长大公路隧道运营安全综合评价研究

侯靖宇，杨其新，郭 春

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031)

长大公路隧道运营安全综合评价研究

侯靖宇，杨其新，郭 春

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031)

为提升长大公路隧道安全运营潜势，根据隧道运营环境特点，提出分段评价思想，运用Delphi法建立了隧道各区段运营安全综合评价指标体系，运用乘积标度法分别确定了各指标权重；根据模糊综合评价理论，提出了适用于长大公路隧道的主、客观相结合，定量分析为主的综合评价方法，并且建立了基于评价结果的响应机制。最后，通过某特长隧道的实践验证，表明该综合评价方法能够真实地反映出隧道运营安全态势，而建立的响应机制也能合理地评判评价结果。

公路隧道；运营安全；分段评价；乘积标度法；模糊综合评价

长大公路隧道大多位于山区，隧道运营环境较为封闭，故隧道内发生事故、灾害时，人员的救援、逃生都面临着一定的困难，易造成较大的人员伤亡和经济损失。针对公路隧道运营安全，国内外学者均作了大量研究。欧洲Euro Test通过计算隧道的安全潜势和风险潜势来最终确定隧道的安全等级，其计算中考虑了隧道长度、交通量、重车比例、危险品运输等因素[1]；日本学者主要从隧道长度及交易量的因素，对不同隧道划分以不同的安全服务等级[2]；我国学者则运用层次分析法、熵权法、模糊综合评价法等从不同的角度对高速公路隧道运营安全进行了研究[3-6]。目前，国内学者针对于长大公路隧道运营安全研究还偏少，且对评价结果处理也缺乏进一步研究。

针对长大公路隧道，提出分段评价的思想，从土建结构、机电设施等4个方面，采用主客观相结合的赋权法(乘积标度法)确定指标权重，并且基于模糊理论对隧道运营安全综合评价、评价结果处理进行了研究，为隧道运营安全评价研究提供一定的参考。

1 长大公路隧道运营区段特性分析

根据统计研究，长大公路隧道运营环境有着明显的区段特性。

(1)根据国内学者研究[7，8]，隧道洞口外应设置不小于3S(5S)设计速度行程的过渡段，以避免车辆在进出洞时因视距不佳诱发的交通事故；且隧道洞内运营安全也与洞口处的一些安全设施息息相关。故对隧道运营安全进行评价的区段应包含隧道洞外的一定里程。

(2)相对于隧道中段，隧道洞口段的事故率相对偏高。统计[9-11]显示，隧道洞口内外300 m左右的区段为事故的高发地段。原因主要为：隧道是线路上行车环境变化较为剧烈的地段，其洞口段作为过渡的区段，驾驶员一般需要在此段内适应新环境。

(3)驾驶员在洞口段行驶时需要视觉适应且隧道路面亮度具有一定的过渡特性。驾驶员在驶入和驶出隧道时，视觉上存在着“黑洞现象”、“白洞现象”，这也是洞口高事故率的原因之一。目前，国内外隧道照明设计都采用分段设计的方法，洞口段的照明设计亮度要比隧道中段的大一些，以此来消除驾驶员驶入驶出隧道时产生的视觉震荡。

(4)隧道的路面抗滑性具有一定的区段特性。隧道洞口内外路面的抗滑性存在着突变，其主要体现为：①隧道内外路面结构不同，隧道外路面多为沥青路面，洞内一般为水泥路面；②洞口处易受洞外环境影响，雨雪等天气状态下，易造成洞口内外路面抗滑性能差异；③洞内车辆产生的烟尘不易消散，吸附在路面造成其抗滑性能下降。

由上述分析可知，隧道运营安全与洞外一定里程内的线路线形及安全设施相关，进行长大隧道运营安全评价时也应包含隧道进出口外的一定里程；其次，在整个评价里程内，运营环境有着明显的区段特性，隧道洞口段与隧道中段运营环境存在着显著的不同，故洞口段与隧道中段在进行具体评价时的指标体系与指标权重存在不同，即使同一指标在进行优劣评判时，不同区段的相对权重与评价标准也应存在差异。因此，在进行隧道运营安全评价时将整个隧道评价区段分为洞口段与隧道中段两个部分(图1)。

图1 隧道分段示意

2 长大公路隧道运营安全模糊综合评价模型

模糊综合评价法[12，13]是由底层指标逐层向上对受多重因素制约的对象做出总体评价的方法，其通过对不易定量分析的对象进行主观定性的描述，并加以定量刻画，最终得出综合评判结果。

2.1 安全评价指标体系

长大公路隧道运营安全受人、环境、管理等众多因素影响，为避免指标过多造成各因素在整体评价中的作用被弱化，应构建多层次指标体系来进行评价。在通过资料收集、现场调研、专家咨询确定的初选指标集的基础上，选取对隧道运营安全影响显著的指标，构建了洞口段与隧道中段的二层次评价指标体系(表1、表2)，由上到下分别称为目标层、准则层、指标层。其中，洞口段与隧道中段目标层因素集分别为U=(U1，U2，U3，U4)，C=(C1，C2，C3，C4)；若Us、Cs为准则层第s个因素集，分别受指标层n、m个因素制约，则准则层因素集分别为Us=(Us1，Us2，…，Usn)(s=1，2，3，4)，Cs=(Cs1，Cs2，…，Csm)(i=1，2，3，4)。

表1 洞口段指标体系和指标权重

2.2 指标权重集确定

一般来说，指标体系中各因素对隧道运营安全的影响程度是不相同的，这种不同可通过对不同指标赋予不同权重来体现。乘积标度法[14]是一种主客观相结合的赋权法，其思路是在进行指标的重要性比较时，不宜设置过多的层次，只设置“同样重要”、“稍微重要”两个等级，并且以此为基础进行递进的乘积分析。

乘积标度法具体思路是，若指标M与N进行两两比较，它们重要度“相同”时，其标度值为：

(1)

若指标M比指标N“稍微重要”的标度值为：

(2)

这里的1.354是根据层次分析法的9/9～9/1标度法、指数标标度法、10/10～18/2标度法的稍微重要的值取平均得到。若指标M比指标N“明显重要”的标度值为：

表2 隧道中段指标体系和指标权重

(3)

通过对各指标两两比较，然后进行归一化处理，即可确定指标权重向量。通过乘积标度法对隧道洞口段与隧道中段指标根据其相对重要程度分别确定指标权重集(表1、表2)，记目标层指标权重集分别为A=(A1，A2，A3，A4)，W=(W1，W2，W3，W4)，准则层指标权重集记为As=(as1，as2，…，asn)(s=1，2，3，4)，Ws=(ws1，ws2，…，wsm)(i=1，2，3，4)。

2.3 评语集与隧道安全等级

表3 安全等级对应表

2.4 综合评价

综合评价就是将评价目标的单因素评判矩阵与指标权重集、评语集进行一定的合成，得出最终评价结果的过程。评判矩阵表示的是评价指标对评语集的隶属度，是进行综合评判的初始数据，考虑到隧道运营安全指标体系是一个主客观指标混合的评价体系，评判矩阵可通过组建评价小组打分的方式获取；同时为了避免人为主观因素致使评价结果产生偏差，可对指标层指标拟定一定的参考标准，具体标准通过各隧道相关规范及国内外研究文献针对洞口段与隧道中段不同的运营环境详细制定。

例如，对于洞口段照明系统指标，制定的参考标准如下：①隧道洞口处照明入口段和照明过渡段灯具布设长度，满足规范要求；②洞口处照明亮度满足《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)中的要求；③照明设施完好率满足《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2003)要求；④对达到额定寿命的灯具检测、更换的频率满足要求；⑤洞外照明满足规范要求。对于隧道中段照明系统这一指标，制定的参考标准为：①照明设施完好率满足规范要求。②对达到额定寿命的灯具检测、更换的频率满足要求。③紧急停车带处灯具设置满足规范要求。④隧道横通道照明灯具设置满足规范要求。

若记RN=(rij)m×n为准则层因素(以洞口段为例)的评判矩阵

在确定了各准则层因素的综合评判结果向量之后，目标层因素即长大公路隧道运营安全的评判矩阵即为H=(B1，B2，…，Bs)T(s=1，2，3，4)，目标层因素综合评判结果向量为B=A∘H。“∘”表示模糊算子，本文选取加权平均型算子M(•，⊕)进行数据合成。

一般为了使评价的结果更为明确，对评判结果向量Bs与B进行进一步的处理，将其量化为具体评分，即为准则层各分系统与隧道运营安全的具体评分Ps、P，并可得对应评级，其中Ps=BsV，P=BV。

3 评价结果响应

通过对长大公路隧道运营安全评价结果的分析，制定相应的响应措施，才能够改善隧道的运营环境，提升隧道运营安全级别，保障运营中司乘人员与财产安全。模糊综合评价评分一般情况下可客观地反映出隧道运营安全状态，但也存在对下属指标评判信息丢失的情况，即可能会出现准则层个别指标评分较低而总体安全状态仍可达到良好的评判结果，而隧道运营安全是一个受各项因素同时制约的结果，一些下属指标的安全状态同样对整体运营安全有着重要的影响。因此，在评估整个评价结果时应同时考虑目标层总评分与准则层评分。本文在同时考虑准则层指标和目标层评价结果的基础上，制定了对评价结果的三级响应机制，其具体标准与响应方法如表4所示。

LC-Marx发生器模拟电路，如图2所示。电路中，L1—L3为反转电感，L4—L6为接地(隔离)电感，设置主开关在峰值时刻导通，典型输出电压波形如图3所示。基本特征是，负载电压在达到峰值之后迅速回零。图中给出了发生器半个周期的脉冲，开关在峰值时刻对输出脉冲进行了陡化，得到了如图3所示的快前沿脉冲。若要得到方波脉冲，需在此基础上叠加一个脉冲，延缓电压幅值回零的速度，就可获得一段近似的平顶。其本质是，在该频率的脉冲之上，叠加3倍频甚至更高倍频的脉冲。

表4 响应标准与对应处置措施

在做具体隧道评价时，根据不同评价结果可得出相应的响应级别。一般情况下，一级响应表明隧道现有运营条件很差，存在较多的安全隐患，限定管理机构在一定时间内完成提升；二级响应表示隧道运营条件基本满足现有状况，但也存在一定的安全隐患，评价人员应对指标层指标进行具体分析，对评价结果差的指标提出建议整改计划；三级响应表明隧道运营状态良好，可暂时不需进行整改。

4 长大公路隧道运营安全评价的实践验证

通过四川省某单洞双向行车特长隧道进行评价方法的实例验证。该隧道位于四川省甘孜州，全长4 176 m，并建有平导用于通风和逃生救援；隧道建于山区，洞口两端气候差异大；隧道车道宽3.75 m，限速30 km/h；隧道设有管理处，常备有消防车、清障车、备用发电机等设备，管理处制定了路政救灾、防汛救灾等紧急预案。评价小组成员共10人，主要组成人员有高校研究人员8人及设计院相关领域从业人员2人。评价小组依据对洞口段指标与隧道中段指标制定的不同评价标准，对隧道进行了运营安全评价。

洞口段指标层指标评价结果向量的确定：

同理，洞口段指标层其他指标评价结果向量与其评分评级为：

则洞口段隧道运营安全的评价矩阵为

综合评价结果向量为B(1)=AH(1)=(0.356，0.516，0.128，0)，总体评分为78.1，评级为合格。

对隧道中段进行相同方法评价，得土建结构评分为78.6，评级为合格；机电设施评分为83.7，评级为良好；事故防治与管理能力评分为81.7，评级为良好，交通环境评分为84.3，评价为良好；总体评分为81.9，评级为良好。

对照响应标准表，可以看到该隧道洞口段与隧道中段总体运营安全状态响应级别为二级，即隧道总体运营状况能满足现有要求，在条件允许的情况下可对隧道运营安全潜势做进一步的提升。

具体对洞口段指标分析，土建结构下洞口线形和路面状况指标评价较差，交通环境下车型比例和气候条件指标评价较差。建议在隧道洞口前一定距离增加减速提醒和车距确认标志，增加减速带、增加可变信息标志提醒洞口另一端气候和道路状况，增加路面清洗频率，采用抗凝冰材料改善路面，实行隧道车辆分类管理通行等。

具体对隧道中段指标分析，土建结构下避难救援结构和路面状况评价较差，交通环境下洞内空气质量和车型比例指标评价较差。由于避难救援结构无法进行改建，建议增加逃生引导标识，及时疏通逃生通道，路面可凿毛增加摩擦系数，增加路面清洗频率，更改隧道通风方案加强通风。

5 结论

(1)根据特长公路隧道运营环境特点分析，隧道运营安全评价应包含洞外一定里程，应分为洞口段与隧道中段两个区段具体进行；通过对不同区段确立相应指标体系与指标权重能够更好地反映出隧道运营环境特点与运营安全态势。

(2)针对长大公路隧道，分别建立洞口段与隧道中段指标体系。在进行隧道分段运营安全评价时，运用模糊综合评价法可将定性评判转为定量结果，能够使评价结果更直观地反映出隧道的运营安全态势。

(3)安全评价的目的在于提升隧道运营安全潜势，根据不同评价结果制定响应措施，可及时改善隧道运营环境，保障隧道安全、通畅。

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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

四川省交通运输厅科技项目(2011C20-4-1);中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU11ZT33)

侯靖宇(1991—)，男，硕士研究生，从事隧道运营安全方面研究，E-mail:houjingyu@live.com。

1004-2954(2015)11-0088-04

U458.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.021