基于模糊理論的青藏鐵路凍土路基安全性評(píng)價(jià)

孟進(jìn)寶，楊永鵬，韓龍武，蔡漢成

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

基于模糊理論的青藏鐵路凍土路基安全性評(píng)價(jià)

孟進(jìn)寶，楊永鵬，韓龍武，蔡漢成

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

以青藏鐵路多年凍土區(qū)多年來(lái)的監(jiān)測(cè)資料及國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊理論方法，建立了以凍土類型、凍土環(huán)境、地形地貌、氣候條件、路基結(jié)構(gòu)和工程表觀病害為主要因素、多層級(jí)的運(yùn)營(yíng)期青藏鐵路多年凍土路基安全性評(píng)價(jià)體系，并對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)部分路基工程進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)體系的可靠性。相關(guān)的研究成果可為凍土地區(qū)鐵路設(shè)計(jì)和施工管理提供依據(jù)。

青藏鐵路 凍土路基 安全性評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)體系

青藏鐵路格拉段(格爾木—拉薩)建成通車以來(lái)，沿線路基工程基本穩(wěn)定。但是近年來(lái)，由于人為活動(dòng)、全球氣候變暖等因素的影響，沿線多年凍土出現(xiàn)了不同程度的退化，局部地段路基出現(xiàn)較大的沉降變形，給路基工程的安全帶來(lái)挑戰(zhàn)［1-6］。在應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)急需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題中，建立一個(gè)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程安全性評(píng)價(jià)體系和方法顯得尤為重要［7-11］。模糊綜合評(píng)價(jià)方法是模糊數(shù)學(xué)中最基本的數(shù)學(xué)方法之一，該方法是以隸屬度來(lái)描述模糊界限的［12］。本文綜合運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論和層次分析法確定多年凍土路基安全性狀況的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，用于評(píng)價(jià)青藏鐵路沿線的幾個(gè)典型斷面的安全性。

1 青藏鐵路多年凍土路基安全性評(píng)價(jià)系統(tǒng)

1.1 綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)建立

影響多年凍土區(qū)路基安全性的因素非常多，且各因素之間互為影響，關(guān)系較為復(fù)雜。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和以往的經(jīng)驗(yàn)，選出影響路基安全性的6個(gè)最關(guān)鍵方面，包括凍土類型、凍土環(huán)境、地形地貌、氣候條件、路基結(jié)構(gòu)和工程表觀病害。運(yùn)用 Matlab模糊邏輯工具箱建立多年凍土區(qū)路基安全性的模糊推理系統(tǒng)對(duì)典型斷面進(jìn)行路基安全性狀況預(yù)測(cè)。本文基于以上選定的安全性評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合層次分析法，將模糊層次結(jié)構(gòu)體系按從高到低的順序，分成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和因素層，見(jiàn)圖1。

圖1 多年凍土路基安全性評(píng)價(jià)體系

1.2 建立安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)和工程資料，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查和研究，將多年凍土路基安全性分為4個(gè)等級(jí)，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 路基工程安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 權(quán)重的確定

在運(yùn)用模糊理論進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，權(quán)重是非常重要的，它反映了各個(gè)因素在綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中所占有的地位，直接影響到綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果。

現(xiàn)在權(quán)重通常是憑以往的經(jīng)驗(yàn)給出的，這樣雖然帶有主觀性，但不可否認(rèn)在一定程度上能反映實(shí)際情況。本文使用加權(quán)統(tǒng)計(jì)法，對(duì)多位專家給出的相關(guān)因素的權(quán)重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、補(bǔ)充、修改、完善后并根據(jù)公式 ak=(n為序號(hào)數(shù))得到各指標(biāo)最終的權(quán)重，見(jiàn)表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2 青藏鐵路典型地段路基安全性綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

選取青藏鐵路沿線主要典型地段中7個(gè)典型斷面(K972+580，K1034+090，K1161+625，K1216+165，K1312+270，K1347+012，K1496+750)進(jìn)行多年凍土路基安全性綜合評(píng)價(jià)計(jì)算。各里程斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 各里程斷面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查和研究，并根據(jù)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)資料和工程實(shí)踐，可以就路基安全性進(jìn)行量化，初步量化評(píng)價(jià)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 量化評(píng)價(jià)參數(shù)

安全:指路基工程處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以保證鐵路的安全可靠運(yùn)營(yíng)。

較安全:指路基工程處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，基本可以保證鐵路的安全可靠運(yùn)營(yíng)。

欠安全:指路基工程在穩(wěn)定性方面存在安全隱患，需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)方可保證鐵路的安全可靠運(yùn)營(yíng)。

不安全:指路基工程在穩(wěn)定性方面存在安全問(wèn)題，嚴(yán)重影響行車，需要限行限速，并采取進(jìn)一步的補(bǔ)強(qiáng)措施。

假設(shè)一級(jí)權(quán)重為Ai(i=1，6)，二級(jí)權(quán)重為 Bj(j= 1，17)，單因素量化參數(shù)為 Cj(j=1，17)，則每個(gè)一級(jí)權(quán)重下的評(píng)價(jià)參數(shù)由以下公式計(jì)算

綜合評(píng)價(jià)參數(shù)由下式計(jì)算

大量的工程實(shí)踐表明，綜合評(píng)價(jià)參數(shù)越大，路基安全性越高。

以K972+580斷面為例進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)計(jì)算

同理，K1034+090斷面處 Σ=0.485，K1161+625斷面處Σ=0.469，K1216+165斷面處Σ=0.736，K1312 +270斷面處 Σ=0.945，K1347+012斷面處 Σ= 0.426，K1496+750斷面處Σ=0.44。

結(jié)合青藏鐵路多年凍土區(qū)典型斷面的年變形量變化，通過(guò)整理得出青藏鐵路多年凍土區(qū)路基安全性評(píng)價(jià)及年變形量，如表5所示。

表5 青藏鐵路多年凍土區(qū)路基安全性評(píng)價(jià)及年變形量

從表5可見(jiàn):評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)結(jié)果與變形監(jiān)測(cè)資料吻合較好。結(jié)合青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程的變形原因及機(jī)理，針對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基工程出現(xiàn)的變形問(wèn)題，對(duì)欠安全的路基地段采取了補(bǔ)強(qiáng)措施。K1034+090斷面處評(píng)價(jià)為欠安全，2011年補(bǔ)強(qiáng)以前年變形量為20 mm，補(bǔ)強(qiáng)以后年變形量不大于9 mm。K1161+625斷面處評(píng)價(jià)為欠安全，2013年補(bǔ)強(qiáng)以前年變形量為37 mm，補(bǔ)強(qiáng)以后2014年年變形量為14 mm。K1347+012斷面處評(píng)價(jià)為欠安全，2013年補(bǔ)強(qiáng)以前年變形量為20 mm，補(bǔ)強(qiáng)以后2014年年變形量為5 mm。K1496+750斷面處評(píng)價(jià)為欠安全，2012年補(bǔ)強(qiáng)以前年變形量為54 mm，補(bǔ)強(qiáng)以后年變形量逐年減小，2014年變形量為4 mm。結(jié)合補(bǔ)強(qiáng)時(shí)間前后的變形量對(duì)比，認(rèn)為補(bǔ)強(qiáng)效果良好。

根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到了路基安全性的相對(duì)順序?yàn)?K1312+270，K1216+165，K972+580，K1034+ 090，K1161+625，K1496+750，K1347+012，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際基本吻合。

3 結(jié)論

本文采用模糊數(shù)學(xué)方法，對(duì)青藏鐵路沿線典型路基斷面安全性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，得出結(jié)論如下:

1)建立了以凍土類型、凍土環(huán)境、地形地貌、氣候條件、路基結(jié)構(gòu)和工程表觀病害為主要因素的多層級(jí)運(yùn)營(yíng)期青藏鐵路多年凍土路基安全性評(píng)價(jià)體系，并對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)部分路基工程進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了評(píng)價(jià)體系的可靠性。說(shuō)明在凍土路基安全性綜合評(píng)價(jià)中運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法是科學(xué)合理的，該方法所得到的評(píng)價(jià)結(jié)果可用于不同地區(qū)路基的安全性評(píng)價(jià)。

2)以青藏鐵路沿線的7個(gè)典型凍土斷面為例，得到了路基安全性的相對(duì)順序?yàn)?K1312+270，K1216+ 165，K972+580，K1034+090，K1161+625，K1496+ 750，K1347+012，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際基本吻合。

3)通過(guò)青藏鐵路多年凍土區(qū)路基安全性評(píng)價(jià)及年變形量對(duì)比可知，評(píng)價(jià)體系的評(píng)價(jià)結(jié)果與變形監(jiān)測(cè)資料吻合較好，對(duì)比補(bǔ)強(qiáng)時(shí)間前后的變形量，認(rèn)為補(bǔ)強(qiáng)效果良好，達(dá)到了工程整治的目的。

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Safety evaluation on permafrost subgrade of Qinghai-Tibet railway based on fuzzy theory

MENG Jinbao，YANG Yongpeng，HAN Longwu，CAI Hancheng
(Northwest Research Institute Co．，Ltd of C．R．E．C，Lanzhou Gansu 730000，China)

T he paper takes reference from the monitor data on the permafrost subgrade of Qinghai-T ibet railway and from the research achievement of both China and abroad．Using Fuzzy T heory，it builds a multi-layered evaluation system for the subgrade safety of the line，with permafrost type，permafrost conditions，landform，climate，subgrade structure and engineering defect as major parameters．T he system is used to analyze the safety performance of the subgrade during the operation period，so as to testify its validity and provide reliable reference to railway design and construction management in permafrost areas．

Qinghai-T ibet railway;Permafrost subgrade;Safety evaluation;Evaluation system

TU445;U216.41

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．26

(責(zé)任審編 孟慶伶)

2015-04-20;

:2015-06-15

科技部科研院所科技開(kāi)發(fā)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2011EG123262);中國(guó)中鐵股份有限公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2013-重大-20-1)

孟進(jìn)寶(1988— )，男，甘肅渭源人，助理工程師，碩士。

1003-1995(2015)08-0088-05