基于模糊理论的青藏铁路冻土路基安全性评价

孟进宝，杨永鹏，韩龙武，蔡汉成

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

基于模糊理论的青藏铁路冻土路基安全性评价

孟进宝，杨永鹏，韩龙武，蔡汉成

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

以青藏铁路多年冻土区多年来的监测资料及国内外相关研究成果为基础，应用模糊理论方法，建立了以冻土类型、冻土环境、地形地貌、气候条件、路基结构和工程表观病害为主要因素、多层级的运营期青藏铁路多年冻土路基安全性评价体系，并对青藏铁路多年冻土区部分路基工程进行安全性评价，验证了评价体系的可靠性。相关的研究成果可为冻土地区铁路设计和施工管理提供依据。

青藏铁路 冻土路基 安全性评价 评价体系

青藏铁路格拉段(格尔木—拉萨)建成通车以来，沿线路基工程基本稳定。但是近年来，由于人为活动、全球气候变暖等因素的影响，沿线多年冻土出现了不同程度的退化，局部地段路基出现较大的沉降变形，给路基工程的安全带来挑战［1-6］。在应对这一挑战急需要解决的关键问题中，建立一个青藏铁路多年冻土区路基工程安全性评价体系和方法显得尤为重要［7-11］。模糊综合评价方法是模糊数学中最基本的数学方法之一，该方法是以隶属度来描述模糊界限的［12］。本文综合运用模糊数学理论和层次分析法确定多年冻土路基安全性状况的模糊综合评价模型，用于评价青藏铁路沿线的几个典型断面的安全性。

1 青藏铁路多年冻土路基安全性评价系统

1.1 综合评价系统建立

影响多年冻土区路基安全性的因素非常多，且各因素之间互为影响，关系较为复杂。结合现场测试和以往的经验，选出影响路基安全性的6个最关键方面，包括冻土类型、冻土环境、地形地貌、气候条件、路基结构和工程表观病害。运用 Matlab模糊逻辑工具箱建立多年冻土区路基安全性的模糊推理系统对典型断面进行路基安全性状况预测。本文基于以上选定的安全性评价方法，并结合层次分析法，将模糊层次结构体系按从高到低的顺序，分成目标层、准则层和因素层，见图1。

图1 多年冻土路基安全性评价体系

1.2 建立安全评价指标的等级标准

根据相关的文献和工程资料，并经过现场的调查和研究，将多年冻土路基安全性分为4个等级，具体评价指标见表1。

表1 路基工程安全性评价指标的等级标准

1.3 权重的确定

在运用模糊理论进行综合评价时，权重是非常重要的，它反映了各个因素在综合评价过程中所占有的地位，直接影响到综合评价的结果。

现在权重通常是凭以往的经验给出的，这样虽然带有主观性，但不可否认在一定程度上能反映实际情况。本文使用加权统计法，对多位专家给出的相关因素的权重进行统计、补充、修改、完善后并根据公式 ak=(n为序号数)得到各指标最终的权重，见表2。

表2 评价指标权重

2 青藏铁路典型地段路基安全性综合评价计算

选取青藏铁路沿线主要典型地段中7个典型断面(K972+580，K1034+090，K1161+625，K1216+165，K1312+270，K1347+012，K1496+750)进行多年冻土路基安全性综合评价计算。各里程断面的监测数据见表3。

表3 各里程断面的监测数据

经过现场的调查和研究，并根据长期的监测资料和工程实践，可以就路基安全性进行量化，初步量化评价参数见表4。

表4 量化评价参数

安全:指路基工程处于稳定状态，可以保证铁路的安全可靠运营。

较安全:指路基工程处于基本稳定状态，基本可以保证铁路的安全可靠运营。

欠安全:指路基工程在稳定性方面存在安全隐患，需要进行补强方可保证铁路的安全可靠运营。

不安全:指路基工程在稳定性方面存在安全问题，严重影响行车，需要限行限速，并采取进一步的补强措施。

假设一级权重为Ai(i=1，6)，二级权重为 Bj(j= 1，17)，单因素量化参数为 Cj(j=1，17)，则每个一级权重下的评价参数由以下公式计算

综合评价参数由下式计算

大量的工程实践表明，综合评价参数越大，路基安全性越高。

以K972+580断面为例进行综合评价计算

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

结合青藏铁路多年冻土区典型断面的年变形量变化，通过整理得出青藏铁路多年冻土区路基安全性评价及年变形量，如表5所示。

表5 青藏铁路多年冻土区路基安全性评价及年变形量

从表5可见:评价体系的评价结果与变形监测资料吻合较好。结合青藏铁路多年冻土区路基工程的变形原因及机理，针对青藏铁路多年冻土区路基工程出现的变形问题，对欠安全的路基地段采取了补强措施。K1034+090断面处评价为欠安全，2011年补强以前年变形量为20 mm，补强以后年变形量不大于9 mm。K1161+625断面处评价为欠安全，2013年补强以前年变形量为37 mm，补强以后2014年年变形量为14 mm。K1347+012断面处评价为欠安全，2013年补强以前年变形量为20 mm，补强以后2014年年变形量为5 mm。K1496+750断面处评价为欠安全，2012年补强以前年变形量为54 mm，补强以后年变形量逐年减小，2014年变形量为4 mm。结合补强时间前后的变形量对比，认为补强效果良好。

根据评价等级标准，得到了路基安全性的相对顺序为:K1312+270，K1216+165，K972+580，K1034+ 090，K1161+625，K1496+750，K1347+012，评价结果与实际基本吻合。

3 结论

本文采用模糊数学方法，对青藏铁路沿线典型路基断面安全性进行了综合评价，得出结论如下:

1)建立了以冻土类型、冻土环境、地形地貌、气候条件、路基结构和工程表观病害为主要因素的多层级运营期青藏铁路多年冻土路基安全性评价体系，并对青藏铁路多年冻土区部分路基工程进行安全性评价，验证了评价体系的可靠性。说明在冻土路基安全性综合评价中运用模糊数学方法是科学合理的，该方法所得到的评价结果可用于不同地区路基的安全性评价。

2)以青藏铁路沿线的7个典型冻土断面为例，得到了路基安全性的相对顺序为:K1312+270，K1216+ 165，K972+580，K1034+090，K1161+625，K1496+ 750，K1347+012，评价结果与实际基本吻合。

3)通过青藏铁路多年冻土区路基安全性评价及年变形量对比可知，评价体系的评价结果与变形监测资料吻合较好，对比补强时间前后的变形量，认为补强效果良好，达到了工程整治的目的。

［1］葛建军．气候变暖对青藏铁路多年冻土区路基影响分析［J］．路基工程，2008(3):6-9．

［2］高志华，石坚，罗丽娟．青藏铁路路基冻胀变形特点的研究［J］．铁道建筑，2010(6):94-96．

［3］王志坚，张鲁新．青藏铁路建设过程中的冻土环境问题［J］．冰川冻土，2002，24(5):588-592．

［4］潘卫东，青藏高原多年冻土区铁路路基热稳定性研究［D］．兰州:兰州大学，2002．

［5］尚继红．保护多年冻土地区路基稳定性的工程措施［J］．路基工程，2004(5):36-39．

［6］沈宇鹏，青藏铁路安多段多年冻土斜坡路基稳定性研究［D］．北京:北京交通大学，2007．

［7］李永强．青藏铁路运营期多年冻土区路基工程状态研究［D］．兰州:兰州大学，2008．

［8］段东明，沈宇鹏，许兆义，等．青藏铁路安多试验段多年冻土斜坡路基的稳定性［J］．中国铁道科学，2008，29(2):6-11．

［9］韩利民．青藏铁路唐古拉山区冻土低路堤稳定性研究［D］．北京:北京交通大学，2008．

［10］杨让宏．运营期青藏铁路多年冻土区斜坡路堤稳定性分析与评价研究［D］．北京:中国铁道科学研究院，2010．

［11］段东明．青藏铁路唐古拉山区冻土湿地路基稳定性关键技术研究［D］．北京:北京交通大学，2005．

［12］钱进，刘厚健，俞祁浩．青藏 ±500 kV输电工程典型冻土地段稳定性模糊综合评价［J］．科学技术与工程，2008，8 (10):5558-5564．

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

(责任审编 孟庆伶)

2015-04-20;

:2015-06-15

科技部科研院所科技开发专项资金项目(2011EG123262);中国中铁股份有限公司科学技术项目(2013-重大-20-1)

孟进宝(1988— )，男，甘肃渭源人，助理工程师，硕士。

1003-1995(2015)08-0088-05