趙佳虹，李鍶鍶，鄔標華，王 麗

(1.廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院， 廣東 廣州 510006；2.海南政法職業(yè)學院 公安司法系，海南 ?？?570100)

隨著公路網(wǎng)不斷向山嶺和水域延伸，我國危險品在隧道內(nèi)的運輸里程也逐漸增長。最近10年，我國公路隧道每年新增里程達到1 100 km以上，其中半開放等特定隧道建設(shè)數(shù)量呈現(xiàn)出持續(xù)上漲趨勢。由于半開放隧道兼具常規(guī)道路和封閉隧道的工程結(jié)構(gòu)特點，如果在運輸危險品時突發(fā)安全事故，則會對應急疏散和救援造成極大困難，因此，合理分析和度量半開放隧道內(nèi)的危險品運輸風險，是確保危險品運輸安全的必要條件。

近年來，國內(nèi)外學者在危險品道路運輸風險分析與度量領(lǐng)域積累了大量研究成果。首先，在風險度量研究方面，學者們先后構(gòu)建了傳統(tǒng)風險模型[1]、感知風險模型[2]、期望方差和反效用模型[3]及“暴露人口噸數(shù)”模型[4]；Verma、Vedat[5]構(gòu)建了擴散模型，評估危險廢物泄露對大氣環(huán)境的影響；Zhao、Vedat[6]及Eric等人[7-8]設(shè)計了危險品運輸?shù)沫h(huán)境風險度量模型；Liao等人[9-10]將運輸車輛的類型納入到風險度量范圍，分析了車輛型號不同對道路運輸風險評估的影響。

后來，在風險度量模型的應用研究方面，王列妮等[11]修正了傳統(tǒng)風險度量模型的參數(shù)，將風險影響因素細化后再進行統(tǒng)一量綱、量化，但未將事故泄露后果中的間接后果考慮進去；劉茂等人[12]將公路運輸風險頻率分析歸因于公路運輸時的容器泄露，得出路線事故率這一重要參數(shù)；韓建紅等人[13]從運輸可行性角度，結(jié)合經(jīng)濟-效率分析，對鐵路運輸液化氣的風險進行評估，并設(shè)定了運輸安全措施；馬曉麗等[14]通過分析城市道路中的各類風險源，結(jié)合基于有序Logit事故的概率模型和菱形標簽的事故后果評價模型，建立了城市道路危險品運輸綜合風險評估模型。

在特定交通基礎(chǔ)設(shè)施的運輸風險分析研究方面，王征等[15]在城市快速路這一環(huán)境下，分析了運輸動態(tài)因素、城市快速交通流特征及運輸風險的相關(guān)性，建立了城市快速道路危險貨物運輸動態(tài)風險評價模型；針對隧道這一特殊的交通設(shè)施，潘福全等[16]研究了海底隧道中各方因素對交通事故的影響，有針對性地提出了減少和防止交通事故發(fā)生的方法、途徑及對策。其中，在隧道內(nèi)運輸風險度量方面，林志等[17]在PIARC給出的公路隧道交通事故率的基礎(chǔ)上采用事件樹對隧道內(nèi)風險事故的條件損失概率進行分析；王少飛等[18]以九嶺山隧道為例，給出了公路隧道危險品運輸事故災害等級及應急救援流程，提出了危險品運輸車輛通過公路隧道時的交通管制措施；劉勇等[19]綜合公路隧道的特點與安全工程學原理，利用模糊層次分析法構(gòu)建運輸風險評價模型；馬欣[20]采用模糊綜合評價法，對鐵路危險貨物運輸中誘發(fā)事故的各因素進行排序，通過各因素的權(quán)重賦值，從人員管理、危險貨物和設(shè)備、環(huán)境三方面對危貨運輸?shù)恼w風險進行評估；黃合來等[21]針對湖南雪峰山隧道群路段，建立了事故頻次預測模型。

針對半開放隧道內(nèi)的危險品運輸風險分析與度量而言，以上研究成果主要存在以下不足：

1)主要研究常規(guī)危險品的運輸風險，其研究方法在評估特定類型危險品運輸潛在危害時，容易產(chǎn)生較大偏差；

2)主要探討常規(guī)道路上的危險品運輸風險，研究的交通基礎(chǔ)設(shè)施為全開放的城市道路，其研究方法難以分析相對封閉的隧道對風險擴散的影響；

3)在相關(guān)的隧道風險研究中，大多是從風險控制角度分析事故發(fā)生后的應急救援，很少從風險規(guī)避角度研究事故發(fā)生前的風險分析與度量；

4)單方面研究危險品運輸對經(jīng)濟、環(huán)境或人員的潛在傷害，并沒有綜合各個層面來評估危險品運輸?shù)南到y(tǒng)性影響。

鑒于此，本文特別以易爆危險品為主要研究對象，充分考慮易爆危險品的有害特性，確定半開放隧道內(nèi)運輸易爆危險品的潛在風險源；其次，根據(jù)半開放隧道的工程結(jié)構(gòu)特點，界定風險度量的主要內(nèi)容；再次，基于沖擊波理論和事故傷害模型的建模理念，構(gòu)建風險度量模型；然后，結(jié)合運輸風險的三條公理，對新模型進行可行性驗證；最后，通過算例分析來驗證模型的有效性。

1 易爆危險品運輸風險分析

如表1所示，半開放隧道兼具開放道路和全封閉隧道的結(jié)構(gòu)特點，在運輸易爆貨物發(fā)生事故時，由于通風條件不同，爆炸或燃燒的程度必然大于密閉隧道，其破壞程度及救援難度遠大于開放道路。

表1 半開放隧道的結(jié)構(gòu)特點分析

易爆危險品在運輸過程中極易因為摩擦、明火、受熱等原因而發(fā)生爆炸事故，其中，爆炸產(chǎn)生的沖擊波、揚塵和易燃氣體，都會對周邊環(huán)境、財產(chǎn)和人員造成巨大危害。通常，在半開放隧道內(nèi)，承載著易爆危險品的運輸車輛以車隊形式在半開放的隧道內(nèi)運行，因此，易爆危險品的風險潛藏在移動的運輸車隊內(nèi)，其風險值與車隊中每一輛車內(nèi)裝載的易爆危險品數(shù)量密切相關(guān)。另外，隨著爆炸事故的發(fā)生，沖擊波、揚塵和易燃氣體對周邊環(huán)境也會產(chǎn)生直接危害，而處在危險環(huán)境中的財產(chǎn)和人員則會通過環(huán)境中的風險傳遞而遭受到間接危害，其中，受害環(huán)境的范圍、周邊財產(chǎn)和人員的數(shù)量都是反映危害程度的直接影響因素。

根據(jù)上述隧道工程結(jié)構(gòu)分析和風險影響因素分析，本文假設(shè)半開放隧道為單一的基元路段，將載有易爆危險品的車輛視作潛在風險源，可將半開放隧道內(nèi)的易爆危險品運輸風險定義為：在半開放隧道內(nèi)運輸易爆危險品時，由于爆炸事故的發(fā)生，在一定區(qū)域范圍內(nèi)，對周邊環(huán)境內(nèi)的財產(chǎn)和人員造成的有害影響。

2 易爆危險品運輸風險度量

若P為爆炸事故的概率，C財產(chǎn)和C人員代表一定區(qū)域范圍內(nèi)的財產(chǎn)經(jīng)濟損失和人員傷亡，則半開放隧道內(nèi)易爆危險品的運輸風險R可表示為

R=P×(C財產(chǎn)+C人員).

(1)

接下來依次詳細說明式(1)中P，C財產(chǎn)和C人員的計算方法。

2.1 事故概率(P)

若每一輛車的平均爆炸事故概率為Ph，當隧道內(nèi)運行車輛總數(shù)為Q時，爆炸事故概率P為

P=Ph×Q.

(2)

需要說明的是在一定區(qū)域范圍內(nèi)的損失，通?？捎嫗轱L險影響面積和單位面積內(nèi)損失量的乘積。財產(chǎn)經(jīng)濟損失和人員傷亡主要由爆炸的沖擊波造成，因此，本文將結(jié)合爆炸沖擊波模型來分別計算財產(chǎn)經(jīng)濟損失和人員傷亡參數(shù)C財產(chǎn)和C人員。

2.2 財產(chǎn)損失(C財產(chǎn))

本文計算的財產(chǎn)損失是一定風險影響面積內(nèi)的財產(chǎn)損失總量，因此，可將財產(chǎn)損失C財產(chǎn)表示為財產(chǎn)損失面積S財產(chǎn)與單位財產(chǎn)損失量ρ財產(chǎn)的乘積，即

C財產(chǎn)=S財產(chǎn)×ρ財產(chǎn).

(3)

(4)

式中：r的取值大小由易爆危險品爆炸量WTNT所產(chǎn)生的沖擊波來確定，而且還會受到爆炸損害系數(shù)k的影響。

本文根據(jù)沖擊波理論模型推導得出半徑(r)表達式為

(5)

通常，既有文獻都直接將易爆危險品運量全部計為爆炸量WTNT，然而，此類方法在半開放隧道內(nèi)并不適用。通常，當爆炸事故發(fā)生后，易爆危險品轉(zhuǎn)化為易燃氣體在隧道內(nèi)持續(xù)散播，由于半開放式隧道的工程結(jié)構(gòu)類似于一個側(cè)面半開的箱子，散播的易燃氣體一方面在隧道的密閉區(qū)域內(nèi)快速聚集，并與隧道內(nèi)空氣混合，另一方面，它們又逐漸往開放區(qū)域緩慢擴散，并最終完全消散在外部大氣環(huán)境中，因此，整體呈現(xiàn)出“一邊快速充氣，一邊緩慢漏氣”狀況?？梢?，運輸?shù)囊妆ｋU品總量(T)為爆炸量(WTNT)和泄露出隧道的損失量(L)之和，即

T=WTNT+L.

(6)

顯然，根據(jù)運輸風險最大化原則，當式(6)中的損失量L為最小值時，參與爆炸的易爆危險品全部轉(zhuǎn)化為易燃氣體，隧道內(nèi)易燃氣體濃度達到爆炸所需的濃度值。假設(shè)危險品在各個方向擴散速率一致，采用標準狀況下的氣體體積濃度與質(zhì)量濃度的轉(zhuǎn)換公式，將M設(shè)定為氣體的相對分子質(zhì)量，L0下限為易燃氣體的爆炸下限百分比，S截為半開放式隧道截面面積，S開口為半開放式隧道側(cè)邊開放結(jié)構(gòu)總面積，S隧道為隧道的完全封閉長方體表面積，則損失量L的計算可表示為

(7)

將式(7)代入式(6)，轉(zhuǎn)化后可得易爆危險品的爆炸量WTNT為

(8)

整合式(4)—式(8)的計算結(jié)果，并代入式(3)，得到C財產(chǎn)的計算公式為

(9)

2.3 人員傷亡(C人員)

同財產(chǎn)損失的計算方法類似，本文考慮的人員傷亡也是在一定風險影響區(qū)域內(nèi)的受害人口數(shù)量，可表示為人員傷亡面積S人員和人員密度ρ人員的乘積，即

C人員=S人員×ρ人員.

(10)

式(10)中，人員傷亡面積S人員的計算方法與財產(chǎn)損失面積S財產(chǎn)的計算式相同。一般地，當爆炸事故發(fā)生后，隧道內(nèi)駕駛員和乘客是人員傷亡損失的主要來源，假設(shè)半開放式隧道內(nèi)的車道數(shù)為n，日交通量為F(pcu/s)，每輛車上的平均人數(shù)為α，車輛平均時速為v(m/s)，車道寬度為d，半開放式隧道內(nèi)平均人員密度ρ人員可表示為

(11)

將式(5)和式(11)代入到式(10)中，可得計算式為

(12)

2.4 易爆危險品運輸風險度量模型

將式(2)、式(9)和式(12)代入到式(1)中，可得最終易爆危險品運輸風險度量模型為

(13)

該風險度量模型的構(gòu)建基礎(chǔ)是事故傷害模型和沖擊波理論，其中，事故傷害模型符合運輸風險3條基本公理，即路段評價單調(diào)性、路段選擇最優(yōu)和屬性單調(diào)性三條基本公理。通常，新建模型符合的公理越多，則表示其可行度和適應性越強，因此，為進一步驗證新建風險度量模型的有效性，本文將列明新建模型的三條公理證明過程。

3 三條公理的有效性驗證

3.1 三條公理

一個可信的風險度量模型，尤其是運輸風險的度量模型，應該最大限度地同時滿足路徑評價單調(diào)性、路徑選擇最優(yōu)和屬性單調(diào)性三條公理[22]。若RISK表示任一條路徑的風險，PH1，PH2分別為節(jié)點O1和D1、O2和D2間的可行路徑集合，則三條公理可做以下描述。

公理1：若ph1∈PH1，ph2∈PH2，且ph1?ph2，則RISK(ph1)≤RISK(ph2)。

公理3：若ph1∈PH1，ph2∈PH2，RISK=AISK，且AISK(ph1)≤AISK(ph2)，則一定有RISK(ph1)≤RISK(ph2)。

3.2 驗證過程

1)公理1：路段評價單調(diào)性證明。若ph1∈PH1，ph2∈PH2，且ph1?ph2，則一定有ph2=ph1∪{(i,j)}，顯然，對于式(13)而言，隧道(i，j)上每一輛車的平均爆炸事故概率HP、隧道內(nèi)運行車輛總數(shù)Q、參數(shù)π、爆炸損害系數(shù)k、易爆危險品的爆炸量WTNT、單位財產(chǎn)損失量ρ財產(chǎn)、隧道內(nèi)的車道數(shù)n、日交通量F、每輛車上的平均人數(shù)為α、車輛平均時速v、車道寬度d都為≥0的實數(shù)，因此，式(13)的取值恒≥0，路徑ph2的運輸風險大于等于路徑ph1，即RISK(ph1)≤RISK(ph2)，得證。

(14)

當式(13)中的各個參數(shù)取值都大于0時，其最終風險取值恒大于0，因此，將式(13)代入式(14)可知，RISK(phM)、RISK(ph2)、RISK(phN)均≥0。

(15)

(16)

其中，ph1′∈PH1，與假設(shè)條件矛盾,則公理2得證。

3)公理3：屬性單調(diào)性證明。對于式(13)而言，當式中的各個參數(shù)取值都大于0時，則式(12)必為一個恒≥0的值，且式(13)為單調(diào)遞增函數(shù)，因此,必然滿足屬性單調(diào)性。

綜上可知，本文構(gòu)建的半開放隧道內(nèi)易爆危險品運輸風險度量模型符合路段評價單調(diào)性、路段選擇最優(yōu)和屬性單調(diào)性三條基本公理，其使用的理論有效性和可行性得以推定。

4 算 例

在推定公理論證中可知，新建的風險度量模型具有一定合理性。為進一步論證該模型的有效性和魯棒性，本文結(jié)合公路隧道設(shè)計規(guī)范要求，采用文獻實例[23]的隧道相關(guān)參數(shù)(見表2)進行計算。隧道內(nèi)運輸?shù)囊妆ｋU品為液化易爆氣體丁二烯(極易揮發(fā)，爆炸下限為2%，相對分子質(zhì)量為54.09，爆熱為46 977.7 kJ/kg，液體密度0.621 1)[24]，運輸總量為10 m3，使用車輛為1輛儲罐車(容量為20 m3)[25]，該隧道所處地區(qū)周邊環(huán)境壓力取標準大氣壓101.325 kPa。

表2 隧道相關(guān)參數(shù)

4.1 計算結(jié)果分析

分別將算例參數(shù)代入到新建模型中，對只考慮人員傷亡的傳統(tǒng)風險模型和只考慮財產(chǎn)損失的傳統(tǒng)風險模型進行計算。如表3所示，對比以上三類風險的計算結(jié)果可知：

表3 新建模型和傳統(tǒng)風險模型計算結(jié)果對比

1)相較于傳統(tǒng)風險模型，新模型更符合爆炸事故的實際反應情況：傳統(tǒng)風險模型以運輸?shù)娜课ｋU品參與事故反應為計算前提，而新建模型只將直接參與爆炸的危險品量作為風險總量的計算基礎(chǔ)，并依據(jù)開放式隧道的結(jié)構(gòu)特性，考慮了危險品的損失量，其求得的財產(chǎn)經(jīng)濟損失和人員傷亡值分別降低了約4.9%和4.5%；

2)新模型的風險影響范圍估算更符合實際情況：傳統(tǒng)風險度量模型以常規(guī)的800 m為半徑進行風險值計算，而新建模型充分考慮了半開放隧道結(jié)構(gòu)對爆炸半徑的影響，對估算的風險影響范圍更合理，其度量結(jié)果更準確；

3)新模型綜合考慮了風險對人員和財產(chǎn)的共同影響，其考慮視角比傳統(tǒng)模型更為全面。

4.2 參數(shù)敏感性分析

為進一步驗證新模型計算結(jié)果對參數(shù)變化的魯棒性，將算例中的總運量作為基數(shù)T1，分別增加至2倍和減少至1/2，即T2=2×T1，T3=1/2×T1，依次代入新建模型進行獨立計算，其他參數(shù)保持不變。計算結(jié)果如表4所示，運輸量T與風險R具有正相關(guān)性，但不具備單位彈性，即當T變動一個單位時，R的變動將少于一個單位，參數(shù)敏感性呈收斂態(tài)。

表4 參數(shù)敏感性分析計算結(jié)果對比

5 結(jié) 論

為有效規(guī)避在隧道內(nèi)運輸易爆危險品的潛在風險，本文提出了一種半開放隧道內(nèi)的運輸風險分析與度量方法。

1)主要考慮易爆危險品的有害特性，確定運輸?shù)臐撛陲L險源；

2)根據(jù)半開放隧道的工程結(jié)構(gòu)特點，細致分析影響運輸風險的主要因素，并界定了相關(guān)風險度量的核心內(nèi)容，然后，基于沖擊波理論和事故傷害模型的建模理念，構(gòu)建風險度量數(shù)學模型；

3)結(jié)合運輸風險的三條公理，對新建模型進行可行性驗證，結(jié)果表明新建模型符合路段評價單調(diào)性、路段選擇最優(yōu)和屬性單調(diào)性三條基本公理，具備了傳統(tǒng)風險度量模型的優(yōu)勢和可行性；

4)通過一系列的算例和參數(shù)敏感性分析，驗證新模型的有效性和魯棒性。

計算結(jié)果表明：相較于傳統(tǒng)風險度量模型，新模型考慮的因素更為全面，風險度量結(jié)果更符合實際情況。此外，新模型對于危險品運輸量的敏感度較強，風險度量結(jié)果的變化趨勢與參數(shù)變化存在非單位彈性。