高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價體系研究

李娜 ，陳輝華，張慧

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 河北區(qū) 300000；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075；3.黃淮學(xué)院，河南 駐馬店463000)

高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價體系研究

李娜1，陳輝華2，張慧3

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 河北區(qū) 300000；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075；3.黃淮學(xué)院，河南 駐馬店463000)

摘要:構(gòu)建CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系,通過將系統(tǒng)工程學(xué)中的層次分析法與可拓學(xué)中的模糊可拓物元綜合評價法相結(jié)合，確定模糊可拓物元綜合評價模型來評價CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量,并進(jìn)行實證研究。目的在于實現(xiàn)CRTSI型雙塊式無砟軌道施工控制的最終產(chǎn)品符合質(zhì)量要求，從而為高速列車提供平順性、安全性和耐久性的運行基礎(chǔ)，實現(xiàn)高速鐵路的運營安全和可持續(xù)發(fā)展。此外，研究成果對高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質(zhì)量評判具有廣泛的適用性，能夠促進(jìn)高速鐵路無砟軌道施工質(zhì)量管理的完善和成熟。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；施工質(zhì)量評價；模糊可拓物元綜合評價法

目前軌道交通發(fā)達(dá)的國家，基本都采用無砟軌道作為主要的軌道結(jié)構(gòu)型式。日本的無砟軌道結(jié)構(gòu)型式主要為單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，并將其用新干線；德國無砟軌道主要有Rheda,B?gl和Züblin3種結(jié)構(gòu)式無砟軌道型式；意大利、奧地利、荷蘭和瑞士等國均根據(jù)自己國家鐵路特點選擇無砟軌道的結(jié)構(gòu)型式。與發(fā)達(dá)國家相比，我國高速鐵路的規(guī)劃和建設(shè)相對較晚，但是我國鐵路系統(tǒng)積極汲取世界鐵路的先進(jìn)水平，在學(xué)習(xí)和借鑒國外高速鐵路技術(shù)的基礎(chǔ)上，堅持原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，最終形成技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠且符合我國國情的客專鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工程技術(shù)[1-2]。我國目前主要有五種無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，包括CRTSI型雙塊式無砟軌道、CRTSII型雙塊式無砟軌道、CRTSI型板式無砟軌道、CRTSII型板式無砟軌道、CRTSIII型板式無砟軌道。高速鐵路要求軌道結(jié)構(gòu)必須具備高平順性、高穩(wěn)定性及更好的耐久性，無砟軌道正好符合高鐵的發(fā)展需求，具有保持幾何狀態(tài)能力強，縱、橫向的穩(wěn)定性較高，且其在線路線形走向方面具有維持軌道彈性不變的優(yōu)勢，對于延長維修周期及軌道使用壽命有極其重要的影響，因此，無砟軌道逐漸取代有砟軌道，成為我國新建客運專線采用的主要軌道結(jié)構(gòu)型式[3]。CRTSI型雙塊式無砟軌道在鄭西客運專線、武廣高鐵、大遂偷鐵路等高速鐵路上均已成功應(yīng)用。因此，在施工技術(shù)方面已經(jīng)趨于成熟，而如何科學(xué)地評價CRTSI型雙塊式無砟軌道項目的施工質(zhì)量，是廣大管理者更應(yīng)該關(guān)注的重點，這對于保證高速鐵路的建設(shè)質(zhì)量是有極其重要的作用。評價CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質(zhì)量，不僅能夠督促施工單位施工技術(shù)及施工管理的提高，也能極大地減少建設(shè)單位后期運營使用階段的維修工作量，進(jìn)而促進(jìn)高速鐵路施工質(zhì)量管理的完善和成熟，這對高鐵的可持續(xù)發(fā)展能夠起到不可估量的作用。

1施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系構(gòu)建探析

1.1一級指標(biāo)體系構(gòu)建探析

CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量控制的效果,可以從多個方面、多個視角進(jìn)行反映,本文嘗試將所構(gòu)建的指標(biāo)體系實行分級處理，形成一個較為完整、層級分明的指標(biāo)體系[5]。在CRTSI型雙塊式無砟軌道項目實施過程中, 其施工質(zhì)量可以從其結(jié)構(gòu)組成分為六大類，包括軌枕預(yù)制質(zhì)量；防水層質(zhì)量；支承層質(zhì)量；底座板質(zhì)量；凹槽質(zhì)量；道床板質(zhì)量[4]。

具體而言,軌枕預(yù)制質(zhì)量主要是從軌枕現(xiàn)場驗收的視角,明確實施過程中容易產(chǎn)生的質(zhì)量問題；防水層質(zhì)量,主要指在CRTSI型雙塊式無砟軌道施工過程中,對線下結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量處理的一種評估，是保證無砟軌道質(zhì)量的基本前提；支承層和底座板屬于道床板的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量對于軌道的平順性、安全性、舒適性有極大的影響；凹槽質(zhì)量影響道床板與底座板的連接情況，是使鋼軌下層結(jié)構(gòu)形成整體的一個重要連接樞紐；道床板質(zhì)量是CRTSI型雙塊式無砟軌道施工中最重要也是最困難的一步，且在實際施工中很容易出現(xiàn)質(zhì)量問題，加強對其質(zhì)量的監(jiān)控，有助于后期維護(hù)工作的順利進(jìn)行[5-6]。

1.2二級指標(biāo)體系構(gòu)建探析

本節(jié)將針對各一級指標(biāo),分別構(gòu)建能反映其特征的二級指標(biāo),以確保CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價工作的有效開展。對于各一級指標(biāo),可以從施工質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn),開展相應(yīng)的評價工作,以保證質(zhì)量評價工作的順利落實[7]。本文所構(gòu)建的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系如表1所示。

表1中，根據(jù)評價對象不同，可以將一級指標(biāo)進(jìn)行組合，如評價路基、隧道段無砟軌道施工質(zhì)量，可選軌枕預(yù)制質(zhì)量、防水層質(zhì)量、支承層質(zhì)量、凹槽質(zhì)量、道床板質(zhì)量為指標(biāo)；評價橋梁段無砟軌道施工質(zhì)量，可選軌枕預(yù)制質(zhì)量、防水層質(zhì)量、底座板質(zhì)量、凹槽質(zhì)量、道床板質(zhì)量為指標(biāo)；選全線無砟軌道施工質(zhì)量為評價對象，則選取全部指標(biāo)，但必須根據(jù)全線路橋隧比例調(diào)整權(quán)重值，最終評價出該段線路無砟軌道的施工質(zhì)量控制水平。

表1　CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系

2CRTSI型雙塊式無砟軌道項目施工質(zhì)量評價方法

2.1模糊可拓物元綜合評價模型適用性分析

從上文所構(gòu)建的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系中可以看到，該評價指標(biāo)體系共包含6項一級指標(biāo)及30項二級指標(biāo)，涵蓋CRTSI型雙塊式無砟軌道施工過程中與其質(zhì)量相關(guān)的所有結(jié)構(gòu)組成成分，是一個極其復(fù)雜的多指標(biāo)系統(tǒng)[8]。與此同時，有些二級指標(biāo)能夠直接用具體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表示，有的卻不可以定量化，需要通過定性描述來確定。因此，必須構(gòu)建一種能夠?qū)RTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量進(jìn)行綜合分析、并能夠綜合處理定量化指標(biāo)和定性化指標(biāo)的決策模型。

模糊可拓物元綜合評價模型是模糊綜合法與多指標(biāo)可拓物元評價法相結(jié)合的一種綜合分析法[9]。模糊物元由對象、特征、模糊量值3個要素構(gòu)成，是一種將定性與定量相結(jié)合來描述待評事物屬性的特殊方法，能比較全面地考慮各個影響因素,計算各個指標(biāo)與評價等級的關(guān)聯(lián)度,評價出CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量。而層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一種簡單方便的客觀指標(biāo)權(quán)重確定法，主要通過下層指標(biāo)對上層指標(biāo)的貢獻(xiàn)度來確定各層次的權(quán)重[10]。

以上分析可知, 模糊可拓物元綜合評價法和AHP方法的基本思路,與高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價的目的一致[11-13]。因此，將模糊可拓物元綜合評價法引入到CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價中，具有非常好的符合性，能夠保證評價工作順利進(jìn)行，實現(xiàn)評價效果的真實性和有效性。

2.2AHP法確定權(quán)重系數(shù)

層次分析模型本質(zhì)就是分析問題所包含的影響因素及他們之間的相互關(guān)系，所要解決的問題是關(guān)于最低層對最高層的相對權(quán)重問題，而CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量是多個因子共同作用的結(jié)果,不同因子對CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量的影響程度存在著差異,因而需要考慮不同構(gòu)成因子的相對重要程度。因此，在CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價中采用層次分析法進(jìn)行權(quán)重的確定。

本文以整條線路為評價對象，則其權(quán)重的計算步驟如下。

1)建立遞階層次分析模型

本文在確定權(quán)重時，綜合考慮各級指標(biāo)之間的聯(lián)系，將CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價層次結(jié)構(gòu)分為頂層、中間層和底層共三個層次，其層次分析結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig.1 CRTSI double block ballastless track construction quality analytic hierarchy chart

2)構(gòu)造各層的判斷矩陣

設(shè)第1層為A層，即CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量；第2層為B層，包括軌枕預(yù)制質(zhì)量，防水層質(zhì)量，支承層質(zhì)量，底座板質(zhì)量，凹槽質(zhì)量，道床板質(zhì)量6項。本文根據(jù)路橋隧比例及各項指標(biāo)重要程度確定分值，最終計算出評價對象的權(quán)重值。對于同一層次B的n個指標(biāo)，可兩兩比較得到判斷矩陣A，其元素為aij。

式中，aij(1?i,j?n)表示對于目標(biāo)A，準(zhǔn)則bi的重要性或貢獻(xiàn)度與bj的比值。aij的取值由德爾菲法采用1～9標(biāo)度法確定，各級標(biāo)度的含義見表2。判斷矩陣A中的值應(yīng)該滿足：

3)計算權(quán)重及一致性檢驗

計算出判斷矩陣中每一行元素的乘積的n次方根，即：

(1)

對向量w=[w1,w2,……，wn]T做歸一化處理，各個指標(biāo)的權(quán)重為：

(2)

計算一致性比例CR：

(3)

若CR>0.1說明判斷矩陣中元素aij的一致性估計太差，應(yīng)重新估計；若CR≤0.1，則可認(rèn)為該判斷矩陣的一致性是可以接受的，可用其歸一化向量作為權(quán)向量，否則要重新構(gòu)造成對比較矩陣A，對aij加以調(diào)整。

表2　1～9標(biāo)度的意義

2.3模糊可拓物元綜合評價模型構(gòu)建具體流程

1)確定底層評價指標(biāo)各等級的經(jīng)典域與節(jié)域

(4)

式中：N0j為劃分的j個評價等級；Ci為評價等級Noj的特征；V0jn為關(guān)于特征Ci所規(guī)定的量值范圍，即各個評價等級關(guān)于對應(yīng)特征Ci所取的數(shù)據(jù)范圍，即經(jīng)典域。其中i=1,2,…,n，j=1,2,…,m。

2)確定評價等級的節(jié)域

(5)

式中：N為評價等級的全體;VPi為N關(guān)于Ci所取的量值范圍,即節(jié)域。

3)確定待評物元

對待評的CRTSI型雙塊式無砟軌道項目，將經(jīng)檢測所得到的數(shù)據(jù)或分析的結(jié)果用物元表示，稱為該項目的待評物元。

(6)

式中：N0為待評項目；Vi為N0關(guān)于Ci的量值。

4)確定待評項目關(guān)于各等級評價的關(guān)聯(lián)度

(7)

式中：

(8)

5)帶入權(quán)重系數(shù)的關(guān)聯(lián)度計算

對于每個特征Ci ，取wi為權(quán)系數(shù)， 令

(9)

式中：Kj(p0)為待評項目P0關(guān)于各等級j的關(guān)聯(lián)度。

6)對待評項目第2層指標(biāo)等級進(jìn)行評定

j=1,2…m，則表示P0的評價等級已不在所劃分的各等級中，應(yīng)舍去。

7)通過第2層指標(biāo)對整個項目進(jìn)行評價

經(jīng)過步驟(6)后，得到了第2層指標(biāo)的評價等級。將第2層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)乘以權(quán)重值，便可得到整個項目的評價結(jié)果。

3工程實例

3.1工程簡介

本文以HF客專MG段高鐵項目CRTSI型雙塊式無砟軌道為例，采用上述方法評價該段CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質(zhì)量。該線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：1)鐵路等級：客運專線；2)正線數(shù)目：雙線；3)速度目標(biāo)值：本線旅客列車設(shè)計速度250 km/h，跨線旅客列車運行速度200 km/h及以上，基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留進(jìn)一步提速的條件，正線線間距采用5.0 m；④最大設(shè)計坡度：20‰；⑤最小曲線半徑：7 000 m。

3.2AHP法確定的指標(biāo)權(quán)重

1)構(gòu)造判斷矩陣

按照2.2節(jié)中確立的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價層次結(jié)構(gòu)模型，以CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量為最高目標(biāo)，即頂層A；以Bi(i = 1，2，…6)表示中間層；因素集Bij表示底層中的元素。

按照1～9標(biāo)度法，根據(jù)路橋隧比例及各項指標(biāo)重要程度，由專家確定各指標(biāo)分值從而構(gòu)造各層的判斷矩陣。本節(jié)只列出部分判斷矩陣的數(shù)據(jù)，包括CRTSI型雙塊式無砟軌道質(zhì)量、支承層質(zhì)量及凹槽質(zhì)量判斷矩陣，如表3，表4和表5所示，其他指標(biāo)的判斷矩陣本文不再贅述。

表3CRTSI型雙塊式無砟軌道質(zhì)量判斷矩陣

Table 3 CRTSI double-block ballastless track quality judgment matrix

AB1B2B3B4B5B6B11533417B215115151719B3135111316B4135111518B514735114B6796841

表4　支承層質(zhì)量判斷矩陣

表5　凹槽質(zhì)量判斷矩陣

CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量判斷矩陣A(表3)的最大特征值為λmax=6.222，CI=0.044，RI=1.240，CR=0.035<0.1，A判斷矩陣通過一致性檢驗，可以被接受。支承層質(zhì)量判斷矩陣(表4)的最大特征值為λmax=7.495，CI=0.082，RI=1.320，CR=0.062<0.1，B3判斷矩陣通過一致性檢驗，可以被接受。凹槽質(zhì)量判斷矩陣(表5)的最大特征值為λmax=6.221，CI=0.044，RI=1.240，CR=0.035<0.1，B5判斷矩陣通過一致性檢驗，可以被接受。同理，可求出其他矩陣的一致性檢驗都能被接受，可用其歸一化向量作為各個層級的權(quán)重向量。

2)計算權(quán)重

通過對以上的判斷矩陣進(jìn)行計算得到各層指標(biāo)的權(quán)重值，如表6、表7所示。

表6　中間層指標(biāo)權(quán)重值

表7　底層指標(biāo)權(quán)重值匯總

3.3基于模糊可拓物元綜合評價模型的施工質(zhì)量評價

本節(jié)以HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量為例，取表1所列指標(biāo)作為評價體系，用模糊可拓物元綜合評價法進(jìn)行質(zhì)量水平評價。選取第一個一級指標(biāo)軌枕預(yù)制質(zhì)量進(jìn)行分析，其他指標(biāo)的分析計算方法相同，不再贅述。

1)定義各評價等級

定義評價等級: N01為不及格； N02為及格； N03為優(yōu)良。

2)根據(jù)表1，構(gòu)建二級指標(biāo)的經(jīng)典物元和節(jié)域物元。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)及專家經(jīng)驗，將二級指標(biāo)體系對軌枕預(yù)制質(zhì)量的影響程度分類情況列表，如下表8所示。

根據(jù)表7構(gòu)建軌枕預(yù)制質(zhì)量評價指標(biāo)分類量值范圍表,邀請專家打分并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理確定的軌枕預(yù)制質(zhì)量經(jīng)典物元(R011，R021，R031)和節(jié)域物元(R0p1),如下：

3)確定待評物元及關(guān)聯(lián)矩陣

根據(jù)軌枕預(yù)制質(zhì)量評價指標(biāo)分類量表及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定該項目的物元R01。

由關(guān)聯(lián)矩陣可知：K1*(B11)=K12(v12)=0.33；K2*(B12)=K23(v23)=0.2， K3*(B13)=K33(v33)=0.8，K4*(B14)=K42(v42)=0.1，K5*(B15)=K52(v52)=0.2，K6*(B16)=K63(v63)=0.33，即軌枕長度質(zhì)量水平處于及格級，枕底至承軌槽面高度水平處于優(yōu)良級；相鄰梁端高差質(zhì)量水平處于優(yōu)良級；承軌槽寬度質(zhì)量水平處于及格級；鋼筋安裝質(zhì)量水平處于及格級；承軌槽表面平整度質(zhì)量水平處于及格級；兩承軌臺之間的相對扭曲質(zhì)量水平處于優(yōu)良級。

4)計算一級指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度

將表7所示的權(quán)重值帶入計算，得到一級指標(biāo)的綜合關(guān)聯(lián)度，將多指標(biāo)評價歸結(jié)為單目標(biāo)評價，便于后續(xù)分析，如表9所示。

表8　軌枕預(yù)制質(zhì)量評價指標(biāo)分類量值范圍

注:鋼筋安裝質(zhì)量根據(jù)上排鋼筋距軌枕頂面距離允許偏差±3mm；上下排鋼筋間距離允許偏差±3mm綜合評分。

表9　軌枕預(yù)制質(zhì)量關(guān)聯(lián)度計算分析

由表9可知，軌枕預(yù)制質(zhì)量水平處于優(yōu)良級，關(guān)聯(lián)系數(shù)K(B1)= K(B13)=0.126。

同理求得防水層質(zhì)量；支承層質(zhì)量；底座板質(zhì)量；凹槽質(zhì)量；道床板質(zhì)量的關(guān)聯(lián)度，得出一級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度表，如表10所示。

表10　一級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

5)綜合評定HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量

經(jīng)過上述計算，得到HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價的關(guān)聯(lián)度表，如表11所示。

由表11可知，HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道項目施工質(zhì)量水平處于優(yōu)良級，關(guān)聯(lián)系數(shù)K(A)= K(B1)=0.045。但是對于一級指標(biāo)處于及格級的防水層B2、底座板B4、凹槽B5，運營期間運營部門需要加強監(jiān)測，并分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，組織相關(guān)單位的相關(guān)人員提出修復(fù)措施，以保證運營安全。

表11　目標(biāo)層A的關(guān)聯(lián)度

4結(jié)論

1)構(gòu)建CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系，確定運用模糊可拓物元綜合評價模型來評價CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量，并就模糊可拓物元綜合評價模型對CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價的適用性進(jìn)行分析，研究結(jié)果表明該方法對CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價有很好的適用性。

2)基于已建立的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量評價指標(biāo)體系，以HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質(zhì)量為對象進(jìn)行實證研究，評價其施工質(zhì)量控制水平，不僅可以應(yīng)用評價結(jié)果為項目的運營養(yǎng)護(hù)提供可參考的數(shù)據(jù)支撐，還驗證出該評價體系合理可行。

3)該研究成果可為高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質(zhì)量提供評判依據(jù)，有廣泛的適用性，并可促進(jìn)我國高速鐵路無砟軌道施工質(zhì)量管理的科學(xué)實施。

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Research on the construction quality evaluation system of High-speed railwayCRTSI double-block ballastless track

LI Na1, CHEN Huihua2, ZHANG Hui3

(1. The Third Survey and Design Institute of China Railway , Tianjin 300000, China;2.School of Civil Engineering ,central South University, Changsha 410075, China;3.Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Abstract：This paper established the CRTSI double block ballastless track construction quality evaluation system, combined AHP of the systems engineering and Fuzzy Extension Matter Element Comprehensive Evaluation of Extenics, determined the matter element fuzzy comprehensive evaluation model to evaluate the CRTSI double block ballastless track construction quality，and made an empirical research. The objective was to achieve the final product of CRTSI double block ballastless track construction control that meets the quality requirements, and to provide high-speed train ridability, safety and durability for achieving operational safety and sustainable development of high-speed railway and promoting high-speed railway ballastless track construction quality management improvement and maturity. In addition, the results can provide evaluation basis for the construction quality of high-speed railway CRTSI Double-block Ballastless Track. The findings have a wide range of applicability and can promote scientific implementation of high-speed railway ballastless track construction quality management.

Key words：High-speed railway; ballastless track; construction quality assessment; fuzzy extension matter element comprehensive evaluation

收稿日期：2015-11-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51378509);湖南省軟科學(xué)研究計劃項目(2014ZK3079)

通訊作者：陳輝華(1976- )，男，湖南新寧人，副教授，博士，從事工程管理研究;E-mail:chh24770@163.com

中圖分類號：U29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0812-09