模糊評價法在鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)綜合評判中的應(yīng)用

貢 力，嚴(yán)松宏

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

截至2009年底,我國鐵路正式運(yùn)營線路共有隧道7 573座,長度合計約5 148 km。其中：5 km以上的隧道約占隧道總長度的18%,10 km以上的隧道18座;超過20 km的隧道有蘭新線烏鞘嶺隧道、石太線太行山隧道等。其中，因病害失格的隧道有3 739座，占運(yùn)營隧道總座數(shù)的49.4%，有的病害相當(dāng)嚴(yán)重，已危及行車安全。鐵路實現(xiàn)跨越式發(fā)展的總體思路，要求鐵路客貨運(yùn)輸速度大幅度提高，對運(yùn)營安全提出了更高的要求。為了使既有的隧道技術(shù)改造達(dá)到對癥、根治、節(jié)省投資的效果，應(yīng)有計劃地進(jìn)行安全檢測評估，摸請既有線運(yùn)營隧道安全現(xiàn)狀，掌握其運(yùn)營中存在的隧道病害及缺陷，又對隧道安全等級做出準(zhǔn)確的評定，以便為鐵路安全運(yùn)營提供依據(jù)。

鐵路運(yùn)營隧道系統(tǒng)安全評價是對鐵路運(yùn)營的隧道整體安全性所作的安全評價，國內(nèi)外鐵路隧道安全評價的相關(guān)研究主要集中在隧道的建設(shè)時期，主要偏重于隧道結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計，以及隧道的施工安全、施工方法等方面做出安全評價，僅有很少的研究人員涉及到隧道運(yùn)營的安全評價，內(nèi)容也限于隧道的照明、通風(fēng)、消防等單一方面，因此有必要通過對鐵路運(yùn)營隧道的狀況進(jìn)行綜合評判，從而建立鐵路運(yùn)營隧道安全評價體系。

1 鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)綜合評判

1.1 鐵路隧道安全狀態(tài)評價的定義

鐵路隧道安全狀態(tài)評價是鐵路安全系統(tǒng)工程的重要內(nèi)容之一，目的是實現(xiàn)鐵路整體系統(tǒng)安全。它是運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法對鐵路隧道存在的危險性進(jìn)行綜合評價和預(yù)測，并根據(jù)其形成事故的風(fēng)險大小，采取相應(yīng)的安全措施，以達(dá)到系統(tǒng)安全的過程。鐵路隧道安全評價不僅是現(xiàn)代高速鐵路安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，而且在安全管理的現(xiàn)代化、科學(xué)化中也起到積極的推動作用。

鐵路隧道安全狀態(tài)評價與鐵路隧道日常安全管理和鐵路隧道安全監(jiān)督檢查工作不同，安全評價著眼于由技術(shù)帶來的負(fù)效應(yīng)出發(fā)，對產(chǎn)生的損失和傷害的可能性、影響范圍、嚴(yán)重程度及應(yīng)采取的對策措施等方面進(jìn)行分析、論證和評估。它的重要意義在于有助于提高企業(yè)的安全管理水平。

1.2 鐵路隧道安全狀態(tài)綜合評價流程

當(dāng)前，隧道出現(xiàn)病害或安全隱患時，主要依賴于有經(jīng)驗的技術(shù)人員通過調(diào)查、現(xiàn)場目測，并按原設(shè)計程序進(jìn)行校核，再憑經(jīng)驗制定整治方案進(jìn)行整治，其對隧道安全狀態(tài)的診斷具有很大的隨機(jī)性和主觀性。因此，對鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)采用定量化的方法進(jìn)行綜合評判，就顯得尤為迫切和重要。本文擬采用層次分析法和模糊綜合評判對鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評判。鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)綜合評價流程，見圖1所示。

2 隧道安全狀態(tài)評價指標(biāo)體系

確定評價指標(biāo)是整個評估體系的關(guān)鍵，是獲得真實客觀結(jié)果的前提。影響鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)的因素較多，根據(jù)簡潔性、科學(xué)性、層次性、獨(dú)立性和可操作性等原則，為了全方位地反映運(yùn)營期鐵路隧道的安全狀態(tài)，評估指標(biāo)的正確選擇必須基于對鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全系統(tǒng)正確分析，所選指標(biāo)應(yīng)能最大限度地客觀反映各種因素的影響。經(jīng)過分析評價，結(jié)合與隧道安全相關(guān)學(xué)科的緊密關(guān)系，綜合考慮我國《鐵路運(yùn)營隧道襯砌安全等級評定暫行規(guī)定》和《鐵路隧道設(shè)備劣化評定標(biāo)準(zhǔn)——隧道》，從鐵路運(yùn)營隧道安全性研究的需要出發(fā)，將隧道安全分為襯砌病害、襯砌缺陷、圍巖級別、地下水狀況、設(shè)備故障等內(nèi)容，建立鐵路運(yùn)營綜合評價指標(biāo)的分級值（見表1）。

圖1 鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)綜合評價流程圖

表1 鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)綜合評判指標(biāo)體系一覽表

3 隧道安全狀態(tài)因素集和評價集的建立

由于影響鐵路運(yùn)營隧道運(yùn)行安全的因素較多,將選用二級模糊綜合評判模型。根據(jù)表1所建立的評價指標(biāo)體系,可得到因素集為U={U1,U1,U3,U4,U5}。其中,Ui為第一層次的第i個元素,可由第二層次的n個元素決定,即Ui={Ui1,Ui2,…,Uin}，i=1,2,3,4,5。

評判集是由對評判對象可能得出的評判結(jié)果所組成的集合,為反應(yīng)鐵路隧道安全風(fēng)險發(fā)生的概率，用五個等級表示〔即Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級〕=（安全，輕微，較嚴(yán)重，嚴(yán)重，極嚴(yán)重），見表2所列。

表2 鐵路運(yùn)營隧道安全狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)一覽表

4 評判模型的實例應(yīng)用

4.1 工程簡介

應(yīng)用本文提出的模糊數(shù)學(xué)評價模型，對某鐵路運(yùn)營隧道的安全狀態(tài)進(jìn)行綜合評判。某鐵路是規(guī)劃中的滬-漢-蓉客運(yùn)通道的重要組成部分。線路地處我國中、西部地區(qū)的結(jié)合部，西起重慶市、向東途經(jīng)重慶市，止于湖北省利川市，線路全長264.406 km。

4.2 單因素隸屬度矩陣及一級模糊綜合評判

根據(jù)單因素評價模型:Bi=WI·Ri={bi1,bi2……□,bin}進(jìn)行模糊評價。其中W為評價集Ui的因素重要程度模糊子集,Ri為Ui的ki個因素總的評價矩陣,對襯砌缺陷、病害砌襯、圍巖級別、地下水狀況、設(shè)備故障等5個一級指標(biāo)中的19個二級指標(biāo)進(jìn)行單因素初級綜合評價。并邀請國內(nèi)工程設(shè)計、施工、監(jiān)理、監(jiān)督管理單位的12名專家組成評判小組,對隧道進(jìn)行評價,按照安全評價等級對19個二級評價指標(biāo)進(jìn)行打分,并對專家打分進(jìn)行加權(quán)平均后歸一化處理,得到一級評價指標(biāo)重要程度模糊子集為：

W=（0.36,0.33,0.12,0.09,011）

4.3 二級模糊綜合評判

各評價因素的子因素Wi以及Wij的權(quán)重分配為:

W1=（W11W12）=（0.4,06）

W2=（W21W22W23W24W25W26W27W28W29W210W211W212）=（0.15,0.13,0.05,0.06,0.09,0.07,0.08,0.09,0.10,0.08,0.09,0.10）

W3=（W31）=1.0

W4=（W41）1.0

W5=（W51W52W53）=（0.35,0.15,0.5）

通過上述利用模糊綜合評判模型求出一級評價指標(biāo)重要程度模糊子集,并將其與單因素一階評價結(jié)果組合起來形成總的二階評價矩陣R為：

4.4 評判結(jié)果分析

按照二階模糊綜合評價模型B=W·R對系統(tǒng)進(jìn)行總的綜合評價,按最大隸屬度原則評判結(jié)果為：

B=W·R=（0.25,0.26,0.26,0.25,0.10）

歸一化處理后結(jié)果為：

B=（0.22,0.23,0.23,0.22,0.10）

按表2安全等級分值的均值計算出該系統(tǒng)的評價總得分為：

B=0.22×95+0.23×85+0.23×75+0.22×65+0.10×30=75

故該段隧道隸屬于安全狀態(tài)評價Ⅱ級。多年來的行車狀況表明該段隧道目前處于輕微等級狀態(tài)。需要及時維修和養(yǎng)護(hù)，模糊評判符合實際情況。

5 結(jié)論

（1）模糊層次綜合評價方法具有可操作性強(qiáng)、使用簡便的特點，對鐵路隧道運(yùn)營安全的各因素進(jìn)行模糊層次綜合評價，能夠得到定性和定量的評價結(jié)果。定量結(jié)果對應(yīng)相應(yīng)的定性結(jié)果，得到的結(jié)果直觀、科學(xué)、合理、可靠。

（2）評價指標(biāo)體系不但要遵循科學(xué)性、可行性和可比性原則，還要具有動態(tài)性原則。鐵路隧道運(yùn)營安全評價是一個動態(tài)過程，在運(yùn)營不同階段、不同的情況下，影響運(yùn)營安全的因素（評價指標(biāo)體系中的指標(biāo)）會隨之變化。因此，在建立評價指標(biāo)體系時要注意該體系的開放性、動態(tài)性。

（3）對隧道運(yùn)營過程進(jìn)行定期安全檢查和評估，并將結(jié)果及時進(jìn)行反饋，可以為現(xiàn)場運(yùn)營管理人員發(fā)現(xiàn)隧道運(yùn)營過程中存在的安全問題提供參考，能及時、有效地排除施工過程中的安全隱患，使運(yùn)營過程控制和管理由被動的管理模式向主動式、預(yù)防式的管理模式轉(zhuǎn)變。

[1]貢力，劉俊民.應(yīng)用模糊綜合評價分析方法對蘭州市水資源承載力評價研究[J].城市道橋與防洪，2007（7）：147-150.

[2]劉鐵民,張興凱,劉功智.安全評價方法應(yīng)用指南[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[3]胡寶清.模糊數(shù)學(xué)理論[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004.

[4]吳江濱，張頂立，王夢恕.鐵路運(yùn)營隧道病害現(xiàn)狀及檢測評估[R].北方交通大學(xué)隧道及地下工程試驗研究中心.