基于交通运营状态的公路隧道社会风险预期值研究

文启军， 陆山风， 刘家庆， 奚宇建， 廖志鹏

(1.广西新发展交通集团有限公司， 南宁 530000； 2.重庆交通大学， 重庆 400074； 3.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

高速公路隧道是区域之间的连接要道，运行环境复杂多变，交通组成多样，其运行易受到周边环境的影响，一旦发生运行异常事故，影响范围广、涉及人员多、救援困难、修复时间长、社会影响大，将造成较大的社会和经济损失[1-2]。2010年7月4日，无锡内环惠山隧道发生客车自燃事故，死亡24人，受伤19人。2018年3月27日，陕西省京昆高速陕西秦岭一号隧道口发生客车撞壁事故，死亡36人，受伤13人。对在役的公路隧道进行安全风险评估，并采用有效管控措施，减小重大事故的发生概率和后果损失，对保障高速公路隧道运营安全具有重要的意义[3-4]。国内外针对公路隧道运营安全评估开展了相应的研究，欧洲专门的机构Euro Test的子计划Euro TAP对欧洲境内的隧道进行了安全等级确定，并对其进行了安全程度评价[5]。Pompone·Eduardo·Cabrini等[6]通过社会风险统计对1983年至2015年间巴西圣保罗州的4 638起危险品运输事故进行了调查，并得出圣保罗州的危险品运输的社会风险预期值。侯靖宇[7]通过分析等级公路单洞双向交通特长隧道运营环境特点，建立了等级公路特长隧道运营安全多级可拓综合评价模型。

公路隧道的风险损失主要包括人员伤亡、社会影响、经济损失和环境损失等。目前国内外对隧道运营风险的研究主要集中在人员伤亡的风险上，针对公路隧道对社会风险影响的研究还较少，尚未形成统一的标准[8-11]。本文采用社会风险预期值来评估隧道运营风险大小，社会风险预期值Ev为所评估隧道每年各种风险导致的死亡人数。由于社会对人员死亡较为敏感，通过风险造成的死亡人数，去计算每年隧道各种风险导致的死亡人数，并采用期望值Ev来评估风险的大小，具有一定的可行性。

社会风险预期值由交通事故社会风险预期值、火灾社会风险预期值和危险品社会风险预期值组成，通过分别计算这3项社会风险预期值，最后得出整体社会风险预期值，从而评估隧道风险大小。

1 交通事故社会风险预期值

随着我国汽车保有量不断增长，道路交通量越来越多，一定程度上使得公路隧道的交通事故频发。交通事故极易产生人员伤亡[12]。因此，从交通事故研究隧道的社会风险预期值具有重要意义。交通事故社会风险预期值是指公路隧道因交通事故发生对社会风险影响大小，主要包括隧道内车流量、隧道长度及交通事故发生频率。

1.1 交通量状况

公路隧道一般穿越山体和城市区间的空间阻隔，连接2个或多个区域的交通，交通量大，且具有明显的早晚高峰时段，车流量分布呈“哑铃”式。车流量的统计采用标准车当量数统计日均交通量(pcu)[13]，即将实际的各种机动车和非机动车交通量按一定的折算系数换算成某种标准车型的当量交通量，下面列举2021年上海部分公路隧道的交通量，其中早高峰时间取07：00—09：00，白天时间取07：00—19：00，夜晚时间取19：00—07：00，统计如表1所示。

表1 2021年上海外环以内黄浦江的隧道交通状况

从表1可以看出，2021年上海的公路隧道每天的车流量较大，尤其是早高峰，基本上每个隧道的早高峰车流量占据该隧道全天车流量的十分之一。从表1还可以看到，白天的车流量占全天车流量比重大，其中龙耀路隧道的白天车流量占全天车流量76%，延安东路隧道最低占比也有64%。

白天时间取07：00—19：00，夜晚时间取19：00—07：00，再对上海近5年的公路隧道交通事故昼夜占比进行统计，白天事故率为77%，晚间事故率为23%。其主要原因是白天车流量大，极易发生交通事故。

1.2 交通事故社会风险预期值

我国高速公路隧道平均每起交通事故(非火灾和危险品)的死亡人数为0.21人。根据PIARC发布的数据统计[14]，车辆在隧道内的故障率如下：

1) 小交通量的隧道：300～600次/108辆·km；

2) 较小纵坡、大交通量：500～800次/108辆·km；

3) 较大纵坡、大交通量的隧道：1 000～1 300次/108辆·km。

在中国香港，隧道内的车辆平均故障率为1 353次/108辆·km[15]。车辆故障与隧道纵坡的关系密切，坡道越大，发生车辆故障的概率越高。PIARC统计的发生人员死亡的概率为0～3人/108辆·km，中国香港的平均人员死亡概率为5人/108辆·km。

参考PIARC及中国香港的数据及交通事故调研数据，发生交通事故的概率取800次/108辆·km，每起事故的平均死亡人数为0.21人。公路隧道的交通风险计算公式如下：

Ev1=N×12×24×360×L×800×0.21/108

式中：Ev1为交通事故社会风险预期值；N为实时交通量，辆，采集周期5 min；L为高速公路隧道长度，km。

2 火灾事故社会风险预期值

隧道因其结构半封闭性的特征，一旦发生火灾事故，内部温度迅速攀升，浓烟滚滚，不易扩散，增加了人员的逃生难度，从而造成人员伤亡。因此分析隧道内火灾事故造成的人员伤亡，应合理建立隧道火灾事故风险预期值计算模型，这对预防隧道火灾事故具有重要意义。火灾事故社会风险预期值是指公路隧道因火灾事故发生而造成的社会风险影响大小，主要包括隧道长度、洞内车流量、火灾事故发生频率。

2.1 火灾事故状况

对于隧道内火灾的发生概率，国内尚无官方数据发布，根据PIARC的技术报告《Safety in Tunnel》(1995)发布了相关数据，其值为0～10 次/108辆·km。

PIARC的技术报告《Fire and Smoke Control in Road Tunnels》(1999)总结隧道火灾发生的概率特点如下：

1) 高速公路隧道的火灾频率比其他隧道高；

2) 只有长隧道或交通量很大的隧道，或两者兼而有之的隧道中，事故发生频率会达到1次/月至1次/年不等；

3) 大多数隧道很少发生火灾。

结合我国国情，高速公路隧道基本上处于交通主干线上，隧道一般是穿越山体或者水域，纵坡一般较大，根据对几个典型隧道的火灾事故统计，结果如表2所示，发生火灾的概率定为0.25次/108辆·km。

表2 我国典型高速公路隧道火灾事故率

2.2 火灾事故社会风险预期值

参考国际上对于火灾概率和伤亡人员的资料，结合本课题关于高速公路隧道火灾的案例分析和数值模拟，综合专家建议，高速公路隧道火灾的死亡概率为1人/108辆·km。

高速公路隧道每5 min统计1次隧道内的交通量，因此公路隧道的火灾实时人员风险损失为：

Ev2=N×12×24×360×L×1×0.25/108

式中：Ev2为火灾社会风险预期值。

3 隧道危险品泄露社会风险预期值

高速公路隧道内目前无法完全避免危险品车辆的通行，但危险品车辆在隧道内出现事故，一般会引起大量的人员伤亡和结构损伤，其社会影响较大。由于危险品车辆可能造成的重大人员伤亡和财产损失，因此危险品泄露事故也是高速公路隧道的主要风险。危险品泄露社会风险预期值是指公路隧道因危险品运输车发生事故而造成的社会风险影响大小，主要包括隧道内因危险品运输车发生事故造成的人员伤亡、财产损失和社会舆论影响。

3.1 暴露人数计算

危险品事故一般具有突发性，且灾情发展迅速，一般情况下其影响范围内的人员来不及疏散和逃生。因此，对当前隧道内的人员总数量进行估计是进行危险品事故风险评估的基础条件。各种车辆类型上所乘坐的人数估计如表3所示。

表3 不同车辆类型的乘坐人数

通过表3中不同车型乘坐的人员数量，可大致近似计算隧道内人员总数量P，计算公式如下：

P=P1×2+P2×1+P3×2+P4×2+P5×2+P6×5+P7×20+P8×2

其中，P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8由隧道交通监测系统实时识别及计算得到。

3.2 危险品评估

参考荷兰Tunprim风险评估模型，危险品事故影响区有约10%的暴露现场人员无法逃出从而成为受害者，因此，若隧道内发生危险品事故，死亡人数的计算公式为：

M=P×10%

根据对国内外已经发生的隧道危险品事故统计，平均每起事故的死亡人数为15人，若式中计算值小于15时，M的值则取15。

根据已有研究，我国高速公路隧道危险品运输车辆的交通事故率为5.6×108辆·km，因无法获取高速公路隧道内发生危险品事故的数据，高速公路隧道危险品事故风险评估取用城市道路危险品事故概率数据。计算当前高速公路隧道危险品事故人员损失为：

Ev3=N×W×12×24×360×5.6×M/108

式中：Ev3为危险品社会风险预期值；W为危险品车辆系数，当隧道内存在危险品车辆时，W=1；当隧道内无危险品车辆时，W=0。

4 隧道社会风险预期值及案例

4.1 社会风险预期值Ev

以高速公路隧道社会风险预期值为研究对象，通过对隧道内实时交通量、车型等交通数据的分析及计算，分别给出了高速公路隧道交通事故风险、火灾风险、危险品泄露风险3类典型风险的社会风险期望值计算模型，通过对交通事故风险、火灾风险、危险品泄露风险的社会风险预期值的研究，得出了整体社会风险预期值Ev值为：

Ev=Ev1+Ev2+Ev3

Ev值参照欧洲国家的规定，建议公路隧道每年的伤亡人数Ev不大于5。如评估结果超过该数值，则应发出预警信息。

4.2 实例验证

贵州某高速公路隧道位于铜仁市规划沿河经印江(木黄)至松桃高速公路中间段，设计速度80 km/h，隧道左线全长1 508 m，右线全长1 515 m，采用双洞4车道设计，日均车流量1 860辆。按照设计车速80 km/h计算，车辆通过隧道所需时间为70 s，即统计70 s内隧道中车辆数，鉴于该隧道实际情况，隧道内实际车辆为3辆，车型分别为小轿车2辆，中型货车1辆。将各数据代入前述各公式中，可计算得到各社会风险预期值，隧道内人员总数量P，死亡人数M及隧道危险品事故人员损失Ev3，进而得到整体社会风险预期值Ev，并评估隧道安全与否。

各社会风险预期值计算：

Ev1=1 860×360×1.5×800×0.21/108=1.687

Ev2=1 860×360×0.25×1.5/108=0.002 5

隧道人员总数量P：P=P3×2+P8×2=1×2+2×2=6

死亡人数M：M=P×10%=0.6<15，即M=15

假设存在危险品车：W=1，Ev3=1 860×360×5.6×15/108= 0.562

整体社会风险预期值Ev：Ev=1.687+0.002 5+0.562=2.251 5<5，小于社会风险预期值，故该隧道评估安全。

5 结论

本文通过对交通事故风险、火灾风险、危险品泄露风险的社会风险预期值计算模型的研究，分别建立了对应的计算模型，从而得到了高速公路隧道整体社会风险预期值，其主要结论如下：

1) 社会风险预期值主要由交通事故风险预期值、火灾事故风险预期值和危险品泄露风险预期值组成，反映了因交通事故导致的死亡人数对社会造成的影响。

2) 社会风险预期值的大小可一定程度上反映所评估隧道目前的交通状况安全与否，通过对贵州某隧道的实例验证，证明该评估方法具有可行性。