馮文生， 杜逸文， 徐海巖, *

(1. 蜀道投資集團有限責(zé)任公司， 四川 成都 610094； 2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

0 引言

近年來我國高速公路隧道建設(shè)取得了巨大成就，大量特長隧道和隧道群不斷涌現(xiàn)，隧道在改善高速公路線路、縮短行車距離、避免地質(zhì)災(zāi)害、保護生態(tài)環(huán)境等方面具有顯著的優(yōu)點，已成為高速公路的重要組成部分。隨著隧道建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，隧道群越來越多地出現(xiàn)在高速公路的設(shè)計中。隧道群作為高速公路的瓶頸路段及風(fēng)險控制關(guān)鍵區(qū)域，即使發(fā)生較小的交通事故也極有可能阻礙整個高速公路路網(wǎng)的正常運行。已有研究[1-6]指出，公路隧道群進出口區(qū)段已然成為交通事故的高發(fā)區(qū)段之一，隧道群路段的事故頻率、嚴(yán)重程度和由此產(chǎn)生的交通影響均高于一般路段，隧道過渡段相對其他區(qū)段的事故發(fā)生率最高，尤其是多輛車事故在隧道過渡段居多。隧道群對于高速公路的交通安全管理起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)引起極大重視。

目前已有越來越多的研究者對隧道群進行了研究。何川等[7]首次提出了關(guān)于隧道群智能聯(lián)動控制技術(shù)的設(shè)想，即對多個隧道進行聯(lián)動運營管理；同時，也指出了要實現(xiàn)這個設(shè)想所面臨的問題，后來也有學(xué)者在此基礎(chǔ)上做了許多研究。周忠業(yè)等[8]考慮了視覺效應(yīng)對駕車者的影響，提出了隧道群的概念，并研究得出了隧道群段車輛的運行規(guī)律。王少飛[9]根據(jù)通風(fēng)、照明、交通安全、防火安全等因素，對毗鄰隧道和連續(xù)隧道進行了劃分。于麗等[10]根據(jù)駕駛?cè)艘曈X影響和隧道防災(zāi)，對高速公路隧道群進行了分段。王志杰等[11]針對高速公路隧道群的特點，考慮運營隧道的靜態(tài)因素和動態(tài)因素，建立了高速公路隧道群風(fēng)險評價體系，并開發(fā)了基于Web的風(fēng)險評估系統(tǒng)。韓星等[12]和閻瑩等[13]分別從污染物和視覺效應(yīng)的角度分析了隧道群和毗鄰隧道的間距。Wang等[14]和Huang等[15]對高速公路隧道群的交通事故特性進行了分析，并對隧道群的碰撞及交互風(fēng)險進行了研究，但未直接給出隧道群的定義，將隧道群表述為“彼此相鄰”的隧道。Mu等[16]對高速公路隧道群的交通組織和控制策略進行了研究，在交通流特征分析的基礎(chǔ)上將隧道群劃分為多個控制斷面進行研究，最終實現(xiàn)隧道群交通安全的區(qū)間聯(lián)動控制，關(guān)于隧道群的定義引用杜志剛等[17]的研究成果，將隧道群表述為高速公路路段上2個及2個以上的隧道。

既有隧道群的相關(guān)研究在分析思路和研究方法上具有一定的意義，但目前仍存在一些問題有待探討。JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》中規(guī)定“間隔100 m以內(nèi)的連續(xù)隧道，宜整體考慮其平、縱線形技術(shù)指標(biāo)”，未明確規(guī)定其為隧道群，且僅僅在設(shè)計階段考慮其影響?！豆匪淼捞豳|(zhì)升級行動技術(shù)指南》(簡稱“技術(shù)指南”)中規(guī)定的“相鄰隧道間距小于按設(shè)計速度行駛6 s的長度可認(rèn)為是隧道群段”，此值(對設(shè)計速度100 km/h的連接段，間距約為170 m)主要考慮的因素是救援疏散，在隧道發(fā)生災(zāi)害時，若兩隧道相鄰過近，則視為隧道群，救災(zāi)時應(yīng)盡量將人或受災(zāi)車輛拉到隧道群外。此外,相關(guān)研究[16-18]中亦將隧道群定義為公路路段上有2座或者2座以上且間隔較短的隧道，包含毗鄰隧道和連續(xù)隧道，其中,間距小于250 m的相鄰隧道為毗鄰隧道，間距為250～1 000 m的為連續(xù)隧道。根據(jù)JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》，從隧道照明角度考慮，車輛在2座公路隧道之間行駛時同時受到這2座隧道的影響(一般間距小于車輛行駛15 s的長度)。以上研究和規(guī)范從救援疏散、照明等因素對隧道群進行了定義，定義所得隧道間距或行車時間存在一定差異，整體上不完全具備統(tǒng)一性；同時，由于定義的臨界間距過小可能使得應(yīng)急救援、照明和通風(fēng)等布局不到位，導(dǎo)致隧道事故發(fā)生概率增大，對隧道運營安全、人身安全和國民經(jīng)濟等造成損害。

基于以上提出的不足之處，本文針對高速公路隧道群與普通隧道的多方面區(qū)別，采用層次分析法考慮多因素耦合并確定其權(quán)重，提出新的較為全面的隧道群定義，以期為隧道群的設(shè)計、施工、運營提供理論基礎(chǔ)。

1 隧道群定義影響因子的確定

根據(jù)運營階段普通隧道與隧道群之間的差別，以及既有的關(guān)于隧道群運營方面的研究成果，本文考慮以隧道通風(fēng)、隧道照明、隧道消防安全、隧道交通安全、駕駛?cè)艘曈X特性等因素綜合確定隧道群定義間距。

關(guān)于高速公路隧道群的定義問題無疑是綜合表征隧道群相鄰隧道間高度緊密相互影響的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題。本文提出的考慮多因素耦合的高速公路隧道群定義能夠為隧道防災(zāi)救援、隧道安全運營及綠色節(jié)能等提供正向反饋作用[1,5,19]，能夠以此為基礎(chǔ)提出更加適應(yīng)性的高速公路隧道群交通安全風(fēng)險判別體系及風(fēng)險評估系統(tǒng)，能夠為高速公路隧道群的照明設(shè)計、通風(fēng)設(shè)計、消防安全、安全運營及綠色節(jié)能等提供依據(jù)，以進一步提出適應(yīng)性的高速公路隧道群交通安全管理方案。

1.1 隧道通風(fēng)的影響

隧道在運營過程中，通風(fēng)效率是最重要的因素之一。由于汽車尾氣在隧道內(nèi)聚集，通風(fēng)效果差會導(dǎo)致隧道內(nèi)能見度降低、地面的摩擦因數(shù)降低、空氣質(zhì)量降低等問題。這些問題都會導(dǎo)致隧道運營的安全性下降，事故發(fā)生的概率上升。對于一般隧道，現(xiàn)仍多采用縱向通風(fēng)方案。而在隧道群中，由于兩相鄰隧道連接段較短，可能面臨隧道間污濁空氣交叉污染的問題，而縱向通風(fēng)方案對這一問題尤其敏感(見圖1)。故在隧道群設(shè)計中應(yīng)該考慮連接段的影響?，F(xiàn)行規(guī)范亦未對隧道群進行特別規(guī)定，考慮到隧道群的定義界定對其建設(shè)、營運及安全管理都能夠產(chǎn)生直接或間接的影響，故需要對其進行特別研究。

圖1 隧道群通風(fēng)影響示意圖

由文獻[12]可知，相鄰隧道錯開一定距離能有效降低上下游隧道間污染物的擴散影響，且當(dāng)兩相鄰隧道的間距大于400 m時，上游隧道污染物對下游隧道的影響降低到5%，可以忽略不計。故根據(jù)隧道通風(fēng)的影響，可以把間距≤400 m的相鄰隧道定義為隧道群。

1.2 隧道照明的影響

不同于高速公路的其他區(qū)域，隧道作為高速公路的重要組成部分，在其內(nèi)需要設(shè)置照明裝置。由于隧道處于相對較封閉的環(huán)境，自然光難以照射到其中；且隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量往往較差，導(dǎo)致洞內(nèi)能見度較低。若不設(shè)置照明裝置或照明效果不好，對車輛的行駛以及駕駛?cè)说陌踩紩斐奢^大威脅。駕駛?cè)嗽谒淼纼?nèi)行駛時已經(jīng)適應(yīng)洞內(nèi)的黑暗環(huán)境(暗適應(yīng))，出隧道時駕駛?cè)送蝗粊淼矫髁恋沫h(huán)境中，又需要重新適應(yīng)環(huán)境的亮度(明適應(yīng))。與普通隧道相比，隧道群的隧道連接段距離相當(dāng)短，駕駛?cè)艘诙虝r間內(nèi)反復(fù)經(jīng)歷明適應(yīng)及暗適應(yīng)過程(見圖2)，對駕駛?cè)说鸟{駛專注度和行駛狀態(tài)都有影響。連接段的長度是決定是否采取相關(guān)措施的關(guān)鍵因素。

圖2 隧道群照明影響示意圖

據(jù)JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設(shè)計細(xì)則》4.1.5條，當(dāng)2座隧道間的行駛時間按設(shè)計速度計算小于15 s且通過前一座隧道的行駛時間大于30 s時，后續(xù)隧道入口段亮度應(yīng)進行折減。表1示出了不同設(shè)計速度下需要進行照明強度折減的上游隧道最短長度以及隧道間最大間距。此條文對隧道群有所涉及，對下游隧道的照明強度進行折減，說明只考慮到了駕駛?cè)说拿鬟m應(yīng)過程未結(jié)束，但未考慮到連續(xù)的明暗適應(yīng)對駕駛?cè)说挠绊?。根?jù)葉飛[20]關(guān)于駕駛?cè)艘曈X敏感適應(yīng)變化規(guī)律的研究，兩相鄰隧道間距小于50 m時，就要在上游隧道出口段設(shè)置遮光棚或者考慮亮度漸變式結(jié)構(gòu)設(shè)計；當(dāng)兩隧道間距為50～100 m時，需要在下游隧道進口段減弱環(huán)境光照度，即在下游隧道進口處設(shè)置減光結(jié)構(gòu)。綜合考慮以上情況，考慮隧道照明影響的隧道群定義間距見表2。

表1 需要進行照明強度折減的上游隧道最短長度及隧道間最大間距

表2 考慮隧道照明影響的隧道群定義間距

1.3 隧道消防安全的影響

隧道消防安全已經(jīng)成為各國都十分重視的問題，隧道內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣和熱量難以排出，在隧道內(nèi)很容易造成二次傷害。對于隧道群，由于隧道相鄰較近，相鄰隧道的煙氣可能互相影響(見圖3)，故需要采用特殊的排煙設(shè)計，且疏散人員的方案不能僅按照普通隧道來設(shè)計。

圖3 隧道群消防安全影響示意圖

根據(jù)李琦等[21]的研究，對于洞口間距大于400 m的相鄰鐵路隧道，當(dāng)起火的列車停在連接段時對兩側(cè)的隧道無影響，則可將隧道看作單體隧道。又有研究表明，當(dāng)隧道間距大于100 m時，能夠保證上游隧道發(fā)生火災(zāi)后煙氣不流入下游隧道[22]。考慮到汽車長度較鐵路列車短，故取100～400 m為高速公路隧道群的定義間距。按照最安全原則考慮，考慮隧道消防安全時的隧道群定義為間距小于400 m的相鄰隧道。

1.4 隧道交通安全的影響

一般隧道的設(shè)計速度要比高速公路小，且進入隧道時會有暗適應(yīng)過程，車輛在進入隧道時會有一定的減速傾向，出隧道時會有加速的傾向。在隧道群中，車輛在短時間內(nèi)經(jīng)歷這2個過程，可能會導(dǎo)致事故發(fā)生。這時需要增設(shè)交通標(biāo)志牌，以提前提示駕駛?cè)恕?/p>

研究表明，隧道連接段車輛的平均速度較高，甚至高于高速公路的普通路段[8]。基于此，考慮到隧道的交通安全，用車輛經(jīng)歷明適應(yīng)以及看到障礙物剎車的距離來定義隧道群。根據(jù)參考文獻[20]，明適應(yīng)過程持續(xù)時間很短，故假設(shè)明適應(yīng)時間為3 s。高速公路停車視距如表3所示?？紤]明暗適應(yīng)下的停車視距，隧道群的定義間距如表4所示。

表3 高速公路停車視距

表4 考慮停車視距的隧道群定義間距

1.5 駕駛?cè)艘曈X特性的影響

除了停車視距對交通安全的影響外，駕駛?cè)说囊曈X特性對交通安全亦有影響，基于視覺特性對隧道群定義的切入點是兩隧道間的連接段。若連接段足夠長，那么路段上的交通流將趨于穩(wěn)定，兩隧道將不會同時對行駛其間的車輛造成影響；反之，若連接段較短，隨著交通流的波動，將會對行駛其間的車輛產(chǎn)生影響，那么這2座相鄰的隧道即屬于一個隧道群。因此，隧道群定義的關(guān)鍵在于確定兩隧道連接段的臨界值。

當(dāng)駕駛?cè)笋偝鏊淼蓝纯跁r，要經(jīng)歷明適應(yīng)過程，駕駛?cè)说男睦硖匦允沟闷渫ǔ＞邆浼铀仝厔?；若此過程結(jié)束時，駕駛?cè)俗⒁朁c剛好落到下一個隧道洞口處，則會習(xí)慣性地減速，同時對行車安全造成影響，這一過程駕駛?cè)怂傔^的距離即為兩隧道連接段的臨界值。若兩相鄰隧道間的距離小于臨界值，則構(gòu)成隧道群。臨界值的計算包括2個部分，一是明適應(yīng)過程所駛過的距離，二是駕駛?cè)俗⒁朁c落在下一個隧道入口的距離。正常情況下駕駛?cè)说淖⒁朁c落在下一個隧道入口的距離如表5所示[10]。明適應(yīng)時間為3 s，故考慮駕駛?cè)艘曈X特性的隧道群定義間距見表6。

表5 正常情況下駕駛?cè)俗⒁朁c落在下一個隧道入口的距離

表6 考慮駕駛?cè)艘曈X特性的隧道群定義間距

2 考慮多因素耦合的隧道群定義

基于以上討論，充分考慮隧道通風(fēng)因素、照明因素、消防安全因素、交通安全因素、駕駛?cè)艘曈X特性以及技術(shù)指南中的規(guī)定“相鄰隧道間距小于按設(shè)計速度行駛6 s的長度可認(rèn)為是隧道群段”，匯總的定義信息見表7。

表7 考慮不同因素和不同設(shè)計速度下的隧道群定義間距

利用層次分析法，對各個因素的權(quán)重進行比較，構(gòu)造出判斷矩陣，并可定量確定以上因素對最終隧道群定義間距的影響權(quán)重。得出權(quán)重后，利用式(1)計算最后確定的隧道群定義間距L。

L=∑Liωi。

(1)

式中：Li為各因素下隧道群的定義間距， m；ωi為各因素的權(quán)重。

2.1 各因素權(quán)重的確定

基于層次分析法的特點，不將所有因素一起比較，而進行兩兩因素之間的比較，且用相對標(biāo)度來進行比較。采用層次分析法確定各因素權(quán)重的步驟如圖4所示。在應(yīng)用層次分析法時，有2種標(biāo)度方法，即指數(shù)標(biāo)度法和1-9標(biāo)度法。由文獻[23]可知，采用指數(shù)標(biāo)度法得出的結(jié)果相對更合理，故本文采用指數(shù)標(biāo)度法進行研究。指數(shù)標(biāo)度的含義如表8所示。表中取a=1.316是為了使在極端重要時兩因素之間的權(quán)重比為9∶1。

圖4 層次分析法中各因素權(quán)重確定步驟

表8 指數(shù)標(biāo)度含義

對于以上6個因素的標(biāo)度，邀請了某大學(xué)隧道與地下工程專業(yè)、交通工程防災(zāi)救援、交通運輸工程專業(yè)的10名知名教授及專家學(xué)者，對6個因素進行了重要性比較，得到的判斷矩陣如表9所示。其中，a取1.316。

表9 隧道群定義因素判斷矩陣

通過計算得到特征值λ=6．029 4，歸一化后的特征向量W及一致性指標(biāo)CI分別如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

式中n為判斷矩陣的階。

隨機一致性指標(biāo)RI如表10所示。當(dāng)CR(CR=CI/RI)小于0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的不一致性滿足要求。通過計算得到CI=0.005 9，CR=0.004 7，滿足要求。故各因素的權(quán)重如圖5所示。

表10 隨機一致性指標(biāo)

圖5 各因素權(quán)重

2.2 隧道群定義間距的確定

最終確定隧道群定義間距時，需要考慮各因素的重要程度以及隧道群定義間距增大帶來的設(shè)計、運營及管理等成本的上升。若一連續(xù)隧道段被定義為隧道群，在通風(fēng)設(shè)計上，需要在原單一隧道設(shè)計的基礎(chǔ)上考慮加強隧道通風(fēng)的設(shè)計功率，增加隧道內(nèi)風(fēng)機數(shù)量，甚至改變通風(fēng)方案；在照明設(shè)計上，需要考慮上下游隧道的減光措施；在消防安全上，應(yīng)將隧道群的消防救援措施視為一個整體，在設(shè)置救援站點時，如遇到長距離的隧道群，則需要設(shè)置中間救援站，以防隧道群發(fā)生事故時造成擁堵及人員疏散困難等問題，并且火災(zāi)煙氣可能流竄到其他隧道的問題也需要進行特殊的火災(zāi)煙氣排放設(shè)計；在交通安全上，對于隧道群，需要增添更多的提示性標(biāo)志、標(biāo)線及附屬設(shè)施；對駕駛?cè)艘曈X特性和技術(shù)指南的考慮包含以上內(nèi)容。可以看到，隧道群相比普通隧道，需要增加較多運營成本。從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，隧道管理者無法完全滿足以上因素來定義隧道群，因此需要做取舍。

根據(jù)式(1)，設(shè)計速度為80、100、120 km/h時，計算得到的隧道群定義間距分別為240、280、330 m，定義間距越大，越能滿足以上因素的要求。考慮到隧道群的定義應(yīng)該盡量滿足絕大部分因素的要求，且這些因素所占權(quán)重越大越好，故設(shè)計速度為80、100、120 km/h時取隧道群定義間距分別為300、350、400 m。其能滿足的總權(quán)重均超過85%，能夠滿足隧道通風(fēng)、照明、消防安全、交通安全、駕駛?cè)艘曈X特性、技術(shù)指南的要求。因此最后確定的隧道群定義間距如表11所示。

表11 最終確定的隧道群定義間距

3 結(jié)論與建議

本文采用文獻調(diào)研、現(xiàn)場調(diào)研和層次分析法作為主要研究方式，對高速公路隧道群的定義進行了探究，取得的主要結(jié)論如下。

1)通過廣泛的調(diào)研，明確了決定隧道群運營管理的主要因素為隧道通風(fēng)、隧道照明、隧道消防安全、隧道交通安全、駕駛?cè)艘曈X特性和技術(shù)指南。確定了各因素對應(yīng)的隧道群定義間距分別是： 隧道通風(fēng)400 m、隧道照明300 m(設(shè)計速度為80 km/h時)、隧道消防安全400 m、隧道交通安全180 m(設(shè)計速度為80 km/h時)、駕駛?cè)艘曈X特性480 m(設(shè)計速度為80 km/h時)、技術(shù)指南130 m(設(shè)計速度為80 km/h時)。

3)在以上研究的基礎(chǔ)上，采用層次分析模型，通過專家打分標(biāo)度得出交通安全和消防安全對隧道群定義的影響權(quán)重較大，綜合考慮交通安全、消防安全、隧道照明和技術(shù)指南的要求，確定隧道群的定義間距為300 m(設(shè)計速度為80 km/h時)。

在本文研究成果的基礎(chǔ)上，提出如下建議，以期為隧道群定義的進一步研究提供參考和借鑒。

1)本文關(guān)于隧道群的定義探討，整體上對相關(guān)重要因素進行了總結(jié)和研究，但未對重要因素下的2級因素進行深入探討，以后的研究中可對此進一步完善。

2)可采用其他方法對隧道群定義進行研究，采集更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策數(shù)據(jù)，以使得定義探討更加全面深入。

3)以上研究結(jié)果尚未考慮隧道處于不同地區(qū)導(dǎo)致的天氣等影響因素，因此還需進一步論證。