高速公路隧道长期安全因素分析

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近年来，随着我国经济社会的快速发展，我国交通建设事业取得了巨大的成就，并由此进入了一个快速发展的时期，在加快高速公路的修建的同时，隧道的建设也进入了新的高潮。隧道在服役过程中不可避免地遭到环境荷载、疲劳、腐蚀、老化等因素的影响，必然产生损伤累积，从而导致抗力衰减，如不及时采取有力措施，其存在的隐患是难以估量的。隧道因其工作状态、地质条件和病害机理极其复杂，由隧道地质条件恶化、结构失稳和退化、环境状况变化、人为因素所造成的崩塌、火灾、交通事故等时常发生，严重威胁着隧道安全以及人的生命和财产安全。为了确保隧道结构的长期安全稳定，全面分析影响隧道长期安全的因素，具有极大的现实意义。

本文重点从隧道结构和环境条件因素两个方面对影响隧道长期安全的因素进行分析。

一、隧道结构安全因素分析

隧道的构成，在本质上是围岩和支护结构的综合体。在通常情况下，围岩是主要的承载单元，而支护结构是辅的，但在某些特殊情况下，支护结构也是主要的承载单元。因此，在进行隧道结构安全因素分析时，要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用，它们共同决定了隧道结构的安全性和稳定性。下面分别从围岩与支护结构的变形和相互作用两个方面对运营期间隧道的结构安全因素进行逐一分析。

（一）围岩与支护结构变形位移因素

所谓 “隧道稳定性”是指由人工支护结构与其周围一定范围内的地层(围岩)组成的“支护系统”的稳定程度。

隧道周边点的位移是围岩和支护系统力学形态变化最直接、最明显的反映，因此，对隧道水平收敛和拱顶下沉进行监测和分析是判断稳定性的主要手段。由于隧道建成后围岩被支护结构封闭，难以量测，因而隧道运营期间的结构健康监测以支护结构，尤其是二次衬砌的变形量测为主，通过量测支护结构的变形状态，推测围岩与支护结构之间的作用关系，间接获得围岩的活动情况。但是，隧道在运营期间，不可能关闭隧道进行监测，因此无法进行水平收敛和拱顶下沉的监测。于是，我们只能通过对隧道围岩内部位移监测和隧道衬砌裂纹观测，掌握隧道净空变形的发展规律和隧道衬砌裂纹的发展情况，从而对衬砌结构的稳定状态做出预测和评价，确保隧道结构的安全性。

于是，围岩与支护结构变形位移因素主要有以下两个：（1）围岩内部位移；（2）裂纹。

（二）围岩与支护结构相互作用应力应变因素

由于在隧道围岩变形和破坏的发展过程中，具有时间效应，在主体工程完工后，初衬－围岩接触应力、二衬－初衬接触应力、初衬钢拱架应力、二衬钢格栅应力、锚杆轴力仍会随时间继续发展，这些因素是否已经趋于稳定，是判断隧道是否已经稳定的根据。但是，在隧道通车后，围岩、初衬和二衬已经成为一个复合体，因此初衬－围岩接触应力和二衬－初衬接触应力没有必要再进行考虑。但是仍然需要考虑初衬钢拱架应力、二衬结构内应力和锚杆轴力，以此判断隧道结构应力是否已经达到平衡。

通过上面的分析，我们得到影响隧道安全和稳定性的关于围岩与支护结构相互作用的应力应变因素：（1）初衬钢拱架应力；（2）二衬结构内应力；（3）锚杆轴力。

二、隧道环境条件因素分析

高速公路隧道交通较其他道路交通具有特殊的运行环境，具有封闭性强、空气质量低、环境噪音大、能见度低、光过渡等特点。一旦隧道里发生事故，其后果要比发生在地面上的严重得多。特别是火灾，由于封闭的空间妨碍热和烟雾的扩散，其后果极具灾难性。再者是洞内外亮度差异较大，针对驾驶员容易产生黑洞效应，再加上空间的约束和压抑，心理发生变化，出现交通事故的概率大大增加。第三，隧道内车辆排放的尾气在封闭空间得不到扩散和稀释，有害污染物不断积聚使洞内空气严重污染，不但对人的身体健康产生伤害，而且使隧道能见度降低，引发交通事故。第四，高速公路上车流量大，车速快，也是发生事故的一个重要因素。第五隧道工程的典型特点是距离长、规模大、站点多、通讯对象多，不仅隧道本身长，而且很多工程其隧道和监控中心的距离也长达数公里。另外，它们大多都系上下行分离、双洞、单向行驶双车道的隧道。隧道内设置照明、通风、区域控制、消防、闭路电视、紧急电话、通信、交通诱导设备等多种设备，以确保隧道安全、正常通行。因而，对这些设备的正确调度，监控、监视是隧道安全畅通所必需的，尤其在事故状况下，更是要保证人身、设备的安全。因此，有必要对表现隧道内设备运行状态的环境因素进行分析。

（一）空气质量

隧道在发生交通事故而引发的火灾或爆炸时，常常会产生大量浓烟和有害气体，即使是在正常情况下，车辆排放也会排放大量尾气，在封闭空间得不到扩散和稀释，有害污染物不断积聚使洞内空气严重污染，不但对人的身体健康产生伤害，而且使隧道能见度降低，引发交通事故或二次交通事故。

因此，在隧道空气质量方面，我们提取两个影响隧道安全的主要因素：（1）有害气体浓度，主要指CO浓度；（2）烟雾浓度，反映能见度。

（二）瓦斯

在这里，将瓦斯浓度单独列出来的原因是只有少数穿过煤层的隧道才会产生瓦斯，在一般隧道中基本不会产生瓦斯，并且经过隧道初衬、二衬和隧道装饰，抑止了瓦斯的逸出到隧道中。但是，瓦斯是从煤层中突出的一种可燃可爆气体，当隧道穿越含有部分含煤层的地层时，常常突出大量的瓦斯，而人们容易忽视它的存在。在隧道运营期间，瓦斯浓度过大，会影响空气质量，从而有害人的身体健康，更重要的是，瓦斯浓度达到其爆炸极限，遇火花或温度达到其着火点，都会引起爆炸，产生灾难性后果。

处理瓦斯的措施主要是加强通风、进行锚喷支护，尤其是采用喷混凝土封堵瓦斯涌出地层。对于那种高瓦斯含量和涌出量的隧道，在运营期间也有必要进行长期的瓦斯浓度监测。

（三）温度

高温会使人情绪烦躁和感到不舒服，会间接导致交通事故的发生，高温也会使发生火灾的概率增加。由于隧道断面小，道路狭窄，发生火灾时的温度高、热量不易散失，不仅给消防进攻、扑救带来很多困难，而且还使隧道本身造成不同程度的损坏。通过隧道的车辆以及隧道中电器设备的运行，也会使环境温度升高。因此，需要对温度进行长期监测，并通过通风调节温度。

（四）通风

隧道是封闭的，但运行的车辆又会产生烟雾和CO等有害气体，穿越含煤地层的隧道还会产生瓦斯，车辆的行驶和隧道内机电设备的运行也会使温度上升，因此，需要设计和安装通风系统，以稀释烟雾和CO、瓦斯等有害气体，降低温度，达到隧道卫生和安全设计的要求。隧道内的CO浓度与VI值是隧道内通风控制的基本参数，因此，可以通过对CO浓度与VI值的监测实现对通风系统的控制。但是，并非烟雾和CO、瓦斯等有害气体浓度越低越好，这还涉及到运行成本和通过隧道的人员的舒适度的问题。《公路隧道通风照明设计规范》第3.2.3、3.7.1、3.9.2等条规定了不同隧道在不同情况下允许的风速范围。

因此，在通风方面，风速是影响隧道长期安全的一个重要因素。

（五）照明

汽车驾驶员在隧道中会发生种种特殊视觉问题。白天进入隧道前，由于隧道内外亮度差别极大，从隧道外部去看照明很不充分的隧道入口会看到黑洞(长隧道)及黑框(短隧道)现象。进入隧道后，因急剧的亮度变化，人的视觉不能迅速适应，要过一段时间才能看清隧道内部情况，容易发生视觉障碍，危及行车安全。在这种情况下，一般驾驶员会不经意地采取强制性减速措施――紧急制动,而紧急制动会引发车辆甩尾和侧翻。因此，隧道入口事故率较高。白天在隧道出口因外部亮度极高,出口看上去是个亮洞，即“白洞现象”，出现极强的眩光。夜间出口看到的又是黑洞，因而看不清外部道路的线性及路上的障碍物，中长隧道尤甚。因此，有必要根据隧道洞内外亮度的变化实现照明的自动或人工干预控制，以提高隧道内的行车安全性。

（六）噪声

为了稀释隧道内CO等有害气体，提高能见度，大多公路隧道中均安装了强制性通风风机，风机运转时的噪声较大。另一方面由于经济、社会和汽车行业的快速发展，使机动车通行急增，车速得到大幅度提高，车流量也迅速增大，也产生较大的噪声。噪声影响人的身心健康和情绪，也可能引发交通事故，特别是在人车混合隧道，更应该控制噪声在一个适当的范围内。