1.1. 隧道是一个复杂的系统

• 1.1.1. 系统的复杂性
• 1.1.2. “土木工程”部分
• 1.1.3. “通风”问题
• 1.1.4. “营运设备”子集
• 1.1.5. “安全”问题
• 1.1.6. 小结

1.1.1. 系统的复杂性

一个隧道，构成一个“复杂系统”，这是把非常多的参数考虑进来的结果。这些参数的影响因素通过下图（图1.1-1）可以看出。

所有这些参数在各因素的影响下是可变的和相互影响的，就像各个因素也是变化的一样各个参数之间的相对权重，各个参数的性质由于个隧道的情况不同而或多或少的不同。例如：

• 对于一个城市隧道和一山岭隧道来说，其确定标准和各参数的比重是不一样的
• 条短隧道和一条长隧道的区别就像一条行车密集的隧道是否有危险一样
• 对于新建一条隧道和按照新的安全标准整修一条隧道，两者的标准是不一样的

注释1：简图布局有多种且往往是可转换的，该简图中，隧道的总体思路和功能区是放置在草案的中心。也可以制定当其他因素放置在草案的中心时的类似的图表。

注释2：第一圈代表技术领域，主要因素表示以下几个方面：

• 安全：规定-风险分析-干预措施-可行的需要，
• 地质条件：地质情况-岩土力学-结构尺度，
• 土建工程： 方法-施工组织-风险和危害，
• 运营： 运营和养护（技术方面），
• 费用：施工-运营-日常养护-大修，
• 环境因素：规定-诊断-影响分析-处理或缓解措施。

注释3：第二圈代表即将建设工程的修建环境，主要因素包括以下几个方面：

• 人文环境：敏感度-城市化-附近是否存在基建及建筑
• 自然环境：敏感性分析-水环境-动物-植物-空气质量-自然景观
• 交通情况分析：交通特征及流量分析-流量类型-运载货物类型
• 其他外部约束条件：准入及其他约束条件-气候条件-雪崩-地层稳定性-社会经济环境等
• 盈利水平：经济可接受程度-投资能力-资金成本控制-特许经营或公私合营情况下的政治经济环境

一条新隧道（或者一条就隧道的维修）的设计需要考虑很多很多的参数。决策树中相关的参数非常复杂，且需要多领域有经验的各方进行确定，由于以下原因，各方应尽早考虑并确定相关因素：

• 为避免目前正在建设的或最近刚刚完成隧道出现的潜在缺陷，确保所有相关参数在隧道工程开始阶段就予以考虑。这些缺陷包括运营和安全设备不足导致过晚发现相关需求，即建立的管理系统没有考虑将风险分析结果、紧急情况响应计划或操作程序集成进来，导致建成的管理系统和运营系统不够安全或使用不便。
• 无论从安全角度来看，还是从隧道建设和运营角度来看，越早的干预措施对于一个工程的措施优化越有利。

每一座隧道都是独一无二的，应针对其具体和独特的条件进行分析，这些专门的分析结果是针对具体条件建立隧道提出合适的解决方案必不可少的，并且可以达到以下目的：

• 从技术和投资方面使工程达到优化的效果；
• 减少工程的技术、投资和环境风险；
• 确保达到用户要求的安全水平。

对于多数隧道，不存在复杂的"魔幻版的关键技术"，也不是简单的将方案进行复制和粘贴，隧道的设计和优化需要开展以下工作：

• 全部参数的完全详尽的目录；
• 不同参数的相互关系和作用；
• 对于分析目标参数的适应性进行评估，必要的时候还需要对其敏感性进行分析；
• 确保成功的一套完整的分析方法，是因为：
  • 由于系统过于复杂，一套纯数学的方法不可能完全解决问题，没有单独的解决方案；
  • 工程开始的早期阶段，太多的参数还无法确定，但是必须做出重要的方案决定；
  • 风险类型、风险严重性、发生概率必须考虑，并进行评估；
  • 许多技术参数并非独立的，参数间的相互作用是循环往复的。

下面的几个段落将用来阐述分析中参数间的作用特征，分析其相互特征及往复循环特征。

尽管上述事例不够详尽，但是他们的目标是让读者认识到这些问题，并尽量针对具体隧道考虑这些问题。

1.1.2. “土木工程”部分

1.1.2.1. 参数分析

表1.1-1与土建工程相关的各个方面的主要技术参数。

• 第1列指的是主要的参数集；
• 第2列指的是主要的参数子集；
• 第3列列出了参数子集的主要参数，列表并非完全详尽的；
• 第4列是有参数集和子集决定的，是参数子集的主要结果。

表1.1-2  根据土建工程手动参数

1.1.2.2. 不同参数间的互相作用

不同参数间的相互作用较为频繁，且这些影响考虑到了不同参数间的交叠。

下表1.1-2举例列出了通风、断面和安全方面参数的相互作用：

• 第一列是通风相关的参数，这些参数是从表1.1-2中通风子项中得到的关键参数，
• 第二列是隧道断面的相关参数，也是从表1.1-2中得到的，
• 第三列是安全相关的参数。

表1.1-3   参数之间的相互作用

表中显示了若干个列中都有同样的特定的参数（见连接线），这样就建立了不同参数子集中参数间环状相互作用。这些相互作用通过复杂的函数来确定，所以一般想利用简单的纯数学公式来解决是几乎不可能的。该问题的解决要求的各种参数之间的层次结构的定义，然后考虑到更高层次的参数的假设。这个层次不同于一个项目到另一个，例如：

• 对于一座用钻孔方法施工的短隧道或一座单项通行的中等长度的隧道，最可能的通风系统是径向通风，将射流风机悬挂在隧道顶部对于隧道断面阐述的尺寸效应非常小，这种设计一般在通风设计前即可确定，但是同时需要考虑其他的设计参数，并且通风对断面尺寸的影响在后继设计中予以核查；
• 相反，如果隧道是特长隧道，或者隧道断面是矩形（明挖回填法施工），隧道的通风系统及构件（断面、风机和排气管道可能的尺寸、数量、特征）会对隧道的断面产生巨大的影响。，隧道的通风系统的尺寸在断面尺寸设计的初期就应该进行分析，并预先给出预计通风系统的尺寸。断面的几何尺寸将进行检查。

结果的过程是交互式的，且如前面的例子中展示的，是基于一组假设的基础上的。这个过程需要技术人员宽泛的、多学科的工程经验，从而能够充分将工程中的相关参数纳入到这个连续的过程中，确保服务水平和安全水准的基础上，能够优化整个工程。

1.1.3. “通风”问题

表1.1-3显示了通风系统各个方面主要技术参数的关系，但并不详尽。

对于土木工程，不同参数间的相互作用是非常多的，这种作用也是循环作用的关系。

解决问题的过程与上述描绘的土木工程中的方式是类似的。

表1.1-4  影响通风的主要参数

1.1.4. "营运设备"子集

除以下内容外，运营部分并不是功能定义的关键参数：

• 线路通道的预留箱凹位和套管，防火系统的水管，
• 信号系统：信息的信号系统，安全和警方指令，信号系统可能（矩形的明挖回填法）会对隧道断面几何形状（车道与边墙间距离可能影响纵断面布置和隧道场地）的确定有一定影响，这样就需要进行更加全局的优化，这些优化可能与隧道洞口附近洞外的连接通道设计有关。

“运营设备”的组成在另一方面来说对技术性建筑物的入口，地下机电分站，所有的地下技术空间，或者各种设备，凹处和壁龛的尺寸的一个重要参数。关于温度，空调以及空气质量往往需要安装特殊的设备。

从建设、运营和维护费用的角度来讲，这些也是非常重要的。

隧道运营设备对于隧道安全来讲也是必不可少的，并按照以下目标进行设计、建造和维护：

• 可用性和可靠性：特别是电力及通讯网络的供应与分布；
• 所有防火设备：特别是主要能源供应线路及其他数据传输线路；
• 设备及组件的耐用性应确保其全寿命周期的可靠性和运营维护的费用优化；
• 应有利于方便运营干预，但是这些干预应尽量降低对交通及养护组、用户的安全，这就要求对设计及这些设备的可操作性提出相关要求；
• 运营程序集成、隧道监控系统的设计中的紧急响应计划、人机交互接口的功效、操作员的协助特别是事故中的协助。

1.1.5. “安全”问题

1.1.5.1. “安全”概念

(Fig. 1.1-2). 本手册中第二章介绍了影响隧道安全的主要因素，所以有必要考虑到基础建设自身的系统的各个方面因素，确保隧道运营、干预、车辆和用户的安全。

在建设成本方面基础设施是一个重要参数。但是在基础设施上投资太多的钱而没有使重要的设备提高安全条件则是没有考虑到以下几个方面：

• 组织，人力和物力手段，程序的运营和调停；
• 操作员工的培训；
• 高效率材料的紧急服务设备和员工的培训；
• 与用户的沟通。

1.1.5.2. 如何进行隧道工程的参数影响分析?

对于一个隧道工程，这些参数或多或少都会影响到隧道的青年，下表给出了一个简例。

注：下面的四张表指的是图1.1-5中的4个主要领域：

• 第一列指的是相关主要基础设施或行为
• 第二列列指的是隧道工程的影响等级（土建结构-通风系统-运营和安全设备）：
  • 绿色——重要和主要影响；
  • 黄色——中等影响；
  • 红色——没有影响
• 第三列指的是影响的主要原因和成因​

1.1.6. 小结

隧道是一个复杂的系统，特别是：

• 如果隧道设计过程中仅仅考虑线形、地质情况或土建结果，可能会导致严重的设计缺陷，至少隧道建成后安全性较差（甚至处于危险状态），并且运营较为困难（或在合理的情况无法进行运营）；
• 同样，将隧道设计看成操作设备的设计，而没有将风险分析、安全要求、救援与运营等工作集成起来进行考虑，所以隧道建成通车后很快会出现诸多的缺陷；
• 隧道设计的初期，没有将运营和养护中的诸多约束条件和目标进行考虑，后继将不可避免的导致运营成本增加、隧道整体性能下降等问题的增加。

由于隧道设计中缺少隧道文化，没有考虑相关因素，导致了许多问题的处理是片面的，不周全的。

对隧道这个复杂的系统的设计进行进行控制很复杂，但是必须的，特别是：

• 对于每个问题都提出合适的解决方案；
• 保证用户的安全水平，提供给他们舒适高质量的服务。

通过早期清晰的功能定位和价值工程程序，可以确保这个复杂系统的得到控制，同时可以使工程的投资和技术方案得到优化，从工程的开始，应考虑到以下相关因素：

• 水平和垂直的校准，地质学，土木工程施工设备和方法；
• 通风；
• 安全水平（通过一个初步的风险和危险分析、一个初步的紧急事故预案来进行确保）；
• 运营和维护条件；

这些因素的考虑是确保整个系统的设计问题解决的有效方法。