基于安全性能和风险程度的公路隧道群运营安全评估方法

2020-05-25赵喜锋张立媛

科学技术与工程 2020年10期

林志，赵喜锋，张立媛，肖丽

(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆高速工程顾问有限公司，重庆 404100；3.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)

由于中国大规模建成的高速公路隧道已投入运营，运营期间出现多起伤亡惨重的交通事故。例如：2014年，在山西岩后隧道发生了“3·1”特别重大道路交通关于危险化学品的燃爆事故，事故造成12人受伤、40人死亡和42辆车被烧毁，造成直接经济损失高达8 197万元[1]；2017年，在秦岭I号隧道发生了“8.10”特大道路交通关于大客车碰撞秦岭I号隧道端墙事故，造成了13人受伤、36人死亡和直接经济损失高达3 533余万元重大事故。

这些重大事故表明：目前中国在高速公路运营安全方面形势依然严峻，普遍存在“有建无养”，安全风险源处于无序管理状态，隧道运营安全管理的信息缺乏[2]，运营管理部门对隧道所处的风险状态的不了解、对安全风险源的分布和实际状态的不掌握情况。

2000年前后欧洲发生了较多特长隧道关于火灾事故，损失也十分惨重。例如：1999年，意/法勃朗峰隧道造成了39人死亡事故[3]；同年，奥地利陶恩隧道造成了71人受伤、10人死亡事故[4]；2001年，瑞士圣哥达隧道造成11人死亡事故[5]。之后，欧洲建立了一个Euro Test专门机构，主要对欧洲现行的公路隧道的风险程度、安全性能检查并评价[6]。目前，欧洲、日本等国都逐步完善和更为严格的隧道运营安全相关的法律法规，无论是组织上，还是技术上均有了重要的规定和变革[7]。

20世纪后期，中国出现一些人才[8-10]逐渐对隧道安全评估进行研究，根据目前中国公路隧道建设的状况和技术，建立了划分公路隧道安全等级的方法，并提出公路隧道安全设施标准。现对山区高速公路隧道运营的风险源主要从运营管理、机电设施、土建结构、交通环境等4大项27小项，进行系统地分析和研究，并建立基于典型场景公路隧道的运营风险评估方法。

综合分析，这些运营风险评估方法仅抓取了部分的“车-路”风险因素，未将“人-车-路-管理-环境”存在的所有风险源纳入评估指标体系中，未能区分隧道客观存在的风险源与隧道自身的安全措施和安全性能缺失，造成这些评估方法仅能从宏观层面对公路隧道的风险水平进行评估[11]，其结论不能指导隧道风险防控与安全提升工作，而不能将风险评估工作融入公路隧道的设计、施工、养护和日常管理工作中去，实用价值有限。

为此，提出基于“人-车-路-管理-环境”指标体系，结合隧道客观风险、主观安全性能和措施缺失的公路隧道运营安全风险的评估方法。

1 公路隧道(群)运营安全评估方法

综合调研公路隧道(群)运营风险源，对其运营分别建立公路隧道(群)运营安全因子评价模型和运营风险因子评价模型，采用运营安全因子评价隧道的安全性能和安全水平，利用风险因子确定隧道客观的风险等级，最后综合考虑采用隧道的安全水平和风险等级来评价隧道运营安全等级。

其评估方法具体分析步骤：

(1)确定公路隧道安全参数类别，评价其安全参数，计算其安全因子。

(2)确定公路隧道风险参数类别，评价其风险参数，计算其风险因子。

(3)计算安全等级。

系统的安全度、安全性和风险水平有直接的关联，根据安全与风险的定义分析得知：其他因素不变，则系统安全度与安全性呈正比关系，而系统安全度与风险水平呈反比关系。于是建立了关于系统安全度的评价模型:

(1)

式(1)中：D为安全等级；S为安全因子，R为风险因子。

由式(1)可知，其安全等级是由安全因子与风险因子的百分比来确定。建议把公路隧道(群)安全等级分为：优、良、可(可接受)、差、极差共5级，对应的节点值分别为90%、80%、70%、60%。

2 公路隧道运营安全因子评估模型

因众多的运营风险源，进而导致大量风险存在，故需对隧道土建结构、运营管理、机电设施等几个方面采取相应的安全措施[12]。由于公路隧道运营安全与风险是对立存在，隧道土建设施、机电设施、监控管理设施等也是保证隧道(群)系统安全的重要因素。

2.1 公路隧道运营安全因子

安全因子[13]是通过所获取的评价对象的安全分值之和与总体最高安全分数的比值来确定:

(2)

式(2)中：结果以百分比的单位形式表示隧道安全程度。由公路隧道的安全参数类别可知，安全参数计分主要体现两类方式。

2.1.1 按照设备状态有无评价

对符合设备状态的，可获得所有安全分数，则不符合情况的将无法获得。例如：路面是否为良好状况；是否有备用电源供应；是否有车辆检测器；危险物品是否能自动辨识；是否有限速标志；是否有自动灭火系统；是否有封闭隧道的路障。

2.1.2 按照物理参数评价

对物理性的安全参数，可将其变为量化的参数，如长度、流量、距离、时间等。将其评分方式设为有上、下限值的安全分数，超过上限值则有安全分数，低于下限值则无安全分数，介于限值间，则按各项物理性参数，采用线形插值来确定其安全分数。

2.2 公路隧道运营安全参数类别

对《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)、《公路隧道设计规范》(JTG D70/2—2014)、《公路隧道交通工程与附属设施施工技术规范》(JTGT F72—2011)、《公路隧道照明设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)等大量最新版隧道及道路相关规范的详细研究，现主要就公路隧道的隧道(群)总体、交通与控制、通信系统、照明、逃生与救援路径、火灾防护、通风系统、紧急事件管理这八大类相关的运营安全参数并制定了详细的标准，如表1～表8所示，共涉及160多个子项。8大类安全参数最高安全分数分别为230、200、235、120、120、280、100和115，合计最高安全参数分数为1 400。

表1 “隧道总体”安全分数评价

表2 “照明”安全分数评价

续表2

表3 “交通与控制”安全分数评价

表4 “通信系统”安全分数评价

表5 “逃生与救援路径”安全分数评价

表6 “火灾防护”安全分数评价

续表6

表7 “通风系统”安全分数评价

表8 “紧急事件管理”安全分数评价

3 公路隧道(群)运营风险因子评估模型

3.1 公路隧道(群)运营风险因子

在量化风险因子模型中，该模型基于前人研究成果，最关键点在风险参数，现将其运用于公路隧道群。归纳所有影响隧道群风险项的风险分数，得知风险参数2～74区间分数范围。对各类风险分数的总和进行换算得出风险比率因子，从而计算隧道群运营风险等级，如图1所示。

由图1知可以将隧道群风险分为5级：极高、高、中、低、极低。风险因子的换算关系如式(3)及图2所示。

(3)

图1 风险参数和风险因子与隧道风险分级的关系

图2 风险分数值与风险因子转换关系

分析上述模型知，当取风险分数≥52时，风险因子为1.0，风险分数为2～52时，其风险因子与风险分数之间呈现线性关系。风险因子是一个在0.6～1.0的无单位系数，不仅为安全等级划分提供运算值，也便于隧道风险等级的划分。

3.2 公路隧道(群)运营风险参数类别

在整理前人提出的隧道运营风险评估模型中，可以得知，主要从隧道运营的交通绩效、重车交通绩效、交通量、隧道交通形式、运输危险物品、纵向坡度及其他(包括隧道进出口、长路段大坡度、交叉路段等)7种风险因素来考虑风险参数。现对引入隧道群并结合实际工程经验，将公路隧道群分为隧道(群)总体、路面结构、交通量、隧道交通形式、交通绩效、重车交通绩效、危险品运输、车速、隧道群连接段交通环境这9种运营风险参数，其中连接段风险参数重点增加，各项风险参数分配方式如表9所示。