧道長度2個(gè)因素共同劃定，如圖2所示，其思路與日本《隧道非常(緊急)用設(shè)施設(shè)計(jì)要領(lǐng)》類似。我國2014年新頒布的JTG D70/2—2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(第二冊)中，要求公路隧道交通工程與附屬設(shè)施配置分級應(yīng)結(jié)合隧道內(nèi)車道數(shù)、隧道長度和單洞日平均交通量等因素綜合考慮，并將隧道安全等級劃分為A+、A、B、C、D五級，如圖3所示。

圖1　日本公路隧道安全等級

圖2　英國公路隧道安全等級

q—隧道單洞年平均日交通量(折合小客車)；L—隧道單洞長度。

圖3我國公路隧道交通工程與附屬設(shè)施分級

由圖1～3可以看出，以上國家公路隧道防災(zāi)安全等級制定大多只考慮了隧道長度和交通量對其產(chǎn)生的影響。但實(shí)際上，影響公路隧道防火安全等級建立的遠(yuǎn)不止以上2個(gè)因素，還需考慮其他因素綜合決定。目前采用的這些防火(防災(zāi))標(biāo)準(zhǔn)，既不能充分說明影響公路隧道營運(yùn)安全的潛在風(fēng)險(xiǎn)，也不能客觀和全面地反映公路隧道防火安全的真實(shí)需求，因此不具備全面性和客觀性。為此，筆者提出公路隧道機(jī)電設(shè)施配置以安全為設(shè)計(jì)目標(biāo)的基于綜合安全性能分析和評估的“性能化”配置方法。性能化機(jī)電系統(tǒng)配置是建立在火災(zāi)科學(xué)和隧道機(jī)電設(shè)備專業(yè)基礎(chǔ)之上，根據(jù)隧道主體結(jié)構(gòu)、洞內(nèi)交通通行方式與運(yùn)營管理環(huán)境等多方面的具體情況，對隧道的火災(zāi)危險(xiǎn)性和危害性進(jìn)行定量的預(yù)測和評估，從而得出隧道防災(zāi)等級，并根據(jù)防災(zāi)等級進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)配置。其目的就是為科學(xué)合理地對公路隧道防火安全劃分提供思路。

1基于營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)的高速公路隧道防災(zāi)等級劃分

高速公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系主要從隧道主體結(jié)構(gòu)、交通組成情況、隧道內(nèi)交通情況及運(yùn)營管理等方面考慮，建立高速公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的指標(biāo)，如圖4所示。由圖4可知，決定公路隧道火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素主要有公路隧道長度因子(F1)、公路隧道類型因子(F2)、公路隧道縱坡因子(F3)、隧道主體結(jié)構(gòu)其他因素(F4)、隧道內(nèi)車道寬度因子(F5)、大型車比例因子(F6)、隧道內(nèi)交通量因子(F7)以及危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛管理情況因子(F8)。

圖4　公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

1.1影響指標(biāo)的量化

1) 公路隧道長度因子(F1)。

公路隧道長度因子(F1)指隧道進(jìn)出口兩端間的物理距離。F1越大，隧道內(nèi)容納的車輛數(shù)就越多，隧道發(fā)生安全事故的幾率就增大，同時(shí)也會(huì)給駕駛員生理、心理帶來較大壓力。F1的風(fēng)險(xiǎn)評分取值見表1。

表1　F1風(fēng)險(xiǎn)評分取值

2) 公路隧道類型因子(F2)。

關(guān)于隧道類型因子(F2)的安全評分標(biāo)準(zhǔn)方法，筆者在咨詢業(yè)內(nèi)相關(guān)專家的基礎(chǔ)上進(jìn)行了總結(jié)和歸納，見表2。

表2　F2風(fēng)險(xiǎn)評分取值

3) 公路隧道縱向坡度因子(F3)。

隧道的縱向坡度因子(F3)是反映隧道縱向線形的主要指標(biāo)，其縱坡長度和坡度直接影響行車安全，故我國JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對其規(guī)定為不小于0.3%和不大于3.0%以確保行車安全。因此，本文將該風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)范圍確定為0～3。其風(fēng)險(xiǎn)評分取值見表3。

表3　F3風(fēng)險(xiǎn)評分取值

4) 隧道主體結(jié)構(gòu)其他因素(F4)。

隧道主體結(jié)構(gòu)的其他因素(F4)主要考慮隧道內(nèi)是否存在交叉路口結(jié)合段(路線分流或合流段)、長下坡路段等，其風(fēng)險(xiǎn)評分取值見表4。

表4　F4風(fēng)險(xiǎn)評分取值

5) 隧道內(nèi)車道寬度因子(F5)。

一般來說，行車道越寬則發(fā)生交通事故率AR的幾率越低，兩者之間大體上呈線性關(guān)系，如式(1)所示。

(1)

式中：f(w)為隧道行車道寬度風(fēng)險(xiǎn)評分取值；w為隧道行車道寬度，m。

6) 大型車比例因子(F6)。

通過大量營運(yùn)調(diào)研可知，車型構(gòu)成比例與事故發(fā)生率之間呈現(xiàn)類拋物線的發(fā)展趨勢。大型車比例因子(F6)風(fēng)險(xiǎn)評分見表5。

表5　F6風(fēng)險(xiǎn)評分取值

7) 隧道內(nèi)交通量因子(F7)。

隧道內(nèi)交通量因子(F7)是指在指定時(shí)間內(nèi)通過隧道的實(shí)際交通車輛或者預(yù)測交通量，交通量指標(biāo)對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評分標(biāo)準(zhǔn)見表6。

8) 危險(xiǎn)物品運(yùn)輸管理因子(F8)。

危險(xiǎn)品運(yùn)輸直接影響高速公路隧道中火災(zāi)發(fā)生的幾率和嚴(yán)重程度，對于高速公路隧道危險(xiǎn)品運(yùn)輸管理因子(F8)的風(fēng)險(xiǎn)評分，建議參照表7進(jìn)行。

表6　F7風(fēng)險(xiǎn)評分取值

表7　F8風(fēng)險(xiǎn)評分取值

為統(tǒng)一各風(fēng)險(xiǎn)因素評分值都介于[0，1]之間，需通過式(2)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化換算。

(2)

式中：yi為各分項(xiàng)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評分標(biāo)準(zhǔn)化換算值；fi為各分項(xiàng)實(shí)際評分取值；max(fi)為各分項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)最大值。

1.2各參數(shù)間的相互影響關(guān)系

高速公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)主要由F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7以及F8等8項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)決定。各項(xiàng)主要風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)相關(guān)關(guān)聯(lián)互相影響，主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1) 與F3有影響的其他風(fēng)險(xiǎn)因子有： F1、F2、F4。

2) 與F5有影響的其他風(fēng)險(xiǎn)因子有： F1、F4、F6、F7。

3) 與F7有影響的其他風(fēng)險(xiǎn)因子有： F6和F8。

4) 與F8有影響的其他風(fēng)險(xiǎn)因子有： F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7。

1.3風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重確定

根據(jù)已量化的影響公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子及本文1.2節(jié)分析的各風(fēng)險(xiǎn)因子之間的相互關(guān)系，擬利用群組決策的方法來計(jì)算公路隧道各風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重，操作步驟如下。

步驟1：如某工程擬邀請6位專家參與公路隧道各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重決策，專家編號(hào)為1～6。

步驟2：確定決策所需要的兩兩判斷矩陣。根據(jù)指標(biāo)間的相互影響關(guān)系，分析需要給出9個(gè)兩兩判斷矩陣。

步驟3：判斷矩陣數(shù)據(jù)收集。

步驟4：將各位專家提供的判斷矩陣以加權(quán)超級矩陣、計(jì)算未加權(quán)超級矩陣和極限超級矩陣進(jìn)行計(jì)算。

步驟5：利用證據(jù)理論融合算法將各專家給出的公路隧道各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重向量進(jìn)行整合。

得到風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)權(quán)重向量：

q={0.1190.1030.1110.0990.1030.1540.1500.161}

由權(quán)重向量q可知，各風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)對公路隧道群火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響由大到小依次為： F8> F7> F6> F1，F(xiàn)2> F4>F3> F5。

2火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評分標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整依據(jù)見表8。將表8中高速公路隧道各火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子評分值的最大和最小向量值根據(jù)本文第1節(jié)介紹的評判分值進(jìn)行調(diào)整后，得到各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評分標(biāo)準(zhǔn)化值，見表9。

表8　各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評分標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整依據(jù)

表9　各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評分標(biāo)準(zhǔn)化值(根據(jù)實(shí)際調(diào)整后)

將表9中調(diào)整后各高速公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子評分值的最大和最小向量值分別與各因子權(quán)重向量相乘(如式(3))，可計(jì)算得到高速公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)值的極值。

隧道火災(zāi)總風(fēng)險(xiǎn)值可由下式計(jì)算得到：

s=∑qi×fii=1,2,…,8

(3)

式中：s為隧道火災(zāi)總風(fēng)險(xiǎn)值；wi為隧道各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)權(quán)重；i為風(fēng)險(xiǎn)所在項(xiàng)。

將各風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重向量與標(biāo)準(zhǔn)分值代入式(3)，可計(jì)算得到隧道火災(zāi)總風(fēng)險(xiǎn)值：

s=∑qi×fi=[0.1190.1030.1110.099

0.1030.1540.1500.161]×

因此，根據(jù)公路隧道土建基礎(chǔ)資料，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算過程可按以下3個(gè)步驟操作。

1) 根據(jù)影響隧道安全營運(yùn)的各風(fēng)險(xiǎn)因素對照表(或計(jì)算式)分別列出其風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)。

2) 對各風(fēng)險(xiǎn)因子的風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)進(jìn)行換算，使其統(tǒng)一為[0，1]之間的標(biāo)準(zhǔn)分值。

3) 將各風(fēng)險(xiǎn)因子的標(biāo)準(zhǔn)分值與各火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重向量相乘，得到該公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的最終評分值。

3隧道防災(zāi)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

對公路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評分就是為了客觀劃分公路隧道防災(zāi)等級，便于公路隧道防災(zāi)設(shè)備合理化配置。當(dāng)然，還應(yīng)根據(jù)我國相關(guān)法規(guī)或技術(shù)規(guī)范，并結(jié)合工程特點(diǎn)，因地制宜地配置機(jī)電設(shè)備。參考國內(nèi)外公路隧道防災(zāi)等級主流劃分方法，結(jié)合我國公路隧道管理實(shí)際情況，擬定我國公路隧道防災(zāi)等級劃分，見表10。

表10　高速公路隧道防災(zāi)等級劃分

4基于防災(zāi)等級的公路隧道機(jī)電系統(tǒng)配置

公路隧道防災(zāi)等級劃分是隧道機(jī)電系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)，公路隧道機(jī)電系統(tǒng)配置要求見表11。

表11　基于防災(zāi)等級的機(jī)電系統(tǒng)配置

注：●為應(yīng)配設(shè)備，對應(yīng)防災(zāi)等級應(yīng)配置的機(jī)電設(shè)備；○為可選設(shè)備，根據(jù)隧道所處防災(zāi)等級及資金等情況酌情可選的設(shè)備；◇為不作要求。

5基于防災(zāi)等級的性能化機(jī)電系統(tǒng)在廣樂高速公路隧道中的應(yīng)用

廣樂高速公路全長約260 km，主線設(shè)計(jì)時(shí)速100 km，雙向6車道標(biāo)準(zhǔn)建造。全線共設(shè)置隧道約28座，其中短隧道9座、中隧道6座、長隧道11座、特長隧道2座。部分隧道穿越粵北高海拔多霧區(qū)，且隧道所在路段交通量大、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高，故防災(zāi)減災(zāi)壓力較大。

本文以廣樂高速公路長基嶺隧道為例，對基于防災(zāi)等級的性能化機(jī)電系統(tǒng)在該隧道的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。長基嶺隧道單洞長約3.9 km，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km，為雙洞單向交通高速公路隧道，具體營運(yùn)狀況見表12。按本文研究的隧道營運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)等級劃分方法對其進(jìn)行分析，結(jié)果見表13。

根據(jù)計(jì)算，長基嶺公路隧道近遠(yuǎn)期防災(zāi)安全等級均為II級，結(jié)合表11和表13即可得到其防火等級及安全設(shè)施配置標(biāo)準(zhǔn)。長基嶺隧道采用基于防災(zāi)等級配置的消防設(shè)施與按JTG D70/2—2014要求配置的消防設(shè)施相比，主要減少了環(huán)境監(jiān)測設(shè)施配置要求，而這類設(shè)施在隧道火災(zāi)下人員疏散和救援中發(fā)揮作用也較小，因此降低了工程建設(shè)和營運(yùn)管理成本，同時(shí)使隧道機(jī)電設(shè)施配置更適應(yīng)防災(zāi)實(shí)際需求。此外，制定的隧道營運(yùn)時(shí)各風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)評分可更直觀地反映隧道風(fēng)險(xiǎn)源所在，突出了營運(yùn)管理人員的工作重心，對保障隧道安全營運(yùn)具有指導(dǎo)作用。

表12　長基嶺隧道運(yùn)營狀況

表13　長基嶺隧道運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)分析評分

廣樂高速公路作為京港澳高速公路的復(fù)線，日交通量大、大型車比例較高，又因尚未禁止或限制危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛在隧道內(nèi)通行，致使該隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)較大，即安全等級評級較高。因此，從筆者對長基嶺公路隧道營運(yùn)情況的回訪來看，其營運(yùn)管養(yǎng)部門通過各風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)評分可更直觀地了解到隧道風(fēng)險(xiǎn)源所在，故有的放矢地組織運(yùn)營管理人員進(jìn)行安全技能培訓(xùn)，將防災(zāi)減災(zāi)工作培訓(xùn)形成制度化。隧道營運(yùn)2年多來未出現(xiàn)安全事故。

6結(jié)論

本文綜合考慮公路隧道長度因子、公路隧道類型因子、公路隧道縱坡因子、隧道主體結(jié)構(gòu)其他因素、隧道內(nèi)車道寬度因子、大型車比例因子、隧道內(nèi)交通量因子以及危險(xiǎn)品運(yùn)輸車輛管理情況因子等因素對隧道安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并通過權(quán)重計(jì)算分?jǐn)?shù)劃分出隧道安全等級。而長基嶺隧道采用基于營運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)的高速公路隧道防災(zāi)等級劃分方法能客觀地反應(yīng)出隧道營運(yùn)時(shí)各風(fēng)險(xiǎn)源比重，因此，管養(yǎng)人員能及時(shí)地、有針對性地采取措施以防運(yùn)營事故的發(fā)生。實(shí)踐證明，運(yùn)用該方法劃分的隧道安全等級與目前國內(nèi)外公路隧道劃分的安全等級相比具有如下特點(diǎn)。

1) 更具客觀性。本文介紹的基于防災(zāi)等級的性能化機(jī)電設(shè)施配置法除考慮交通量和隧道長度外還考慮了隧道縱坡、車道數(shù)、交通量等因子。

2) 更具精準(zhǔn)性。將隧道各風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)進(jìn)行的權(quán)重評分與風(fēng)險(xiǎn)評估表明的隧道風(fēng)險(xiǎn)等級評分進(jìn)行比較即可得到該隧道對應(yīng)的安全等級。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.JTG D70/2—2014公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(第二冊)[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]日本公路隧道消防安全根據(jù)道路工團(tuán).隧道非常(緊急)用設(shè)施設(shè)計(jì)要領(lǐng)[M].東京：日本実業(yè)出版社，2010.

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Research on Classification Methods for Grades of Disaster Prevention in Expressway Tunnels Based on Operational Risks

LI Ke, DING Hao, WANG Shaofei, WANG Xiaojum

Abstract:In accordance with analysis for multiple potential operational risks of highway tunnels, this paper proposes classification of grades of disaster prevention of expressway tunnels based on operational risks, and meanwhile puts forward the allocation methods for performance optimization of electromechanical facilities of expressway tunnels based on the grades of disaster prevention to overcome one-sidedness and limitation of the existing standards. The paper verifies the research achievements with Changjiling Highway Tunnel on Guangzhou—Lechang Expressway.

Keywords:highway tunnel; operational risk; grade of disaster prevention

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.029

基金項(xiàng)目：廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2009-01-001-08)

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：李科(1983-)，男，重慶市人，本科，工程師。

文章編號(hào)：1009-6477(2016)03-0132-06中圖分類號(hào)：U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A