基于营运风险的高速公路隧道防灾等级划分方法研究

李　科，丁　浩，王少飞，王小军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆　400067)

基于营运风险的高速公路隧道防灾等级划分方法研究

李科，丁浩，王少飞，王小军

(招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067)

摘要：根据对公路隧道多种潜在运营风险的分析，提出基于营运风险的高速公路隧道防灾等级划分，同时提出基于防灾等级的高速公路隧道机电设施性能化配置方法，以有效克服现有标准的片面性和局限性。并以广乐高速公路长基岭公路隧道为例，对研究成果进行验证。

关键词：公路隧道；营运风险；防灾等级

公路隧道作为道路体系组成的特殊路段，因其具有事故发生几率大、危害程度高、处理难度大、社会影响深等特点，故是道路体系中的危险路段，也是营运管理的重点监管路段。为统一公路隧道防灾等级划分，规范隧道内减灾机电设备设置规模，提高公路隧道营运管理水平，最大程度降低事故发生及减少事故带来的负面影响，各国针对本国公路隧道实际营运情况，建立了自己的公路隧道防火安全等级体系。例如，日本公路隧道消防安全根据道路工团编制的《隧道非常(紧急)用设施设计要领》，按长度和交通量将公路隧道安全等级分为5个等级，如图1所示。英国颁布的《公路及桥梁设计手册》规定，公路隧道营运安全等级由隧道设计年度(一般按通车后第15自然年)的日平均交通量和隧道长度2个因素共同划定，如图2所示，其思路与日本《隧道非常(紧急)用设施设计要领》类似。我国2014年新颁布的JTG D70/2—2014《公路隧道设计规范》(第二册)中，要求公路隧道交通工程与附属设施配置分级应结合隧道内车道数、隧道长度和单洞日平均交通量等因素综合考虑，并将隧道安全等级划分为A+、A、B、C、D五级，如图3所示。

图1　日本公路隧道安全等级

图2　英国公路隧道安全等级

q—隧道单洞年平均日交通量(折合小客车)；L—隧道单洞长度。

图3我国公路隧道交通工程与附属设施分级

由图1～3可以看出，以上国家公路隧道防灾安全等级制定大多只考虑了隧道长度和交通量对其产生的影响。但实际上，影响公路隧道防火安全等级建立的远不止以上2个因素，还需考虑其他因素综合决定。目前采用的这些防火(防灾)标准，既不能充分说明影响公路隧道营运安全的潜在风险，也不能客观和全面地反映公路隧道防火安全的真实需求，因此不具备全面性和客观性。为此，笔者提出公路隧道机电设施配置以安全为设计目标的基于综合安全性能分析和评估的“性能化”配置方法。性能化机电系统配置是建立在火灾科学和隧道机电设备专业基础之上，根据隧道主体结构、洞内交通通行方式与运营管理环境等多方面的具体情况，对隧道的火灾危险性和危害性进行定量的预测和评估，从而得出隧道防灾等级，并根据防灾等级进行机电系统配置。其目的就是为科学合理地对公路隧道防火安全划分提供思路。

1基于营运风险的高速公路隧道防灾等级划分

高速公路隧道火灾风险评价指标体系主要从隧道主体结构、交通组成情况、隧道内交通情况及运营管理等方面考虑，建立高速公路隧道火灾风险评价的指标，如图4所示。由图4可知，决定公路隧道火灾发生的风险因素主要有公路隧道长度因子(F1)、公路隧道类型因子(F2)、公路隧道纵坡因子(F3)、隧道主体结构其他因素(F4)、隧道内车道宽度因子(F5)、大型车比例因子(F6)、隧道内交通量因子(F7)以及危险品运输车辆管理情况因子(F8)。

图4　公路隧道火灾风险评价指标体系

1.1影响指标的量化

1) 公路隧道长度因子(F1)。

公路隧道长度因子(F1)指隧道进出口两端间的物理距离。F1越大，隧道内容纳的车辆数就越多，隧道发生安全事故的几率就增大，同时也会给驾驶员生理、心理带来较大压力。F1的风险评分取值见表1。

表1　F1风险评分取值

2) 公路隧道类型因子(F2)。

关于隧道类型因子(F2)的安全评分标准方法，笔者在咨询业内相关专家的基础上进行了总结和归纳，见表2。

表2　F2风险评分取值

3) 公路隧道纵向坡度因子(F3)。

隧道的纵向坡度因子(F3)是反映隧道纵向线形的主要指标，其纵坡长度和坡度直接影响行车安全，故我国JTG D70—2004《公路隧道设计规范》对其规定为不小于0.3%和不大于3.0%以确保行车安全。因此，本文将该风险分数范围确定为0～3。其风险评分取值见表3。

表3　F3风险评分取值

4) 隧道主体结构其他因素(F4)。

隧道主体结构的其他因素(F4)主要考虑隧道内是否存在交叉路口结合段(路线分流或合流段)、长下坡路段等，其风险评分取值见表4。

表4　F4风险评分取值

5) 隧道内车道宽度因子(F5)。

一般来说，行车道越宽则发生交通事故率AR的几率越低，两者之间大体上呈线性关系，如式(1)所示。

(1)

式中：f(w)为隧道行车道宽度风险评分取值；w为隧道行车道宽度，m。

6) 大型车比例因子(F6)。

通过大量营运调研可知，车型构成比例与事故发生率之间呈现类抛物线的发展趋势。大型车比例因子(F6)风险评分见表5。

表5　F6风险评分取值

7) 隧道内交通量因子(F7)。

隧道内交通量因子(F7)是指在指定时间内通过隧道的实际交通车辆或者预测交通量，交通量指标对应的风险评分标准见表6。

8) 危险物品运输管理因子(F8)。

危险品运输直接影响高速公路隧道中火灾发生的几率和严重程度，对于高速公路隧道危险品运输管理因子(F8)的风险评分，建议参照表7进行。

表6　F7风险评分取值

表7　F8风险评分取值

为统一各风险因素评分值都介于[0，1]之间，需通过式(2)进行标准化换算。

(2)

式中：yi为各分项指标风险评分标准化换算值；fi为各分项实际评分取值；max(fi)为各分项风险分数最大值。

1.2各参数间的相互影响关系

高速公路隧道火灾风险主要由F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7以及F8等8项风险参数决定。各项主要风险参数相关关联互相影响，主要表现在以下几方面。

1) 与F3有影响的其他风险因子有： F1、F2、F4。

2) 与F5有影响的其他风险因子有： F1、F4、F6、F7。

3) 与F7有影响的其他风险因子有： F6和F8。

4) 与F8有影响的其他风险因子有： F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7。

1.3风险指标权重确定

根据已量化的影响公路隧道火灾风险因子及本文1.2节分析的各风险因子之间的相互关系，拟利用群组决策的方法来计算公路隧道各风险因子的权重，操作步骤如下。

步骤1：如某工程拟邀请6位专家参与公路隧道各风险因素权重决策，专家编号为1～6。

步骤2：确定决策所需要的两两判断矩阵。根据指标间的相互影响关系，分析需要给出9个两两判断矩阵。

步骤3：判断矩阵数据收集。

步骤4：将各位专家提供的判断矩阵以加权超级矩阵、计算未加权超级矩阵和极限超级矩阵进行计算。

步骤5：利用证据理论融合算法将各专家给出的公路隧道各风险因素权重向量进行整合。

得到风险参数权重向量：

q={0.1190.1030.1110.0990.1030.1540.1500.161}

由权重向量q可知，各风险参数对公路隧道群火灾风险的影响由大到小依次为： F8> F7> F6> F1，F2> F4>F3> F5。

2火灾风险值计算

各指标风险评分标准调整依据见表8。将表8中高速公路隧道各火灾风险因子评分值的最大和最小向量值根据本文第1节介绍的评判分值进行调整后，得到各指标风险评分标准化值，见表9。

表8　各指标风险评分标准调整依据

表9　各指标风险评分标准化值(根据实际调整后)

将表9中调整后各高速公路隧道火灾风险因子评分值的最大和最小向量值分别与各因子权重向量相乘(如式(3))，可计算得到高速公路隧道火灾风险值的极值。

隧道火灾总风险值可由下式计算得到：

s=∑qi×fii=1,2,…,8

(3)

式中：s为隧道火灾总风险值；wi为隧道各项风险参数权重；i为风险所在项。

将各风险因子的权重向量与标准分值代入式(3)，可计算得到隧道火灾总风险值：

s=∑qi×fi=[0.1190.1030.1110.099

0.1030.1540.1500.161]×

因此，根据公路隧道土建基础资料，火灾风险的计算过程可按以下3个步骤操作。

1) 根据影响隧道安全营运的各风险因素对照表(或计算式)分别列出其风险分数。

2) 对各风险因子的风险分数进行换算，使其统一为[0，1]之间的标准分值。

3) 将各风险因子的标准分值与各火灾风险因子的权重向量相乘，得到该公路隧道火灾风险的最终评分值。

3隧道防灾等级划分标准

对公路隧道火灾风险进行评分就是为了客观划分公路隧道防灾等级，便于公路隧道防灾设备合理化配置。当然，还应根据我国相关法规或技术规范，并结合工程特点，因地制宜地配置机电设备。参考国内外公路隧道防灾等级主流划分方法，结合我国公路隧道管理实际情况，拟定我国公路隧道防灾等级划分，见表10。

表10　高速公路隧道防灾等级划分

4基于防灾等级的公路隧道机电系统配置

公路隧道防灾等级划分是隧道机电系统配置的基础，公路隧道机电系统配置要求见表11。

表11　基于防灾等级的机电系统配置

注：●为应配设备，对应防灾等级应配置的机电设备；○为可选设备，根据隧道所处防灾等级及资金等情况酌情可选的设备；◇为不作要求。

5基于防灾等级的性能化机电系统在广乐高速公路隧道中的应用

广乐高速公路全长约260 km，主线设计时速100 km，双向6车道标准建造。全线共设置隧道约28座，其中短隧道9座、中隧道6座、长隧道11座、特长隧道2座。部分隧道穿越粤北高海拔多雾区，且隧道所在路段交通量大、建设标准高，故防灾减灾压力较大。

本文以广乐高速公路长基岭隧道为例，对基于防灾等级的性能化机电系统在该隧道的应用情况进行介绍。长基岭隧道单洞长约3.9 km，设计时速100 km，为双洞单向交通高速公路隧道，具体营运状况见表12。按本文研究的隧道营运安全风险等级划分方法对其进行分析，结果见表13。

根据计算，长基岭公路隧道近远期防灾安全等级均为II级，结合表11和表13即可得到其防火等级及安全设施配置标准。长基岭隧道采用基于防灾等级配置的消防设施与按JTG D70/2—2014要求配置的消防设施相比，主要减少了环境监测设施配置要求，而这类设施在隧道火灾下人员疏散和救援中发挥作用也较小，因此降低了工程建设和营运管理成本，同时使隧道机电设施配置更适应防灾实际需求。此外，制定的隧道营运时各风险参数评分可更直观地反映隧道风险源所在，突出了营运管理人员的工作重心，对保障隧道安全营运具有指导作用。

表12　长基岭隧道运营状况

表13　长基岭隧道运营安全风险分析评分

广乐高速公路作为京港澳高速公路的复线，日交通量大、大型车比例较高，又因尚未禁止或限制危险品运输车辆在隧道内通行，致使该隧道火灾风险分数较大，即安全等级评级较高。因此，从笔者对长基岭公路隧道营运情况的回访来看，其营运管养部门通过各风险参数评分可更直观地了解到隧道风险源所在，故有的放矢地组织运营管理人员进行安全技能培训，将防灾减灾工作培训形成制度化。隧道营运2年多来未出现安全事故。

6结论

本文综合考虑公路隧道长度因子、公路隧道类型因子、公路隧道纵坡因子、隧道主体结构其他因素、隧道内车道宽度因子、大型车比例因子、隧道内交通量因子以及危险品运输车辆管理情况因子等因素对隧道安全风险进行评估，并通过权重计算分数划分出隧道安全等级。而长基岭隧道采用基于营运风险的高速公路隧道防灾等级划分方法能客观地反应出隧道营运时各风险源比重，因此，管养人员能及时地、有针对性地采取措施以防运营事故的发生。实践证明，运用该方法划分的隧道安全等级与目前国内外公路隧道划分的安全等级相比具有如下特点。

1) 更具客观性。本文介绍的基于防灾等级的性能化机电设施配置法除考虑交通量和隧道长度外还考虑了隧道纵坡、车道数、交通量等因子。

2) 更具精准性。将隧道各风险分数进行的权重评分与风险评估表明的隧道风险等级评分进行比较即可得到该隧道对应的安全等级。

参 考 文 献

[1]招商局重庆交通科研设计院有限公司.JTG D70/2—2014公路隧道设计规范(第二册)[S].北京：人民交通出版社，2014.

[2]日本公路隧道消防安全根据道路工团.隧道非常(紧急)用设施设计要领[M].东京：日本実業出版社，2010.

[3]英国公路管理局.道路及桥梁设计手册[M].伦敦：皇家出版局，2009.

[4]ALFRED HACK .交通隧道中的火灾安全概念[J].公路隧道，2002(2)：45-48.

[5]王少飞，俞文生，陈建忠.公路隧道防火安全设计标准探讨[C]//自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集.重庆：重庆大学出版社，2009.

[6]夏永旭，王永东，邓念兵，等.公路隧道安全等级研究[J] .安全与环境学报，2006，6(3)：44-46 .

[7]林志，王少飞.基于风险分析的公路隧道防火安全等级划分[J].消防科学与技术，2010(5)：394-398.

[8]MASHIM H.State of the road tunnel safety technology in Japan[J].Tunneling and Underground Space Technology，2002，17(2)：145-152.

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

基金项目：广东省交通运输厅科技项目(2009-01-001-08)

收稿日期：2015-12-28

作者简介：李科(1983-)，男，重庆市人，本科，工程师。

文章编号：1009-6477(2016)03-0132-06中图分类号：U459.2

文献标识码：A