基于模糊理論的青藏鐵路凍土路基安全性評價

孟進寶，楊永鵬，韓龍武，蔡漢成

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

基于模糊理論的青藏鐵路凍土路基安全性評價

孟進寶，楊永鵬，韓龍武，蔡漢成

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

以青藏鐵路多年凍土區多年來的監測資料及國內外相關研究成果為基礎，應用模糊理論方法，建立了以凍土類型、凍土環境、地形地貌、氣候條件、路基結構和工程表觀病害為主要因素、多層級的運營期青藏鐵路多年凍土路基安全性評價體系，并對青藏鐵路多年凍土區部分路基工程進行安全性評價，驗證了評價體系的可靠性。相關的研究成果可為凍土地區鐵路設計和施工管理提供依據。

青藏鐵路 凍土路基 安全性評價 評價體系

青藏鐵路格拉段(格爾木—拉薩)建成通車以來，沿線路基工程基本穩定。但是近年來，由于人為活動、全球氣候變暖等因素的影響，沿線多年凍土出現了不同程度的退化，局部地段路基出現較大的沉降變形，給路基工程的安全帶來挑戰［1-6］。在應對這一挑戰急需要解決的關鍵問題中，建立一個青藏鐵路多年凍土區路基工程安全性評價體系和方法顯得尤為重要［7-11］。模糊綜合評價方法是模糊數學中最基本的數學方法之一，該方法是以隸屬度來描述模糊界限的［12］。本文綜合運用模糊數學理論和層次分析法確定多年凍土路基安全性狀況的模糊綜合評價模型，用于評價青藏鐵路沿線的幾個典型斷面的安全性。

1 青藏鐵路多年凍土路基安全性評價系統

1.1 綜合評價系統建立

影響多年凍土區路基安全性的因素非常多，且各因素之間互為影響，關系較為復雜。結合現場測試和以往的經驗，選出影響路基安全性的6個最關鍵方面，包括凍土類型、凍土環境、地形地貌、氣候條件、路基結構和工程表觀病害。運用 Matlab模糊邏輯工具箱建立多年凍土區路基安全性的模糊推理系統對典型斷面進行路基安全性狀況預測。本文基于以上選定的安全性評價方法，并結合層次分析法，將模糊層次結構體系按從高到低的順序，分成目標層、準則層和因素層，見圖1。

圖1 多年凍土路基安全性評價體系

1.2 建立安全評價指標的等級標準

根據相關的文獻和工程資料，并經過現場的調查和研究，將多年凍土路基安全性分為4個等級，具體評價指標見表1。

表1 路基工程安全性評價指標的等級標準

1.3 權重的確定

在運用模糊理論進行綜合評價時，權重是非常重要的，它反映了各個因素在綜合評價過程中所占有的地位，直接影響到綜合評價的結果。

現在權重通常是憑以往的經驗給出的，這樣雖然帶有主觀性，但不可否認在一定程度上能反映實際情況。本文使用加權統計法，對多位專家給出的相關因素的權重進行統計、補充、修改、完善后并根據公式 ak=(n為序號數)得到各指標最終的權重，見表2。

表2 評價指標權重

2 青藏鐵路典型地段路基安全性綜合評價計算

選取青藏鐵路沿線主要典型地段中7個典型斷面(K972+580，K1034+090，K1161+625，K1216+165，K1312+270，K1347+012，K1496+750)進行多年凍土路基安全性綜合評價計算。各里程斷面的監測數據見表3。

表3 各里程斷面的監測數據

經過現場的調查和研究，并根據長期的監測資料和工程實踐，可以就路基安全性進行量化，初步量化評價參數見表4。

表4 量化評價參數

安全:指路基工程處于穩定狀態，可以保證鐵路的安全可靠運營。

較安全:指路基工程處于基本穩定狀態，基本可以保證鐵路的安全可靠運營。

欠安全:指路基工程在穩定性方面存在安全隱患，需要進行補強方可保證鐵路的安全可靠運營。

不安全:指路基工程在穩定性方面存在安全問題，嚴重影響行車，需要限行限速，并采取進一步的補強措施。

假設一級權重為Ai(i=1，6)，二級權重為 Bj(j= 1，17)，單因素量化參數為 Cj(j=1，17)，則每個一級權重下的評價參數由以下公式計算

綜合評價參數由下式計算

大量的工程實踐表明，綜合評價參數越大，路基安全性越高。

以K972+580斷面為例進行綜合評價計算

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

結合青藏鐵路多年凍土區典型斷面的年變形量變化，通過整理得出青藏鐵路多年凍土區路基安全性評價及年變形量，如表5所示。

表5 青藏鐵路多年凍土區路基安全性評價及年變形量

從表5可見:評價體系的評價結果與變形監測資料吻合較好。結合青藏鐵路多年凍土區路基工程的變形原因及機理，針對青藏鐵路多年凍土區路基工程出現的變形問題，對欠安全的路基地段采取了補強措施。K1034+090斷面處評價為欠安全，2011年補強以前年變形量為20 mm，補強以后年變形量不大于9 mm。K1161+625斷面處評價為欠安全，2013年補強以前年變形量為37 mm，補強以后2014年年變形量為14 mm。K1347+012斷面處評價為欠安全，2013年補強以前年變形量為20 mm，補強以后2014年年變形量為5 mm。K1496+750斷面處評價為欠安全，2012年補強以前年變形量為54 mm，補強以后年變形量逐年減小，2014年變形量為4 mm。結合補強時間前后的變形量對比，認為補強效果良好。

根據評價等級標準，得到了路基安全性的相對順序為:K1312+270，K1216+165，K972+580，K1034+ 090，K1161+625，K1496+750，K1347+012，評價結果與實際基本吻合。

3 結論

本文采用模糊數學方法，對青藏鐵路沿線典型路基斷面安全性進行了綜合評價，得出結論如下:

1)建立了以凍土類型、凍土環境、地形地貌、氣候條件、路基結構和工程表觀病害為主要因素的多層級運營期青藏鐵路多年凍土路基安全性評價體系，并對青藏鐵路多年凍土區部分路基工程進行安全性評價，驗證了評價體系的可靠性。說明在凍土路基安全性綜合評價中運用模糊數學方法是科學合理的，該方法所得到的評價結果可用于不同地區路基的安全性評價。

2)以青藏鐵路沿線的7個典型凍土斷面為例，得到了路基安全性的相對順序為:K1312+270，K1216+ 165，K972+580，K1034+090，K1161+625，K1496+ 750，K1347+012，評價結果與實際基本吻合。

3)通過青藏鐵路多年凍土區路基安全性評價及年變形量對比可知，評價體系的評價結果與變形監測資料吻合較好，對比補強時間前后的變形量，認為補強效果良好，達到了工程整治的目的。

［1］葛建軍．氣候變暖對青藏鐵路多年凍土區路基影響分析［J］．路基工程，2008(3):6-9．

［2］高志華，石堅，羅麗娟．青藏鐵路路基凍脹變形特點的研究［J］．鐵道建筑，2010(6):94-96．

［3］王志堅，張魯新．青藏鐵路建設過程中的凍土環境問題［J］．冰川凍土，2002，24(5):588-592．

［4］潘衛東，青藏高原多年凍土區鐵路路基熱穩定性研究［D］．蘭州:蘭州大學，2002．

［5］尚繼紅．保護多年凍土地區路基穩定性的工程措施［J］．路基工程，2004(5):36-39．

［6］沈宇鵬，青藏鐵路安多段多年凍土斜坡路基穩定性研究［D］．北京:北京交通大學，2007．

［7］李永強．青藏鐵路運營期多年凍土區路基工程狀態研究［D］．蘭州:蘭州大學，2008．

［8］段東明，沈宇鵬，許兆義，等．青藏鐵路安多試驗段多年凍土斜坡路基的穩定性［J］．中國鐵道科學，2008，29(2):6-11．

［9］韓利民．青藏鐵路唐古拉山區凍土低路堤穩定性研究［D］．北京:北京交通大學，2008．

［10］楊讓宏．運營期青藏鐵路多年凍土區斜坡路堤穩定性分析與評價研究［D］．北京:中國鐵道科學研究院，2010．

［11］段東明．青藏鐵路唐古拉山區凍土濕地路基穩定性關鍵技術研究［D］．北京:北京交通大學，2005．

［12］錢進，劉厚健，俞祁浩．青藏 ±500 kV輸電工程典型凍土地段穩定性模糊綜合評價［J］．科學技術與工程，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

(責任審編 孟慶伶)

2015-04-20;

:2015-06-15

科技部科研院所科技開發專項資金項目(2011EG123262);中國中鐵股份有限公司科學技術項目(2013-重大-20-1)

孟進寶(1988— )，男，甘肅渭源人，助理工程師，碩士。

1003-1995(2015)08-0088-05