高速铁路CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价体系研究

李娜 ，陈辉华，张慧

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 河北区 300000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙410075；3.黄淮学院，河南 驻马店463000)

高速铁路CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价体系研究

李娜1，陈辉华2，张慧3

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 河北区 300000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙410075；3.黄淮学院，河南 驻马店463000)

摘要:构建CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价指标体系,通过将系统工程学中的层次分析法与可拓学中的模糊可拓物元综合评价法相结合，确定模糊可拓物元综合评价模型来评价CRTSI型双块式无砟轨道施工质量,并进行实证研究。目的在于实现CRTSI型双块式无砟轨道施工控制的最终产品符合质量要求，从而为高速列车提供平顺性、安全性和耐久性的运行基础，实现高速铁路的运营安全和可持续发展。此外，研究成果对高速铁路CRTSI型双块式无砟轨道的施工质量评判具有广泛的适用性，能够促进高速铁路无砟轨道施工质量管理的完善和成熟。

关键词：高速铁路；无砟轨道；施工质量评价；模糊可拓物元综合评价法

目前轨道交通发达的国家，基本都采用无砟轨道作为主要的轨道结构型式。日本的无砟轨道结构型式主要为单元板式无砟轨道结构，并将其用新干线；德国无砟轨道主要有Rheda,Bögl和Züblin3种结构式无砟轨道型式；意大利、奥地利、荷兰和瑞士等国均根据自己国家铁路特点选择无砟轨道的结构型式。与发达国家相比，我国高速铁路的规划和建设相对较晚，但是我国铁路系统积极汲取世界铁路的先进水平，在学习和借鉴国外高速铁路技术的基础上，坚持原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新，最终形成技术先进、稳定可靠且符合我国国情的客专铁路技术标准及工程技术[1-2]。我国目前主要有五种无砟轨道结构型式，包括CRTSI型双块式无砟轨道、CRTSII型双块式无砟轨道、CRTSI型板式无砟轨道、CRTSII型板式无砟轨道、CRTSIII型板式无砟轨道。高速铁路要求轨道结构必须具备高平顺性、高稳定性及更好的耐久性，无砟轨道正好符合高铁的发展需求，具有保持几何状态能力强，纵、横向的稳定性较高，且其在线路线形走向方面具有维持轨道弹性不变的优势，对于延长维修周期及轨道使用寿命有极其重要的影响，因此，无砟轨道逐渐取代有砟轨道，成为我国新建客运专线采用的主要轨道结构型式[3]。CRTSI型双块式无砟轨道在郑西客运专线、武广高铁、大遂偷铁路等高速铁路上均已成功应用。因此，在施工技术方面已经趋于成熟，而如何科学地评价CRTSI型双块式无砟轨道项目的施工质量，是广大管理者更应该关注的重点，这对于保证高速铁路的建设质量是有极其重要的作用。评价CRTSI型双块式无砟轨道的施工质量，不仅能够督促施工单位施工技术及施工管理的提高，也能极大地减少建设单位后期运营使用阶段的维修工作量，进而促进高速铁路施工质量管理的完善和成熟，这对高铁的可持续发展能够起到不可估量的作用。

1施工质量评价指标体系构建探析

1.1一级指标体系构建探析

CRTSI型双块式无砟轨道施工质量控制的效果,可以从多个方面、多个视角进行反映,本文尝试将所构建的指标体系实行分级处理，形成一个较为完整、层级分明的指标体系[5]。在CRTSI型双块式无砟轨道项目实施过程中, 其施工质量可以从其结构组成分为六大类，包括轨枕预制质量；防水层质量；支承层质量；底座板质量；凹槽质量；道床板质量[4]。

具体而言,轨枕预制质量主要是从轨枕现场验收的视角,明确实施过程中容易产生的质量问题；防水层质量,主要指在CRTSI型双块式无砟轨道施工过程中,对线下结构防水质量处理的一种评估，是保证无砟轨道质量的基本前提；支承层和底座板属于道床板的基础支撑结构，其施工质量对于轨道的平顺性、安全性、舒适性有极大的影响；凹槽质量影响道床板与底座板的连接情况，是使钢轨下层结构形成整体的一个重要连接枢纽；道床板质量是CRTSI型双块式无砟轨道施工中最重要也是最困难的一步，且在实际施工中很容易出现质量问题，加强对其质量的监控，有助于后期维护工作的顺利进行[5-6]。

1.2二级指标体系构建探析

本节将针对各一级指标,分别构建能反映其特征的二级指标,以确保CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价工作的有效开展。对于各一级指标,可以从施工质量的控制标准,开展相应的评价工作,以保证质量评价工作的顺利落实[7]。本文所构建的CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价指标体系如表1所示。

表1中，根据评价对象不同，可以将一级指标进行组合，如评价路基、隧道段无砟轨道施工质量，可选轨枕预制质量、防水层质量、支承层质量、凹槽质量、道床板质量为指标；评价桥梁段无砟轨道施工质量，可选轨枕预制质量、防水层质量、底座板质量、凹槽质量、道床板质量为指标；选全线无砟轨道施工质量为评价对象，则选取全部指标，但必须根据全线路桥隧比例调整权重值，最终评价出该段线路无砟轨道的施工质量控制水平。

表1　CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价指标体系

2CRTSI型双块式无砟轨道项目施工质量评价方法

2.1模糊可拓物元综合评价模型适用性分析

从上文所构建的CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价指标体系中可以看到，该评价指标体系共包含6项一级指标及30项二级指标，涵盖CRTSI型双块式无砟轨道施工过程中与其质量相关的所有结构组成成分，是一个极其复杂的多指标系统[8]。与此同时，有些二级指标能够直接用具体的统计数据表示，有的却不可以定量化，需要通过定性描述来确定。因此，必须构建一种能够对CRTSI型双块式无砟轨道施工质量进行综合分析、并能够综合处理定量化指标和定性化指标的决策模型。

模糊可拓物元综合评价模型是模糊综合法与多指标可拓物元评价法相结合的一种综合分析法[9]。模糊物元由对象、特征、模糊量值3个要素构成，是一种将定性与定量相结合来描述待评事物属性的特殊方法，能比较全面地考虑各个影响因素,计算各个指标与评价等级的关联度,评价出CRTSI型双块式无砟轨道施工质量。而层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一种简单方便的客观指标权重确定法，主要通过下层指标对上层指标的贡献度来确定各层次的权重[10]。

以上分析可知, 模糊可拓物元综合评价法和AHP方法的基本思路,与高速铁路CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价的目的一致[11-13]。因此，将模糊可拓物元综合评价法引入到CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价中，具有非常好的符合性，能够保证评价工作顺利进行，实现评价效果的真实性和有效性。

2.2AHP法确定权重系数

层次分析模型本质就是分析问题所包含的影响因素及他们之间的相互关系，所要解决的问题是关于最低层对最高层的相对权重问题，而CRTSI型双块式无砟轨道施工质量是多个因子共同作用的结果,不同因子对CRTSI型双块式无砟轨道施工质量的影响程度存在着差异,因而需要考虑不同构成因子的相对重要程度。因此，在CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价中采用层次分析法进行权重的确定。

本文以整条线路为评价对象，则其权重的计算步骤如下。

1)建立递阶层次分析模型

本文在确定权重时，综合考虑各级指标之间的联系，将CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价层次结构分为顶层、中间层和底层共三个层次，其层次分析结构如图1所示。

图1　CRTSI型双块式无砟轨道施工质量层次分析结构图Fig.1 CRTSI double block ballastless track construction quality analytic hierarchy chart

2)构造各层的判断矩阵

设第1层为A层，即CRTSI型双块式无砟轨道施工质量；第2层为B层，包括轨枕预制质量，防水层质量，支承层质量，底座板质量，凹槽质量，道床板质量6项。本文根据路桥隧比例及各项指标重要程度确定分值，最终计算出评价对象的权重值。对于同一层次B的n个指标，可两两比较得到判断矩阵A，其元素为aij。

式中，aij(1⦤i,j⦤n)表示对于目标A，准则bi的重要性或贡献度与bj的比值。aij的取值由德尔菲法采用1～9标度法确定，各级标度的含义见表2。判断矩阵A中的值应该满足：

3)计算权重及一致性检验

计算出判断矩阵中每一行元素的乘积的n次方根，即：

(1)

对向量w=[w1,w2,……，wn]T做归一化处理，各个指标的权重为：

(2)

计算一致性比例CR：

(3)

若CR>0.1说明判断矩阵中元素aij的一致性估计太差，应重新估计；若CR≤0.1，则可认为该判断矩阵的一致性是可以接受的，可用其归一化向量作为权向量，否则要重新构造成对比较矩阵A，对aij加以调整。

表2　1～9标度的意义

2.3模糊可拓物元综合评价模型构建具体流程

1)确定底层评价指标各等级的经典域与节域

(4)

式中：N0j为划分的j个评价等级；Ci为评价等级Noj的特征；V0jn为关于特征Ci所规定的量值范围，即各个评价等级关于对应特征Ci所取的数据范围，即经典域。其中i=1,2,…,n，j=1,2,…,m。

2)确定评价等级的节域

(5)

式中：N为评价等级的全体;VPi为N关于Ci所取的量值范围,即节域。

3)确定待评物元

对待评的CRTSI型双块式无砟轨道项目，将经检测所得到的数据或分析的结果用物元表示，称为该项目的待评物元。

(6)

式中：N0为待评项目；Vi为N0关于Ci的量值。

4)确定待评项目关于各等级评价的关联度

(7)

式中：

(8)

5)带入权重系数的关联度计算

对于每个特征Ci ，取wi为权系数， 令

(9)

式中：Kj(p0)为待评项目P0关于各等级j的关联度。

6)对待评项目第2层指标等级进行评定

j=1,2…m，则表示P0的评价等级已不在所划分的各等级中，应舍去。

7)通过第2层指标对整个项目进行评价

经过步骤(6)后，得到了第2层指标的评价等级。将第2层指标的关联系数乘以权重值，便可得到整个项目的评价结果。

3工程实例

3.1工程简介

本文以HF客专MG段高铁项目CRTSI型双块式无砟轨道为例，采用上述方法评价该段CRTSI型双块式无砟轨道的施工质量。该线路主要技术标准：1)铁路等级：客运专线；2)正线数目：双线；3)速度目标值：本线旅客列车设计速度250 km/h，跨线旅客列车运行速度200 km/h及以上，基础设施预留进一步提速的条件，正线线间距采用5.0 m；④最大设计坡度：20‰；⑤最小曲线半径：7 000 m。

3.2AHP法确定的指标权重

1)构造判断矩阵

按照2.2节中确立的CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价层次结构模型，以CRTSI型双块式无砟轨道施工质量为最高目标，即顶层A；以Bi(i = 1，2，…6)表示中间层；因素集Bij表示底层中的元素。

按照1～9标度法，根据路桥隧比例及各项指标重要程度，由专家确定各指标分值从而构造各层的判断矩阵。本节只列出部分判断矩阵的数据，包括CRTSI型双块式无砟轨道质量、支承层质量及凹槽质量判断矩阵，如表3，表4和表5所示，其他指标的判断矩阵本文不再赘述。

表3CRTSI型双块式无砟轨道质量判断矩阵

Table 3 CRTSI double-block ballastless track quality judgment matrix

AB1B2B3B4B5B6B11533417B215115151719B3135111316B4135111518B514735114B6796841

表4　支承层质量判断矩阵

表5　凹槽质量判断矩阵

CRTSI型双块式无砟轨道施工质量判断矩阵A(表3)的最大特征值为λmax=6.222，CI=0.044，RI=1.240，CR=0.035<0.1，A判断矩阵通过一致性检验，可以被接受。支承层质量判断矩阵(表4)的最大特征值为λmax=7.495，CI=0.082，RI=1.320，CR=0.062<0.1，B3判断矩阵通过一致性检验，可以被接受。凹槽质量判断矩阵(表5)的最大特征值为λmax=6.221，CI=0.044，RI=1.240，CR=0.035<0.1，B5判断矩阵通过一致性检验，可以被接受。同理，可求出其他矩阵的一致性检验都能被接受，可用其归一化向量作为各个层级的权重向量。

2)计算权重

通过对以上的判断矩阵进行计算得到各层指标的权重值，如表6、表7所示。

表6　中间层指标权重值

表7　底层指标权重值汇总

3.3基于模糊可拓物元综合评价模型的施工质量评价

本节以HF客专MG段CRTSI型双块式无砟轨道施工质量为例，取表1所列指标作为评价体系，用模糊可拓物元综合评价法进行质量水平评价。选取第一个一级指标轨枕预制质量进行分析，其他指标的分析计算方法相同，不再赘述。

1)定义各评价等级

定义评价等级: N01为不及格； N02为及格； N03为优良。

2)根据表1，构建二级指标的经典物元和节域物元。根据现场数据及专家经验，将二级指标体系对轨枕预制质量的影响程度分类情况列表，如下表8所示。

根据表7构建轨枕预制质量评价指标分类量值范围表,邀请专家打分并进行标准化处理确定的轨枕预制质量经典物元(R011，R021，R031)和节域物元(R0p1),如下：

3)确定待评物元及关联矩阵

根据轨枕预制质量评价指标分类量表及现场数据，确定该项目的物元R01。

由关联矩阵可知：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，即轨枕长度质量水平处于及格级，枕底至承轨槽面高度水平处于优良级；相邻梁端高差质量水平处于优良级；承轨槽宽度质量水平处于及格级；钢筋安装质量水平处于及格级；承轨槽表面平整度质量水平处于及格级；两承轨台之间的相对扭曲质量水平处于优良级。

4)计算一级指标综合关联度

将表7所示的权重值带入计算，得到一级指标的综合关联度，将多指标评价归结为单目标评价，便于后续分析，如表9所示。

表8　轨枕预制质量评价指标分类量值范围

注:钢筋安装质量根据上排钢筋距轨枕顶面距离允许偏差±3mm；上下排钢筋间距离允许偏差±3mm综合评分。

表9　轨枕预制质量关联度计算分析

由表9可知，轨枕预制质量水平处于优良级，关联系数K(B1)= K(B13)=0.126。

同理求得防水层质量；支承层质量；底座板质量；凹槽质量；道床板质量的关联度，得出一级指标关联度表，如表10所示。

表10　一级指标关联度

5)综合评定HF客专MG段CRTSI型双块式无砟轨道施工质量

经过上述计算，得到HF客专MG段CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价的关联度表，如表11所示。

由表11可知，HF客专MG段CRTSI型双块式无砟轨道项目施工质量水平处于优良级，关联系数K(A)= K(B1)=0.045。但是对于一级指标处于及格级的防水层B2、底座板B4、凹槽B5，运营期间运营部门需要加强监测，并分析监测数据，组织相关单位的相关人员提出修复措施，以保证运营安全。

表11　目标层A的关联度

4结论

1)构建CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价指标体系，确定运用模糊可拓物元综合评价模型来评价CRTSI型双块式无砟轨道施工质量，并就模糊可拓物元综合评价模型对CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价的适用性进行分析，研究结果表明该方法对CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价有很好的适用性。

2)基于已建立的CRTSI型双块式无砟轨道施工质量评价指标体系，以HF客专MG段CRTSI型双块式无砟轨道施工质量为对象进行实证研究，评价其施工质量控制水平，不仅可以应用评价结果为项目的运营养护提供可参考的数据支撑，还验证出该评价体系合理可行。

3)该研究成果可为高速铁路CRTSI型双块式无砟轨道的施工质量提供评判依据，有广泛的适用性，并可促进我国高速铁路无砟轨道施工质量管理的科学实施。

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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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378509);湖南省软科学研究计划项目(2014ZK3079)

通讯作者：陈辉华(1976- )，男，湖南新宁人，副教授，博士，从事工程管理研究;E-mail:chh24770@163.com

中图分类号：U29

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)05-0812-09