基于多因素耦合的高速公路隧道群定义探讨

冯文生， 杜逸文， 徐海岩, *

(1. 蜀道投资集团有限责任公司， 四川 成都 610094； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031)

0 引言

近年来我国高速公路隧道建设取得了巨大成就，大量特长隧道和隧道群不断涌现，隧道在改善高速公路线路、缩短行车距离、避免地质灾害、保护生态环境等方面具有显著的优点，已成为高速公路的重要组成部分。随着隧道建设技术的发展，隧道群越来越多地出现在高速公路的设计中。隧道群作为高速公路的瓶颈路段及风险控制关键区域，即使发生较小的交通事故也极有可能阻碍整个高速公路路网的正常运行。已有研究[1-6]指出，公路隧道群进出口区段已然成为交通事故的高发区段之一，隧道群路段的事故频率、严重程度和由此产生的交通影响均高于一般路段，隧道过渡段相对其他区段的事故发生率最高，尤其是多辆车事故在隧道过渡段居多。隧道群对于高速公路的交通安全管理起到至关重要的作用，应引起极大重视。

目前已有越来越多的研究者对隧道群进行了研究。何川等[7]首次提出了关于隧道群智能联动控制技术的设想，即对多个隧道进行联动运营管理；同时，也指出了要实现这个设想所面临的问题，后来也有学者在此基础上做了许多研究。周忠业等[8]考虑了视觉效应对驾车者的影响，提出了隧道群的概念，并研究得出了隧道群段车辆的运行规律。王少飞[9]根据通风、照明、交通安全、防火安全等因素，对毗邻隧道和连续隧道进行了划分。于丽等[10]根据驾驶人视觉影响和隧道防灾，对高速公路隧道群进行了分段。王志杰等[11]针对高速公路隧道群的特点，考虑运营隧道的静态因素和动态因素，建立了高速公路隧道群风险评价体系，并开发了基于Web的风险评估系统。韩星等[12]和阎莹等[13]分别从污染物和视觉效应的角度分析了隧道群和毗邻隧道的间距。Wang等[14]和Huang等[15]对高速公路隧道群的交通事故特性进行了分析，并对隧道群的碰撞及交互风险进行了研究，但未直接给出隧道群的定义，将隧道群表述为“彼此相邻”的隧道。Mu等[16]对高速公路隧道群的交通组织和控制策略进行了研究，在交通流特征分析的基础上将隧道群划分为多个控制断面进行研究，最终实现隧道群交通安全的区间联动控制，关于隧道群的定义引用杜志刚等[17]的研究成果，将隧道群表述为高速公路路段上2个及2个以上的隧道。

既有隧道群的相关研究在分析思路和研究方法上具有一定的意义，但目前仍存在一些问题有待探讨。JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》中规定“间隔100 m以内的连续隧道，宜整体考虑其平、纵线形技术指标”，未明确规定其为隧道群，且仅仅在设计阶段考虑其影响。《公路隧道提质升级行动技术指南》(简称“技术指南”)中规定的“相邻隧道间距小于按设计速度行驶6 s的长度可认为是隧道群段”，此值(对设计速度100 km/h的连接段，间距约为170 m)主要考虑的因素是救援疏散，在隧道发生灾害时，若两隧道相邻过近，则视为隧道群，救灾时应尽量将人或受灾车辆拉到隧道群外。此外,相关研究[16-18]中亦将隧道群定义为公路路段上有2座或者2座以上且间隔较短的隧道，包含毗邻隧道和连续隧道，其中,间距小于250 m的相邻隧道为毗邻隧道，间距为250～1 000 m的为连续隧道。根据JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》，从隧道照明角度考虑，车辆在2座公路隧道之间行驶时同时受到这2座隧道的影响(一般间距小于车辆行驶15 s的长度)。以上研究和规范从救援疏散、照明等因素对隧道群进行了定义，定义所得隧道间距或行车时间存在一定差异，整体上不完全具备统一性；同时，由于定义的临界间距过小可能使得应急救援、照明和通风等布局不到位，导致隧道事故发生概率增大，对隧道运营安全、人身安全和国民经济等造成损害。

基于以上提出的不足之处，本文针对高速公路隧道群与普通隧道的多方面区别，采用层次分析法考虑多因素耦合并确定其权重，提出新的较为全面的隧道群定义，以期为隧道群的设计、施工、运营提供理论基础。

1 隧道群定义影响因子的确定

根据运营阶段普通隧道与隧道群之间的差别，以及既有的关于隧道群运营方面的研究成果，本文考虑以隧道通风、隧道照明、隧道消防安全、隧道交通安全、驾驶人视觉特性等因素综合确定隧道群定义间距。

关于高速公路隧道群的定义问题无疑是综合表征隧道群相邻隧道间高度紧密相互影响的关键基础问题。本文提出的考虑多因素耦合的高速公路隧道群定义能够为隧道防灾救援、隧道安全运营及绿色节能等提供正向反馈作用[1,5,19]，能够以此为基础提出更加适应性的高速公路隧道群交通安全风险判别体系及风险评估系统，能够为高速公路隧道群的照明设计、通风设计、消防安全、安全运营及绿色节能等提供依据，以进一步提出适应性的高速公路隧道群交通安全管理方案。

1.1 隧道通风的影响

隧道在运营过程中，通风效率是最重要的因素之一。由于汽车尾气在隧道内聚集，通风效果差会导致隧道内能见度降低、地面的摩擦因数降低、空气质量降低等问题。这些问题都会导致隧道运营的安全性下降，事故发生的概率上升。对于一般隧道，现仍多采用纵向通风方案。而在隧道群中，由于两相邻隧道连接段较短，可能面临隧道间污浊空气交叉污染的问题，而纵向通风方案对这一问题尤其敏感(见图1)。故在隧道群设计中应该考虑连接段的影响。现行规范亦未对隧道群进行特别规定，考虑到隧道群的定义界定对其建设、营运及安全管理都能够产生直接或间接的影响，故需要对其进行特别研究。

图1 隧道群通风影响示意图

由文献[12]可知，相邻隧道错开一定距离能有效降低上下游隧道间污染物的扩散影响，且当两相邻隧道的间距大于400 m时，上游隧道污染物对下游隧道的影响降低到5%，可以忽略不计。故根据隧道通风的影响，可以把间距≤400 m的相邻隧道定义为隧道群。

1.2 隧道照明的影响

不同于高速公路的其他区域，隧道作为高速公路的重要组成部分，在其内需要设置照明装置。由于隧道处于相对较封闭的环境，自然光难以照射到其中；且隧道内的空气质量往往较差，导致洞内能见度较低。若不设置照明装置或照明效果不好，对车辆的行驶以及驾驶人的安全都会造成较大威胁。驾驶人在隧道内行驶时已经适应洞内的黑暗环境(暗适应)，出隧道时驾驶人突然来到明亮的环境中，又需要重新适应环境的亮度(明适应)。与普通隧道相比，隧道群的隧道连接段距离相当短，驾驶人要在短时间内反复经历明适应及暗适应过程(见图2)，对驾驶人的驾驶专注度和行驶状态都有影响。连接段的长度是决定是否采取相关措施的关键因素。

图2 隧道群照明影响示意图

据JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明设计细则》4.1.5条，当2座隧道间的行驶时间按设计速度计算小于15 s且通过前一座隧道的行驶时间大于30 s时，后续隧道入口段亮度应进行折减。表1示出了不同设计速度下需要进行照明强度折减的上游隧道最短长度以及隧道间最大间距。此条文对隧道群有所涉及，对下游隧道的照明强度进行折减，说明只考虑到了驾驶人的明适应过程未结束，但未考虑到连续的明暗适应对驾驶人的影响。根据叶飞[20]关于驾驶人视觉敏感适应变化规律的研究，两相邻隧道间距小于50 m时，就要在上游隧道出口段设置遮光棚或者考虑亮度渐变式结构设计；当两隧道间距为50～100 m时，需要在下游隧道进口段减弱环境光照度，即在下游隧道进口处设置减光结构。综合考虑以上情况，考虑隧道照明影响的隧道群定义间距见表2。

表1 需要进行照明强度折减的上游隧道最短长度及隧道间最大间距

表2 考虑隧道照明影响的隧道群定义间距

1.3 隧道消防安全的影响

隧道消防安全已经成为各国都十分重视的问题，隧道内一旦发生火灾，烟气和热量难以排出，在隧道内很容易造成二次伤害。对于隧道群，由于隧道相邻较近，相邻隧道的烟气可能互相影响(见图3)，故需要采用特殊的排烟设计，且疏散人员的方案不能仅按照普通隧道来设计。

图3 隧道群消防安全影响示意图

根据李琦等[21]的研究，对于洞口间距大于400 m的相邻铁路隧道，当起火的列车停在连接段时对两侧的隧道无影响，则可将隧道看作单体隧道。又有研究表明，当隧道间距大于100 m时，能够保证上游隧道发生火灾后烟气不流入下游隧道[22]。考虑到汽车长度较铁路列车短，故取100～400 m为高速公路隧道群的定义间距。按照最安全原则考虑，考虑隧道消防安全时的隧道群定义为间距小于400 m的相邻隧道。

1.4 隧道交通安全的影响

一般隧道的设计速度要比高速公路小，且进入隧道时会有暗适应过程，车辆在进入隧道时会有一定的减速倾向，出隧道时会有加速的倾向。在隧道群中，车辆在短时间内经历这2个过程，可能会导致事故发生。这时需要增设交通标志牌，以提前提示驾驶人。

研究表明，隧道连接段车辆的平均速度较高，甚至高于高速公路的普通路段[8]。基于此，考虑到隧道的交通安全，用车辆经历明适应以及看到障碍物刹车的距离来定义隧道群。根据参考文献[20]，明适应过程持续时间很短，故假设明适应时间为3 s。高速公路停车视距如表3所示。考虑明暗适应下的停车视距，隧道群的定义间距如表4所示。

表3 高速公路停车视距

表4 考虑停车视距的隧道群定义间距

1.5 驾驶人视觉特性的影响

除了停车视距对交通安全的影响外，驾驶人的视觉特性对交通安全亦有影响，基于视觉特性对隧道群定义的切入点是两隧道间的连接段。若连接段足够长，那么路段上的交通流将趋于稳定，两隧道将不会同时对行驶其间的车辆造成影响；反之，若连接段较短，随着交通流的波动，将会对行驶其间的车辆产生影响，那么这2座相邻的隧道即属于一个隧道群。因此，隧道群定义的关键在于确定两隧道连接段的临界值。

当驾驶人驶出隧道洞口时，要经历明适应过程，驾驶人的心理特性使得其通常具备加速趋势；若此过程结束时，驾驶人注视点刚好落到下一个隧道洞口处，则会习惯性地减速，同时对行车安全造成影响，这一过程驾驶人所驶过的距离即为两隧道连接段的临界值。若两相邻隧道间的距离小于临界值，则构成隧道群。临界值的计算包括2个部分，一是明适应过程所驶过的距离，二是驾驶人注视点落在下一个隧道入口的距离。正常情况下驾驶人的注视点落在下一个隧道入口的距离如表5所示[10]。明适应时间为3 s，故考虑驾驶人视觉特性的隧道群定义间距见表6。

表5 正常情况下驾驶人注视点落在下一个隧道入口的距离

表6 考虑驾驶人视觉特性的隧道群定义间距

2 考虑多因素耦合的隧道群定义

基于以上讨论，充分考虑隧道通风因素、照明因素、消防安全因素、交通安全因素、驾驶人视觉特性以及技术指南中的规定“相邻隧道间距小于按设计速度行驶6 s的长度可认为是隧道群段”，汇总的定义信息见表7。

表7 考虑不同因素和不同设计速度下的隧道群定义间距

利用层次分析法，对各个因素的权重进行比较，构造出判断矩阵，并可定量确定以上因素对最终隧道群定义间距的影响权重。得出权重后，利用式(1)计算最后确定的隧道群定义间距L。

L=∑Liωi。

(1)

式中：Li为各因素下隧道群的定义间距， m；ωi为各因素的权重。

2.1 各因素权重的确定

基于层次分析法的特点，不将所有因素一起比较，而进行两两因素之间的比较，且用相对标度来进行比较。采用层次分析法确定各因素权重的步骤如图4所示。在应用层次分析法时，有2种标度方法，即指数标度法和1-9标度法。由文献[23]可知，采用指数标度法得出的结果相对更合理，故本文采用指数标度法进行研究。指数标度的含义如表8所示。表中取a=1.316是为了使在极端重要时两因素之间的权重比为9∶1。

图4 层次分析法中各因素权重确定步骤

表8 指数标度含义

对于以上6个因素的标度，邀请了某大学隧道与地下工程专业、交通工程防灾救援、交通运输工程专业的10名知名教授及专家学者，对6个因素进行了重要性比较，得到的判断矩阵如表9所示。其中，a取1.316。

表9 隧道群定义因素判断矩阵

通过计算得到特征值λ=6．029 4，归一化后的特征向量W及一致性指标CI分别如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

式中n为判断矩阵的阶。

随机一致性指标RI如表10所示。当CR(CR=CI/RI)小于0.1时，认为判断矩阵的不一致性满足要求。通过计算得到CI=0.005 9，CR=0.004 7，满足要求。故各因素的权重如图5所示。

表10 随机一致性指标

图5 各因素权重

2.2 隧道群定义间距的确定

最终确定隧道群定义间距时，需要考虑各因素的重要程度以及隧道群定义间距增大带来的设计、运营及管理等成本的上升。若一连续隧道段被定义为隧道群，在通风设计上，需要在原单一隧道设计的基础上考虑加强隧道通风的设计功率，增加隧道内风机数量，甚至改变通风方案；在照明设计上，需要考虑上下游隧道的减光措施；在消防安全上，应将隧道群的消防救援措施视为一个整体，在设置救援站点时，如遇到长距离的隧道群，则需要设置中间救援站，以防隧道群发生事故时造成拥堵及人员疏散困难等问题，并且火灾烟气可能流窜到其他隧道的问题也需要进行特殊的火灾烟气排放设计；在交通安全上，对于隧道群，需要增添更多的提示性标志、标线及附属设施；对驾驶人视觉特性和技术指南的考虑包含以上内容。可以看到，隧道群相比普通隧道，需要增加较多运营成本。从可持续发展的角度出发，隧道管理者无法完全满足以上因素来定义隧道群，因此需要做取舍。

根据式(1)，设计速度为80、100、120 km/h时，计算得到的隧道群定义间距分别为240、280、330 m，定义间距越大，越能满足以上因素的要求。考虑到隧道群的定义应该尽量满足绝大部分因素的要求，且这些因素所占权重越大越好，故设计速度为80、100、120 km/h时取隧道群定义间距分别为300、350、400 m。其能满足的总权重均超过85%，能够满足隧道通风、照明、消防安全、交通安全、驾驶人视觉特性、技术指南的要求。因此最后确定的隧道群定义间距如表11所示。

表11 最终确定的隧道群定义间距

3 结论与建议

本文采用文献调研、现场调研和层次分析法作为主要研究方式，对高速公路隧道群的定义进行了探究，取得的主要结论如下。

1)通过广泛的调研，明确了决定隧道群运营管理的主要因素为隧道通风、隧道照明、隧道消防安全、隧道交通安全、驾驶人视觉特性和技术指南。确定了各因素对应的隧道群定义间距分别是： 隧道通风400 m、隧道照明300 m(设计速度为80 km/h时)、隧道消防安全400 m、隧道交通安全180 m(设计速度为80 km/h时)、驾驶人视觉特性480 m(设计速度为80 km/h时)、技术指南130 m(设计速度为80 km/h时)。

3)在以上研究的基础上，采用层次分析模型，通过专家打分标度得出交通安全和消防安全对隧道群定义的影响权重较大，综合考虑交通安全、消防安全、隧道照明和技术指南的要求，确定隧道群的定义间距为300 m(设计速度为80 km/h时)。

在本文研究成果的基础上，提出如下建议，以期为隧道群定义的进一步研究提供参考和借鉴。

1)本文关于隧道群的定义探讨，整体上对相关重要因素进行了总结和研究，但未对重要因素下的2级因素进行深入探讨，以后的研究中可对此进一步完善。

2)可采用其他方法对隧道群定义进行研究，采集更多的基础数据和决策数据，以使得定义探讨更加全面深入。

3)以上研究结果尚未考虑隧道处于不同地区导致的天气等影响因素，因此还需进一步论证。