基于多因素耦合的高速公路隧道群定義探討

馮文生， 杜逸文， 徐海巖, *

(1. 蜀道投資集團有限責任公司， 四川 成都 610094； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031)

0 引言

近年來我國高速公路隧道建設取得了巨大成就，大量特長隧道和隧道群不斷涌現，隧道在改善高速公路線路、縮短行車距離、避免地質災害、保護生態環境等方面具有顯著的優點，已成為高速公路的重要組成部分。隨著隧道建設技術的發展，隧道群越來越多地出現在高速公路的設計中。隧道群作為高速公路的瓶頸路段及風險控制關鍵區域，即使發生較小的交通事故也極有可能阻礙整個高速公路路網的正常運行。已有研究[1-6]指出，公路隧道群進出口區段已然成為交通事故的高發區段之一，隧道群路段的事故頻率、嚴重程度和由此產生的交通影響均高于一般路段，隧道過渡段相對其他區段的事故發生率最高，尤其是多輛車事故在隧道過渡段居多。隧道群對于高速公路的交通安全管理起到至關重要的作用，應引起極大重視。

目前已有越來越多的研究者對隧道群進行了研究。何川等[7]首次提出了關于隧道群智能聯動控制技術的設想，即對多個隧道進行聯動運營管理；同時，也指出了要實現這個設想所面臨的問題，后來也有學者在此基礎上做了許多研究。周忠業等[8]考慮了視覺效應對駕車者的影響，提出了隧道群的概念，并研究得出了隧道群段車輛的運行規律。王少飛[9]根據通風、照明、交通安全、防火安全等因素，對毗鄰隧道和連續隧道進行了劃分。于麗等[10]根據駕駛人視覺影響和隧道防災，對高速公路隧道群進行了分段。王志杰等[11]針對高速公路隧道群的特點，考慮運營隧道的靜態因素和動態因素，建立了高速公路隧道群風險評價體系，并開發了基于Web的風險評估系統。韓星等[12]和閻瑩等[13]分別從污染物和視覺效應的角度分析了隧道群和毗鄰隧道的間距。Wang等[14]和Huang等[15]對高速公路隧道群的交通事故特性進行了分析，并對隧道群的碰撞及交互風險進行了研究，但未直接給出隧道群的定義，將隧道群表述為“彼此相鄰”的隧道。Mu等[16]對高速公路隧道群的交通組織和控制策略進行了研究，在交通流特征分析的基礎上將隧道群劃分為多個控制斷面進行研究，最終實現隧道群交通安全的區間聯動控制，關于隧道群的定義引用杜志剛等[17]的研究成果，將隧道群表述為高速公路路段上2個及2個以上的隧道。

既有隧道群的相關研究在分析思路和研究方法上具有一定的意義，但目前仍存在一些問題有待探討。JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》中規定“間隔100 m以內的連續隧道，宜整體考慮其平、縱線形技術指標”，未明確規定其為隧道群，且僅僅在設計階段考慮其影響。《公路隧道提質升級行動技術指南》(簡稱“技術指南”)中規定的“相鄰隧道間距小于按設計速度行駛6 s的長度可認為是隧道群段”，此值(對設計速度100 km/h的連接段，間距約為170 m)主要考慮的因素是救援疏散，在隧道發生災害時，若兩隧道相鄰過近，則視為隧道群，救災時應盡量將人或受災車輛拉到隧道群外。此外,相關研究[16-18]中亦將隧道群定義為公路路段上有2座或者2座以上且間隔較短的隧道，包含毗鄰隧道和連續隧道，其中,間距小于250 m的相鄰隧道為毗鄰隧道，間距為250～1 000 m的為連續隧道。根據JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》，從隧道照明角度考慮，車輛在2座公路隧道之間行駛時同時受到這2座隧道的影響(一般間距小于車輛行駛15 s的長度)。以上研究和規范從救援疏散、照明等因素對隧道群進行了定義，定義所得隧道間距或行車時間存在一定差異，整體上不完全具備統一性；同時，由于定義的臨界間距過小可能使得應急救援、照明和通風等布局不到位，導致隧道事故發生概率增大，對隧道運營安全、人身安全和國民經濟等造成損害。

基于以上提出的不足之處，本文針對高速公路隧道群與普通隧道的多方面區別，采用層次分析法考慮多因素耦合并確定其權重，提出新的較為全面的隧道群定義，以期為隧道群的設計、施工、運營提供理論基礎。

1 隧道群定義影響因子的確定

根據運營階段普通隧道與隧道群之間的差別，以及既有的關于隧道群運營方面的研究成果，本文考慮以隧道通風、隧道照明、隧道消防安全、隧道交通安全、駕駛人視覺特性等因素綜合確定隧道群定義間距。

關于高速公路隧道群的定義問題無疑是綜合表征隧道群相鄰隧道間高度緊密相互影響的關鍵基礎問題。本文提出的考慮多因素耦合的高速公路隧道群定義能夠為隧道防災救援、隧道安全運營及綠色節能等提供正向反饋作用[1,5,19]，能夠以此為基礎提出更加適應性的高速公路隧道群交通安全風險判別體系及風險評估系統，能夠為高速公路隧道群的照明設計、通風設計、消防安全、安全運營及綠色節能等提供依據，以進一步提出適應性的高速公路隧道群交通安全管理方案。

1.1 隧道通風的影響

隧道在運營過程中，通風效率是最重要的因素之一。由于汽車尾氣在隧道內聚集，通風效果差會導致隧道內能見度降低、地面的摩擦因數降低、空氣質量降低等問題。這些問題都會導致隧道運營的安全性下降，事故發生的概率上升。對于一般隧道，現仍多采用縱向通風方案。而在隧道群中，由于兩相鄰隧道連接段較短，可能面臨隧道間污濁空氣交叉污染的問題，而縱向通風方案對這一問題尤其敏感(見圖1)。故在隧道群設計中應該考慮連接段的影響。現行規范亦未對隧道群進行特別規定，考慮到隧道群的定義界定對其建設、營運及安全管理都能夠產生直接或間接的影響，故需要對其進行特別研究。

圖1 隧道群通風影響示意圖

由文獻[12]可知，相鄰隧道錯開一定距離能有效降低上下游隧道間污染物的擴散影響，且當兩相鄰隧道的間距大于400 m時，上游隧道污染物對下游隧道的影響降低到5%，可以忽略不計。故根據隧道通風的影響，可以把間距≤400 m的相鄰隧道定義為隧道群。

1.2 隧道照明的影響

不同于高速公路的其他區域，隧道作為高速公路的重要組成部分，在其內需要設置照明裝置。由于隧道處于相對較封閉的環境，自然光難以照射到其中；且隧道內的空氣質量往往較差，導致洞內能見度較低。若不設置照明裝置或照明效果不好，對車輛的行駛以及駕駛人的安全都會造成較大威脅。駕駛人在隧道內行駛時已經適應洞內的黑暗環境(暗適應)，出隧道時駕駛人突然來到明亮的環境中，又需要重新適應環境的亮度(明適應)。與普通隧道相比，隧道群的隧道連接段距離相當短，駕駛人要在短時間內反復經歷明適應及暗適應過程(見圖2)，對駕駛人的駕駛專注度和行駛狀態都有影響。連接段的長度是決定是否采取相關措施的關鍵因素。

圖2 隧道群照明影響示意圖

據JTG/T D70/2-01—2014《公路隧道照明設計細則》4.1.5條，當2座隧道間的行駛時間按設計速度計算小于15 s且通過前一座隧道的行駛時間大于30 s時，后續隧道入口段亮度應進行折減。表1示出了不同設計速度下需要進行照明強度折減的上游隧道最短長度以及隧道間最大間距。此條文對隧道群有所涉及，對下游隧道的照明強度進行折減，說明只考慮到了駕駛人的明適應過程未結束，但未考慮到連續的明暗適應對駕駛人的影響。根據葉飛[20]關于駕駛人視覺敏感適應變化規律的研究，兩相鄰隧道間距小于50 m時，就要在上游隧道出口段設置遮光棚或者考慮亮度漸變式結構設計；當兩隧道間距為50～100 m時，需要在下游隧道進口段減弱環境光照度，即在下游隧道進口處設置減光結構。綜合考慮以上情況，考慮隧道照明影響的隧道群定義間距見表2。

表1 需要進行照明強度折減的上游隧道最短長度及隧道間最大間距

表2 考慮隧道照明影響的隧道群定義間距

1.3 隧道消防安全的影響

隧道消防安全已經成為各國都十分重視的問題，隧道內一旦發生火災，煙氣和熱量難以排出，在隧道內很容易造成二次傷害。對于隧道群，由于隧道相鄰較近，相鄰隧道的煙氣可能互相影響(見圖3)，故需要采用特殊的排煙設計，且疏散人員的方案不能僅按照普通隧道來設計。

圖3 隧道群消防安全影響示意圖

根據李琦等[21]的研究，對于洞口間距大于400 m的相鄰鐵路隧道，當起火的列車停在連接段時對兩側的隧道無影響，則可將隧道看作單體隧道。又有研究表明，當隧道間距大于100 m時，能夠保證上游隧道發生火災后煙氣不流入下游隧道[22]。考慮到汽車長度較鐵路列車短，故取100～400 m為高速公路隧道群的定義間距。按照最安全原則考慮，考慮隧道消防安全時的隧道群定義為間距小于400 m的相鄰隧道。

1.4 隧道交通安全的影響

一般隧道的設計速度要比高速公路小，且進入隧道時會有暗適應過程，車輛在進入隧道時會有一定的減速傾向，出隧道時會有加速的傾向。在隧道群中，車輛在短時間內經歷這2個過程，可能會導致事故發生。這時需要增設交通標志牌，以提前提示駕駛人。

研究表明，隧道連接段車輛的平均速度較高，甚至高于高速公路的普通路段[8]。基于此，考慮到隧道的交通安全，用車輛經歷明適應以及看到障礙物剎車的距離來定義隧道群。根據參考文獻[20]，明適應過程持續時間很短，故假設明適應時間為3 s。高速公路停車視距如表3所示。考慮明暗適應下的停車視距，隧道群的定義間距如表4所示。

表3 高速公路停車視距

表4 考慮停車視距的隧道群定義間距

1.5 駕駛人視覺特性的影響

除了停車視距對交通安全的影響外，駕駛人的視覺特性對交通安全亦有影響，基于視覺特性對隧道群定義的切入點是兩隧道間的連接段。若連接段足夠長，那么路段上的交通流將趨于穩定，兩隧道將不會同時對行駛其間的車輛造成影響；反之，若連接段較短，隨著交通流的波動，將會對行駛其間的車輛產生影響，那么這2座相鄰的隧道即屬于一個隧道群。因此，隧道群定義的關鍵在于確定兩隧道連接段的臨界值。

當駕駛人駛出隧道洞口時，要經歷明適應過程，駕駛人的心理特性使得其通常具備加速趨勢；若此過程結束時，駕駛人注視點剛好落到下一個隧道洞口處，則會習慣性地減速，同時對行車安全造成影響，這一過程駕駛人所駛過的距離即為兩隧道連接段的臨界值。若兩相鄰隧道間的距離小于臨界值，則構成隧道群。臨界值的計算包括2個部分，一是明適應過程所駛過的距離，二是駕駛人注視點落在下一個隧道入口的距離。正常情況下駕駛人的注視點落在下一個隧道入口的距離如表5所示[10]。明適應時間為3 s，故考慮駕駛人視覺特性的隧道群定義間距見表6。

表5 正常情況下駕駛人注視點落在下一個隧道入口的距離

表6 考慮駕駛人視覺特性的隧道群定義間距

2 考慮多因素耦合的隧道群定義

基于以上討論，充分考慮隧道通風因素、照明因素、消防安全因素、交通安全因素、駕駛人視覺特性以及技術指南中的規定“相鄰隧道間距小于按設計速度行駛6 s的長度可認為是隧道群段”，匯總的定義信息見表7。

表7 考慮不同因素和不同設計速度下的隧道群定義間距

利用層次分析法，對各個因素的權重進行比較，構造出判斷矩陣，并可定量確定以上因素對最終隧道群定義間距的影響權重。得出權重后，利用式(1)計算最后確定的隧道群定義間距L。

L=∑Liωi。

(1)

式中：Li為各因素下隧道群的定義間距， m；ωi為各因素的權重。

2.1 各因素權重的確定

基于層次分析法的特點，不將所有因素一起比較，而進行兩兩因素之間的比較，且用相對標度來進行比較。采用層次分析法確定各因素權重的步驟如圖4所示。在應用層次分析法時，有2種標度方法，即指數標度法和1-9標度法。由文獻[23]可知，采用指數標度法得出的結果相對更合理，故本文采用指數標度法進行研究。指數標度的含義如表8所示。表中取a=1.316是為了使在極端重要時兩因素之間的權重比為9∶1。

圖4 層次分析法中各因素權重確定步驟

表8 指數標度含義

對于以上6個因素的標度，邀請了某大學隧道與地下工程專業、交通工程防災救援、交通運輸工程專業的10名知名教授及專家學者，對6個因素進行了重要性比較，得到的判斷矩陣如表9所示。其中，a取1.316。

表9 隧道群定義因素判斷矩陣

通過計算得到特征值λ=6．029 4，歸一化后的特征向量W及一致性指標CI分別如式(2)和式(3)所示。

(2)

(3)

式中n為判斷矩陣的階。

隨機一致性指標RI如表10所示。當CR(CR=CI/RI)小于0.1時，認為判斷矩陣的不一致性滿足要求。通過計算得到CI=0.005 9，CR=0.004 7，滿足要求。故各因素的權重如圖5所示。

表10 隨機一致性指標

圖5 各因素權重

2.2 隧道群定義間距的確定

最終確定隧道群定義間距時，需要考慮各因素的重要程度以及隧道群定義間距增大帶來的設計、運營及管理等成本的上升。若一連續隧道段被定義為隧道群，在通風設計上，需要在原單一隧道設計的基礎上考慮加強隧道通風的設計功率，增加隧道內風機數量，甚至改變通風方案；在照明設計上，需要考慮上下游隧道的減光措施；在消防安全上，應將隧道群的消防救援措施視為一個整體，在設置救援站點時，如遇到長距離的隧道群，則需要設置中間救援站，以防隧道群發生事故時造成擁堵及人員疏散困難等問題，并且火災煙氣可能流竄到其他隧道的問題也需要進行特殊的火災煙氣排放設計；在交通安全上，對于隧道群，需要增添更多的提示性標志、標線及附屬設施；對駕駛人視覺特性和技術指南的考慮包含以上內容。可以看到，隧道群相比普通隧道，需要增加較多運營成本。從可持續發展的角度出發，隧道管理者無法完全滿足以上因素來定義隧道群，因此需要做取舍。

根據式(1)，設計速度為80、100、120 km/h時，計算得到的隧道群定義間距分別為240、280、330 m，定義間距越大，越能滿足以上因素的要求。考慮到隧道群的定義應該盡量滿足絕大部分因素的要求，且這些因素所占權重越大越好，故設計速度為80、100、120 km/h時取隧道群定義間距分別為300、350、400 m。其能滿足的總權重均超過85%，能夠滿足隧道通風、照明、消防安全、交通安全、駕駛人視覺特性、技術指南的要求。因此最后確定的隧道群定義間距如表11所示。

表11 最終確定的隧道群定義間距

3 結論與建議

本文采用文獻調研、現場調研和層次分析法作為主要研究方式，對高速公路隧道群的定義進行了探究，取得的主要結論如下。

1)通過廣泛的調研，明確了決定隧道群運營管理的主要因素為隧道通風、隧道照明、隧道消防安全、隧道交通安全、駕駛人視覺特性和技術指南。確定了各因素對應的隧道群定義間距分別是： 隧道通風400 m、隧道照明300 m(設計速度為80 km/h時)、隧道消防安全400 m、隧道交通安全180 m(設計速度為80 km/h時)、駕駛人視覺特性480 m(設計速度為80 km/h時)、技術指南130 m(設計速度為80 km/h時)。

3)在以上研究的基礎上，采用層次分析模型，通過專家打分標度得出交通安全和消防安全對隧道群定義的影響權重較大，綜合考慮交通安全、消防安全、隧道照明和技術指南的要求，確定隧道群的定義間距為300 m(設計速度為80 km/h時)。

在本文研究成果的基礎上，提出如下建議，以期為隧道群定義的進一步研究提供參考和借鑒。

1)本文關于隧道群的定義探討，整體上對相關重要因素進行了總結和研究，但未對重要因素下的2級因素進行深入探討，以后的研究中可對此進一步完善。

2)可采用其他方法對隧道群定義進行研究，采集更多的基礎數據和決策數據，以使得定義探討更加全面深入。

3)以上研究結果尚未考慮隧道處于不同地區導致的天氣等影響因素，因此還需進一步論證。