基于安全性能和風險程度的公路隧道群運營安全評估方法

林 志，趙喜鋒，張立媛，肖 麗

(1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.重慶高速工程顧問有限公司，重慶 404100；3.重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

由于中國大規模建成的高速公路隧道已投入運營，運營期間出現多起傷亡慘重的交通事故。例如：2014年，在山西巖后隧道發生了“3·1”特別重大道路交通關于危險化學品的燃爆事故，事故造成12人受傷、40人死亡和42輛車被燒毀，造成直接經濟損失高達8 197萬元[1]；2017年，在秦嶺I號隧道發生了“8.10”特大道路交通關于大客車碰撞秦嶺I號隧道端墻事故，造成了13人受傷、36人死亡和直接經濟損失高達3 533余萬元重大事故。

這些重大事故表明：目前中國在高速公路運營安全方面形勢依然嚴峻，普遍存在“有建無養”，安全風險源處于無序管理狀態，隧道運營安全管理的信息缺乏[2]，運營管理部門對隧道所處的風險狀態的不了解、對安全風險源的分布和實際狀態的不掌握情況。

2000年前后歐洲發生了較多特長隧道關于火災事故，損失也十分慘重。例如：1999年，意/法勃朗峰隧道造成了39人死亡事故[3]；同年，奧地利陶恩隧道造成了71人受傷、10人死亡事故[4]；2001年，瑞士圣哥達隧道造成11人死亡事故[5]。之后，歐洲建立了一個Euro Test專門機構，主要對歐洲現行的公路隧道的風險程度、安全性能檢查并評價[6]。目前，歐洲、日本等國都逐步完善和更為嚴格的隧道運營安全相關的法律法規，無論是組織上，還是技術上均有了重要的規定和變革[7]。

20世紀后期，中國出現一些人才[8-10]逐漸對隧道安全評估進行研究，根據目前中國公路隧道建設的狀況和技術，建立了劃分公路隧道安全等級的方法，并提出公路隧道安全設施標準?，F對山區高速公路隧道運營的風險源主要從運營管理、機電設施、土建結構、交通環境等4大項27小項，進行系統地分析和研究，并建立基于典型場景公路隧道的運營風險評估方法。

綜合分析，這些運營風險評估方法僅抓取了部分的“車-路”風險因素，未將“人-車-路-管理-環境”存在的所有風險源納入評估指標體系中，未能區分隧道客觀存在的風險源與隧道自身的安全措施和安全性能缺失，造成這些評估方法僅能從宏觀層面對公路隧道的風險水平進行評估[11]，其結論不能指導隧道風險防控與安全提升工作，而不能將風險評估工作融入公路隧道的設計、施工、養護和日常管理工作中去，實用價值有限。

為此，提出基于“人-車-路-管理-環境”指標體系，結合隧道客觀風險、主觀安全性能和措施缺失的公路隧道運營安全風險的評估方法。

1 公路隧道(群)運營安全評估方法

綜合調研公路隧道(群)運營風險源，對其運營分別建立公路隧道(群)運營安全因子評價模型和運營風險因子評價模型，采用運營安全因子評價隧道的安全性能和安全水平，利用風險因子確定隧道客觀的風險等級，最后綜合考慮采用隧道的安全水平和風險等級來評價隧道運營安全等級。

其評估方法具體分析步驟：

(1)確定公路隧道安全參數類別，評價其安全參數，計算其安全因子。

(2)確定公路隧道風險參數類別，評價其風險參數，計算其風險因子。

(3)計算安全等級。

系統的安全度、安全性和風險水平有直接的關聯，根據安全與風險的定義分析得知：其他因素不變，則系統安全度與安全性呈正比關系，而系統安全度與風險水平呈反比關系。于是建立了關于系統安全度的評價模型:

(1)

式(1)中：D為安全等級；S為安全因子，R為風險因子。

由式(1)可知，其安全等級是由安全因子與風險因子的百分比來確定。建議把公路隧道(群)安全等級分為：優、良、可(可接受)、差、極差共5級，對應的節點值分別為90%、80%、70%、60%。

2 公路隧道運營安全因子評估模型

因眾多的運營風險源，進而導致大量風險存在，故需對隧道土建結構、運營管理、機電設施等幾個方面采取相應的安全措施[12]。由于公路隧道運營安全與風險是對立存在，隧道土建設施、機電設施、監控管理設施等也是保證隧道(群)系統安全的重要因素。

2.1 公路隧道運營安全因子

安全因子[13]是通過所獲取的評價對象的安全分值之和與總體最高安全分數的比值來確定:

(2)

式(2)中：結果以百分比的單位形式表示隧道安全程度。由公路隧道的安全參數類別可知，安全參數計分主要體現兩類方式。

2.1.1 按照設備狀態有無評價

對符合設備狀態的，可獲得所有安全分數，則不符合情況的將無法獲得。例如：路面是否為良好狀況；是否有備用電源供應；是否有車輛檢測器；危險物品是否能自動辨識；是否有限速標志；是否有自動滅火系統；是否有封閉隧道的路障。

2.1.2 按照物理參數評價

對物理性的安全參數，可將其變為量化的參數，如長度、流量、距離、時間等。將其評分方式設為有上、下限值的安全分數，超過上限值則有安全分數，低于下限值則無安全分數，介于限值間，則按各項物理性參數，采用線形插值來確定其安全分數。

2.2 公路隧道運營安全參數類別

對《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)、《公路隧道設計規范》(JTG D70/2—2014)、《公路隧道交通工程與附屬設施施工技術規范》(JTGT F72—2011)、《公路隧道照明設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)等大量最新版隧道及道路相關規范的詳細研究，現主要就公路隧道的隧道(群)總體、交通與控制、通信系統、照明、逃生與救援路徑、火災防護、通風系統、緊急事件管理這八大類相關的運營安全參數并制定了詳細的標準，如表1～表8所示，共涉及160多個子項。8大類安全參數最高安全分數分別為230、200、235、120、120、280、100和115，合計最高安全參數分數為1 400。

表1 “隧道總體”安全分數評價

表2 “照明”安全分數評價

續表2

表3 “交通與控制”安全分數評價

表4 “通信系統”安全分數評價

表5 “逃生與救援路徑”安全分數評價

表6 “火災防護”安全分數評價

續表6

表7 “通風系統”安全分數評價

表8 “緊急事件管理”安全分數評價

3 公路隧道(群)運營風險因子評估模型

3.1 公路隧道(群)運營風險因子

在量化風險因子模型中，該模型基于前人研究成果，最關鍵點在風險參數，現將其運用于公路隧道群。歸納所有影響隧道群風險項的風險分數，得知風險參數2～74區間分數范圍。對各類風險分數的總和進行換算得出風險比率因子，從而計算隧道群運營風險等級，如圖1所示。

由圖1知可以將隧道群風險分為5級：極高、高、中、低、極低。風險因子的換算關系如式(3)及圖2所示。

(3)

圖1 風險參數和風險因子與隧道風險分級的關系

圖2 風險分數值與風險因子轉換關系

分析上述模型知，當取風險分數≥52時，風險因子為1.0，風險分數為2～52時，其風險因子與風險分數之間呈現線性關系。風險因子是一個在0.6～1.0的無單位系數，不僅為安全等級劃分提供運算值，也便于隧道風險等級的劃分。

3.2 公路隧道(群)運營風險參數類別

在整理前人提出的隧道運營風險評估模型中，可以得知，主要從隧道運營的交通績效、重車交通績效、交通量、隧道交通形式、運輸危險物品、縱向坡度及其他(包括隧道進出口、長路段大坡度、交叉路段等)7種風險因素來考慮風險參數?，F對引入隧道群并結合實際工程經驗，將公路隧道群分為隧道(群)總體、路面結構、交通量、隧道交通形式、交通績效、重車交通績效、危險品運輸、車速、隧道群連接段交通環境這9種運營風險參數，其中連接段風險參數重點增加，各項風險參數分配方式如表9所示。

表9 風險參數定義表

僅對連接段長度的隧道群做出評分標準：連接段長度處于0～100 m、100～250 m、250～600 m、600～1 000 m時，風險分數分別為3、2、1、0。

4 應用實例

通過調研項目前期，得到某隧道群的基本情況如表10所示，并對該隧道群進行運營安全評估。

該隧道群的各類安全參數得分如表11所示。

表10 某隧道群基本資料

表11 各大類安全參數得分

由分級判定標準可預計在2022年隧道群的交通量運營安全等級為“可”(≥70%)，在可接受的中等安全水平。如果需要提升該隧道群安全等級，可以針對八大類安全參數，根據“成本-效益”原則，有選擇性的實施安全措施等來提升計劃。

5 結論

(1)將公路隧道運營安全風險源，按照其客觀性和主觀性，劃分為安全參數和風險參數，建立了基于公路隧道(群)運營安全因子與風險因子的等級評估方法。

(2)參照最新版交通行業隧道的標準規范，對公路隧道運營安全因子的八大類安全參數制定了詳細的評價標準，共涵蓋160多個子項[1]，并詳細地說明了各項指標的取值標準，建立了公路隧道運營安全因子評價模型。

(3)針對公路隧道(群)重點風險源，主要從11項客觀風險指標：隧道(群)線形、連接段線形、路面結構、車速、交通量、隧道交通形式、危險品運輸、交通績效、重車交通績效、隧道群連接段前后線形連續性和隧道群連接段交通環境等進行分析，并建立了公路隧道(群)運營風險因子評價模型。

(4)通過實例可知，本文建立的公路隧道(群)運營安全等級評估方法，對后續采取“成本-效益”原則，實施運營安全提質升級改造方案的制定有直接的支撐作用。