模糊評價法在鐵路運營隧道安全狀態綜合評判中的應用

貢 力，嚴松宏

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

截至2009年底,我國鐵路正式運營線路共有隧道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，占運營隧道總座數的49.4%，有的病害相當嚴重，已危及行車安全。鐵路實現跨越式發展的總體思路，要求鐵路客貨運輸速度大幅度提高，對運營安全提出了更高的要求。為了使既有的隧道技術改造達到對癥、根治、節省投資的效果，應有計劃地進行安全檢測評估，摸請既有線運營隧道安全現狀，掌握其運營中存在的隧道病害及缺陷，又對隧道安全等級做出準確的評定，以便為鐵路安全運營提供依據。

鐵路運營隧道系統安全評價是對鐵路運營的隧道整體安全性所作的安全評價，國內外鐵路隧道安全評價的相關研究主要集中在隧道的建設時期，主要偏重于隧道結構的安全設計，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營的安全評價，內容也限于隧道的照明、通風、消防等單一方面，因此有必要通過對鐵路運營隧道的狀況進行綜合評判，從而建立鐵路運營隧道安全評價體系。

1 鐵路運營隧道安全狀態綜合評判

1.1 鐵路隧道安全狀態評價的定義

鐵路隧道安全狀態評價是鐵路安全系統工程的重要內容之一，目的是實現鐵路整體系統安全。它是運用系統工程的方法對鐵路隧道存在的危險性進行綜合評價和預測，并根據其形成事故的風險大小，采取相應的安全措施，以達到系統安全的過程。鐵路隧道安全評價不僅是現代高速鐵路安全生產的重要環節，而且在安全管理的現代化、科學化中也起到積極的推動作用。

鐵路隧道安全狀態評價與鐵路隧道日常安全管理和鐵路隧道安全監督檢查工作不同，安全評價著眼于由技術帶來的負效應出發，對產生的損失和傷害的可能性、影響范圍、嚴重程度及應采取的對策措施等方面進行分析、論證和評估。它的重要意義在于有助于提高企業的安全管理水平。

1.2 鐵路隧道安全狀態綜合評價流程

當前，隧道出現病害或安全隱患時，主要依賴于有經驗的技術人員通過調查、現場目測，并按原設計程序進行校核，再憑經驗制定整治方案進行整治，其對隧道安全狀態的診斷具有很大的隨機性和主觀性。因此，對鐵路運營隧道安全狀態采用定量化的方法進行綜合評判，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營隧道安全狀態進行綜合評判。鐵路運營隧道安全狀態綜合評價流程，見圖1所示。

2 隧道安全狀態評價指標體系

確定評價指標是整個評估體系的關鍵，是獲得真實客觀結果的前提。影響鐵路運營隧道安全狀態的因素較多，根據簡潔性、科學性、層次性、獨立性和可操作性等原則，為了全方位地反映運營期鐵路隧道的安全狀態，評估指標的正確選擇必須基于對鐵路隧道結構安全系統正確分析，所選指標應能最大限度地客觀反映各種因素的影響。經過分析評價，結合與隧道安全相關學科的緊密關系，綜合考慮我國《鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規定》和《鐵路隧道設備劣化評定標準——隧道》，從鐵路運營隧道安全性研究的需要出發，將隧道安全分為襯砌病害、襯砌缺陷、圍巖級別、地下水狀況、設備故障等內容，建立鐵路運營綜合評價指標的分級值（見表1）。

圖1 鐵路運營隧道安全狀態綜合評價流程圖

表1 鐵路運營隧道安全狀態綜合評判指標體系一覽表

3 隧道安全狀態因素集和評價集的建立

由于影響鐵路運營隧道運行安全的因素較多,將選用二級模糊綜合評判模型。根據表1所建立的評價指標體系,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果所組成的集合,為反應鐵路隧道安全風險發生的概率，用五個等級表示〔即Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級〕=（安全，輕微，較嚴重，嚴重，極嚴重），見表2所列。

表2 鐵路運營隧道安全狀態評價標準一覽表

4 評判模型的實例應用

4.1 工程簡介

應用本文提出的模糊數學評價模型，對某鐵路運營隧道的安全狀態進行綜合評判。某鐵路是規劃中的滬-漢-蓉客運通道的重要組成部分。線路地處我國中、西部地區的結合部，西起重慶市、向東途經重慶市，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

根據單因素評價模型:Bi=WI·Ri={bi1,bi2……□,bin}進行模糊評價。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、設備故障等5個一級指標中的19個二級指標進行單因素初級綜合評價。并邀請國內工程設計、施工、監理、監督管理單位的12名專家組成評判小組,對隧道進行評價,按照安全評價等級對19個二級評價指標進行打分,并對專家打分進行加權平均后歸一化處理,得到一級評價指標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重要程度模糊子集,并將其與單因素一階評價結果組合起來形成總的二階評價矩陣R為：

4.4 評判結果分析

按照二階模糊綜合評價模型B=W·R對系統進行總的綜合評價,按最大隸屬度原則評判結果為：

B=W·R=（0.25,0.26,0.26,0.25,0.10）

歸一化處理后結果為：

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。需要及時維修和養護，模糊評判符合實際情況。

5 結論

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

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

（3）對隧道運營過程進行定期安全檢查和評估，并將結果及時進行反饋，可以為現場運營管理人員發現隧道運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，使運營過程控制和管理由被動的管理模式向主動式、預防式的管理模式轉變。

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