基于AHP的路塹護坡風險動態加權綜合評估模型研究

牛樂樂,蘇 謙,王牧麒,張 棋,周 珩，趙莉香

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

2008年以來，我國鐵路建設發展迅速，到2018年底，鐵路運營里程達到13.1萬km以上，其中山區鐵路所占比重較大。開挖路塹是山區鐵路主要的通過方式之一，這種通過方式破壞了原有坡體的穩定性[1]。鐵路運營期間，在自然營力和循環動荷載作用下，容易發生一系列災害。因此，對于運營期既有鐵路，有必要建立一套完善合理的路塹護坡風險評估體系，為路塹護坡風險管理提供科學依據[1-2]。

近年來，學者們提出了一些新的邊坡穩定性評估方法。文獻[3]提出了基于AHP 的模糊評判法評估邊坡穩定性；李暉應用層次分析法、專家打分法和敏感性分析法對路塹地段進行了風險評估和決策[1]；文獻[4]采用安全性評價與風險評價相結合的定性、定量地質災害綜合評估方法；王浩等提出一個基于霍爾三維結構的路塹邊坡系統分析模型和路塹邊坡全壽命周期風險評估模型[5]。由于專家打分法受人為因素影響較大，其中部分方法未涉及運營期評估，且未考慮邊坡對鐵路的危害性[1，3-6]。基于此，提出了采用基于AHP的路塹護坡風險動態加權綜合評估方法，引入對鐵路的危險性評價，得到護坡的風險等級，最后采用傳統穩定性計算方法驗證了該方法的合理性[6]。

1 工程概況

朔黃鐵路穿越呂梁山脈及太行山脈，沿線山高谷深，深挖高填工程多，受復雜的地質條件、不利的氣象條件、人類的工程活動條件、地震條件等影響，每年春季雪融期、夏秋雨季集中期都成為護坡病害高發期，且規模越來越大，病害頻現，對行車安全威脅與日俱增[7]。為進一步掌握護坡病害對鐵路運營安全的影響，也為后續整治防范提供依據，對原平分公司管內所有路塹護坡進行災害排查評估。全線線路里程K0+000～K255+899，區段內共排查路塹護坡625段。基于此項目，得到各項評價指標，建立評價體系。

護坡病害的發生是多種不確定性因素綜合作用的結果，不能單依靠數學方法對護坡危險性進行定量計算。為避免護坡病害危險性判識出現局限性，本次評價根據野外調查、物探和鉆探結果，同時結合護坡所處位置的工程地質情況進行綜合分析，確定護坡病害嚴重性評價指標[6，8-9]。

2 病害評價指標

2.1 病害類型

2.1.1 野外調查

野外調查主要對朔黃鐵路公司原平分公司管內護坡目前穩定性、表面剝落、裂縫等破壞跡象進行調查。調查內容包括填寫野外調查記錄本作沿途觀察記錄，初步分析判斷病害的類型，對危害或潛在危害較大的護坡病害點進行詳細調查，收集調查點相關技術資料。調查方法在收集資料的基礎上，以現場實地調查為主，對護坡進行拍照、測量和記錄，并對調查結果進行統計分析。

通過對朔黃鐵路原平管內255 km共計625段路塹護坡進行調查評估，查明凍害工點244處，邊坡溜坍工點41處，陷穴工點1處，支擋防護結構病害工點524處，排水不良工點440處，危巖與崩塌落石工點7處，風化剝落工點51處[10]。野外調查結果如表1所示。

表1 護坡病害野外調查結果

2.1.2 地質雷達

本次雷達排查作業主要使用俄羅斯OKO-3與成都勞雷SIR兩種型號地質雷達，雷達型號均為400 MHz，檢測深度為1～3 m。測線沿線路縱向布置在護坡上，沿水平布設為上中下3條，間距一般為3～10 m，根據現場實際情況可加密測線，測線的布置方式如圖1所示。

本次排查的地質雷達法檢測主要對護坡結構內部疏松，護坡結構背后土體空洞及脫空等情況存在與否進行檢測評估。其中，護坡結構內部疏松是指護坡結構內部因施工質量不達標，勾縫脫落及其他外界條件的影響造成護坡結構內部欠密實的現象；護坡背后土體空洞是指護坡背后的填土體因受雨水及其他外界條件的影響造成其內部土顆粒間距過大，土壤疏松欠密實的現象；脫空是指護坡結構與護坡背后填土體間彼此分離或護坡結構內部兩層漿砌片石之間相互分離的現象[10]。

在此次排查范圍(K0+000～K255+899)內，地質雷達計劃檢測護坡長度共計120 km，實際檢測護坡工點499處，累積檢測長度136.35 km。地質雷達排查情況結果見表2。

從檢測結果來看，在上行線路已檢測出的病害類型中，存在護坡結構內部疏松的工點占比最大，占上行工點數的70.56%，其次為存在護坡背后土體空洞的工點，占上行工點數的61.47%，脫空情況較輕，占上行工點數的7.79%；在下行線路已檢測出的病害類型中，存在護坡結構內部疏松的工點占比最大，占下行工點數的65.91%，其次為存在護坡背后土體空洞的工點，占下行工點數的58.71%，脫空情況較輕，占下行工點數的11.36%。在洞門處已檢測出的病害類型中，存在護坡結構內部疏松的工點占洞門總工點數的25%，存在護坡背后土體空洞的工點占洞門總工點數的75%。

2.1.3 高密度電法

本次排查作業主要通過使用重慶地質儀器廠生產的高密度電法裝置，依照排查作業的勘測范圍和目標要求，在105段護坡上共計布設118條測線、1 605個有效測點。護坡段的高密度電法測線條數布設由護坡段長度確定，護坡段長度小于50 m時布置1條剖面，50～100 m時布設2條剖面，大于100 m時每隔50 m布設1條，相鄰電極測線剖面間距在5 m以上，電極測線需基本垂直線路。測線剖面上的電極布設形式采用單點三極法，相鄰電極間距在0.5～2 m，對應的檢測深度為1～5 m。

本次排查作業的高密度電法檢測主要對邊坡土體的裂隙、含水率與脫空情況進行檢測。高密度電法計劃工程量為1 500個測點，實際完成量超7%，實際檢測護坡工點105段。通過高密度電法排查出的護坡病害類型主要有護坡背后填土欠密實、護坡背后土體含水率高與脫空3種。依據高密度電法排查出的護坡各主要病害類型情況，對各護坡病害工點對應的病害情況進行統計，見表3。

表3 高密度電法檢測病害統計

從檢測結果來看，在上行線路中，存在護坡背后填土含水率高的病害工點占比最大，占上行已檢測工點數的65.90%，其次為存在護坡背后填土不密實的病害工點，占上行已檢測工點數的27.27%，脫空情況最輕，占上行已檢測工點數的15.91%；在下行線路中，存在護坡背后填土含水率高的病害工點占比最大，占下行已檢測工點數的50.82%，其次為存在護坡背后填土不密實的病害工點，占下行已檢測點數的36.07%，脫空情況較輕，占下行已檢測工點數的21.31%。

2.1.4 鉆探

在充分分析、研究既有竣工資料基礎上，結合現場調查及病害發育程度，以及既有防護措施類型進行鉆探，查明各工點場區的工程地質和水文地質條件。通過鉆探查明地層巖性，為評估提供可靠依據。由于本區主要為凍脹病害，其中砂質黃土含量是影響凍脹程度的主要原因之一，因此，通過鉆探獲取地層中砂質黃土含量[11]。

根據野外調查和物探病害結果嚴重程度，朔黃鐵路全線共布設30個鉆探點，通過鉆探得到各區段砂質黃土厚度如表4所示。

表4 鉆探結果

2.2 評價指標

2.2.1 護坡自身病害嚴重性評價指標

護坡病害自身嚴重性指基于野外調查、物探與地質鉆探結果評價得出的護坡病害的嚴重程度。護坡病害自身嚴重性共分為3個等級：嚴重、較嚴重與輕微。從排查的情況來看，朔黃鐵路原平分公司管內護坡病害主要以凍害、排水不良與支擋防護結構病害為主，此外還包括邊坡溜坍、危巖與崩塌落石等。

根據野外調查發現護坡病害類型情況，并結合地質雷達、高密度電法的檢測結果與鉆探結果，綜合確定了護坡病害自身嚴重性評價指標為15個：坡面隆起/破損、坡面開裂、陷穴、伸縮縫/勾縫脫落、排水設施開裂、排水設施淤塞、排水設施不足、邊坡溜坍、危巖與崩塌落石、風化剝落、護坡結構內部疏松、護坡背后填土欠密實/空洞、脫空、護坡背后填土含水率與護坡區域地層巖性。根據護坡病害的特征，分別對各病害的當前程度進行分析，并依據分析結果判斷病害自身嚴重性。

護坡自身病害嚴重性的評價采取評價指標程度打分制：每項指標根據其實際狀況劃分為完好、輕微、較嚴重、嚴重四種程度，對應的扣分分值依次為0分、1分、2分與3分?；谏鲜鲈u價指標的護坡病害自身嚴重性評定標準見表5。

表5 護坡病害自身嚴重性評定標準

2.2.2 護坡病害對鐵路的危險性評價指標

護坡病害對鐵路的危險性指護坡病害工點對臨近線路安全的影響程度。護坡參數(高度、長度、坡率等)對鄰近鐵路線路的安全性具有不同程度的影響。通過排查，確定護坡病害對鐵路的危險性評價指標為坡腳至線路最外側中心線距離、護坡高度、護坡長度與護坡坡率。護坡病害對鐵路的危險性評價采取評價指標程度打分制：每項指標根據其對鐵路的危險性影響程度劃分為一般危險、較危險與危險3種程度，對應的扣分分值依次為0，1，2。基于上述指標的護坡病害對鐵路的危險性評定標準見表6[12]。

表6 護坡病害對鐵路的危險性評定標準

3 建立基于AHP的綜合評價模型

通過層次分析法，評價護坡自身病害嚴重性和護坡病害對鐵路的危險性，然后運用動態加權綜合評價方法，綜合評價護坡安全風險等級，最后采用邊坡常用穩定性計算方法，驗證評價模型的合理性。

3.1 基于AHP確定各指標權重

3.1.1 AHP評價模型

護坡病害自身嚴重性各評價指標的權重采用層次分析法予以確定，通過構建各指標權重的判別矩陣A(式(1))，計算矩陣A對應于最大特征值λmax的特征向量w，經歸一化后即可得各評價指標的權重。aij為各評價指標之間的相互重要程度關系[3]。

(1)

采用層次分析法計算各評價指標權重的具體操作如下：

(1)計算判斷矩陣每一行元素的乘積

(2)

(2)計算Mi的n次方根

(3)

(4)

(4)一致性檢驗。

3.1.2 指標分層和權重計算

野外調查病害根據坡體內部病害>坡體表面病害，陷穴病害全線僅發現1處，所占權重最小；物探為邊坡內部無損檢測，病害均在護坡內部，因此權重一致。

第一層分層及重要性排序為：野外調查>物探=鉆探；

第二層分層及重要性排序為：坡面開裂=邊坡溜坍=危巖/崩塌落石=風化剝落>坡面隆起/破損=勾縫脫落=排水設施開裂=排水設施淤塞=排水設施不足>陷穴；

護坡結構內部疏松=護坡背后填土欠密實/空洞=脫空=護坡背后填土含水率。

通過Matlab程序計算得到各層指標權重見表7，且第一層和第二層權重結果均通過一致性檢驗。

各指標最終權重由兩層權重相乘得到，各指標權重的最終結果見表8。

表7 護坡病害自身嚴重性各層指標權重

表8 護坡病害自身嚴重性評價指標權重值

3.2 自身嚴重性評價模型

護坡病害自身嚴重性按綜合評定方法進行評定。綜合評定方法是考慮各評價指標權重的綜合評定方法：

(1)各評價指標的權重依次為W1、W2……Wn，指標權重之和為100，即ΣWn=100；

(2)綜合各評價指標等級及對應的權重，可評價得到護坡病害自身嚴重性等級。評價方法見表9。

表9 護坡病害自身嚴重性評價方法

3.3 對鐵路的危險性評價模型

護坡病害對鐵路的危險性按綜合評定方法進行評定。綜合評定方法就是考慮各評價指標權重的綜合評定方法：

(1)各評價指標的權重依次為T1、T2……Tn，指標權重之和為100，即ΣTn=100；

(2)綜合各評價指標等級及對應的權重，可評價得到護坡病害對鐵路的危險性等級。評價方法見表10。

表10 護坡病害對鐵路的危險性評價方法

護坡病害對鐵路的危險性的各評價指標權重可同樣采用層次分析法予以確定。具體的計算方法可參見護坡自身病害嚴重性的評價指標權重計算，其計算結果為T1=T2=T3=T4=25。

3.4 護坡安全風險等級評價

基于護坡病害自身嚴重性評價結果與護坡病害對鐵路的危險性評價結果，通過運用動態加權綜合評價方法，綜合評價護坡安全風險等級。

對于影響護坡安全風險等級的兩個因素，每個因素都有3個等級，不同的等級護坡安全風險不同，用通常的定常權綜合評價法做綜合評價顯然是不合理的，然而采用動態加權綜合評價方法是合理且有效的[13-14]。

(1)指標數據的標準化處理

(2)動態加權函數的確定

根據本文實際問題，取動態加權函數為偏大型正態分布函數，即

(5)

(3)綜合評價指標函數的確定

根據標準化后的各評價指標值，仍用xi表示，以及相應的動態權函數wi(x)(i=1,2,…,m)，建立綜合評價模型來對n個被評價對象做出綜合評價。在此，取綜合評價模型為各評價指標的動態加權和，即

(6)

以此作為問題的綜合評價指標函數。

(4)護坡病害綜合評價

根據式(6)，護坡安全風險等級評價標準見表11。

表11 護坡安全風險等級評價標準

4 工程應用

4.1 工程概述

朔黃鐵路滴硫蹬—猴刎站區間下行K163+043～K163+233路塹邊坡位于滴硫蹬區間管轄范圍，屬低山地貌。該坡面朝會里村方向，西起會里隧道出口方向，東至滴硫蹬隧道進口方向，全長190 m，為三級土質邊坡，坡高23～34 m，邊坡坡率為1：0.75。坡腰設有平臺，一級平臺寬2.2 m，二級平臺寬3.6 m，一、二級平臺上未設置截水溝，邊坡坡面采用漿砌片石護坡。塹頂設有截水溝，坡腳設有側溝。坡面設置有泄水孔，泄水孔采用φ10 cm PVC管，呈梅花形布置，間距5～10 m，坡頂到坡腳間距逐漸減小。見圖2。

圖2 朔黃鐵路滴流蹬—猴刎站區間下行K163+043～ K163+233路塹邊坡設計 (單位：m)

4.2 病害描述

4.2.1 野外調查

(1)一級邊坡K163+228處坡面存在長8 m，寬0.5～1 cm裂縫；K163+143處一級坡面存在長7 m，寬0.5～1 cm裂縫；K163+074里程處坡面存在貫通的豎向裂縫，縫寬1～2 cm；二級坡面K163+092處存在長5 m，寬1 cm裂縫；K163+113處二級坡面存在橫向貫通裂縫，寬0.5～1 cm；三級坡面K163+140處存在寬0.5 cm裂縫，見圖3(a)、圖3(b)。

(2)一級邊坡K163+200里程坡面存在2處網狀裂縫，范圍約為12 m2，見圖3(c)。

(3)一級邊坡K163+185～K163+179、K163+156、K163+111里程處坡面勾縫脫落，見圖3(d)。

(4)二級坡面距平臺約5 m高位置，存在1條縱向貫通裂縫，長約30 m，縫寬2～5 cm，見圖3(e)。

(5)20%截水溝存在網狀裂縫，勾縫脫落情況。

(6)30%泄水孔堵塞，見圖3(f)。

(7)K163+180處伸縮縫開裂脫空，見圖3(g)。

圖3 邊坡病害

4.2.2 地質雷達檢測

通過對該段護坡進行地質雷達檢測，其檢測結果見表12。

表12 地質雷達檢測結果

4.2.3 高密度電法檢測

通過對該段護坡進行高密度電法檢測，可見該段坡電阻率隨埋深增加存在突變，電阻值變化率大于60%，坡頂內部可能存在排水不暢，產生水囊現象的病害。

4.3 風險等級評價

4.3.1 工點病害自身嚴重性

基于野外調查、物探結果，根據護坡自身病害嚴重性評定標準(表5)，確定護坡自身病害嚴重性評價指標的扣分，見表13。

根據護坡病害自身嚴重性評價方法(表9)，結合表13中各評價指標的扣分結果，該工點護坡自身病害嚴重性得分為55.80分，判定為嚴重病害(C)。

表13 護坡病害自身嚴重性指標評定結果

4.3.2 工點病害對鐵路的危險性

根據護坡病害對鐵路的危險性評定標準(表6)，確定護坡病害對鐵路的危險性指標扣分，見表14。

表14 護坡病害對鐵路的危險性指標評定結果

根據護坡病害對鐵路的危險性評價方法(表10)，結合表14中各評價指標扣分結果，該工點護坡病害對鐵路的危險性得分為25分，判定為危險(c)。

4.3.3 工點安全風險等級評價

根據動態加權綜合評價方法，結合護坡自身病害嚴重性等級與護坡病害對鐵路的危險性等級，計算得到該護坡X=3.403，判斷為高度風險，因此該邊坡急需整治。

4.4 穩定性計算

采用簡化Bishop法對該邊坡計算，各土層參數見表15。以坡腳為坐標原點(0，0)，得到最危險滑弧圓心坐標(-24.282 m，49.450 m)，滑動半徑為 55.090 m，最危險滑弧位置如圖4所示，穩定性系數為1.02。根據文獻[4]可知，該邊坡處于很不安全狀態，急需整治，該結論與采用基于AHP的動態加權綜合評價模型得到的結論一致。

表15 K163+150斷面邊坡計算參數

圖4 最危險滑弧位置(單位：m)

5 結論

(1)基于朔黃鐵路全線野外調查、物探和鉆探結果，提出了兩層15個護坡病害自身嚴重性評價指標及評定標準。護坡病害自身嚴重性評價指標：坡面隆起/破損、坡面開裂、陷穴、伸縮縫/勾縫脫落、排水設施開裂、排水設施淤塞、排水設施不足、邊坡溜坍、危巖與崩塌落石、風化剝落、護坡結構內部疏松、護坡背后填土欠密實/空洞、脫空、護坡背后填土含水率與護坡區域地層巖性。

(2)基于護坡病害對鄰近線路安全的影響程度，提出了4個護坡病害對鐵路的危險性評價指標及評定標準。護坡病害對鐵路的危險性評價指標：坡腳至線路中心距離、護坡高度、護坡長度與護坡坡率。

(3)對護坡病害自身嚴重性和對鐵路的危害性各評價指標進行了分層和排序，通過層次分析法，得出各指標所占權重。對一特定既有邊坡，護坡自身嚴重性和對鐵路的危險性兩種因素各處于不同等級，不同等級采用不同權重，提出采用動態加權綜合評價模型評估護坡安全風險等級。

(4)經工程實例驗證，基于AHP的動態加權綜合評價模型可應用于運營期既有鐵路路塹護坡風險評估。