基于模糊综合评价既有铁路边坡设计方案评价方法的研究

冯成奎

摘 要：既有铁路边坡表面溜坍、崩塌等灾害对铁路运营安全构成严重安全威胁，边坡设计方案不合理，不仅会对铁路运营安全带来巨大的风险而且还造成人力物力的大量浪费。因此，本文依托宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡，分析既有铁路边坡溜坍影响因子，针对不同的边坡加固设计方案，采用主成分分析法和模糊综合评价法，科学、合理的选择边坡设计方案，保证既有铁路边坡运营安全，同时节约大量的资源成本，为铁路健康运营管理提供参考意见。

关键词：模糊综合评价法；既有铁路；边坡；设计方案评价

前言

随着我国现代化快速推进，交通需求日益增大，极大促进了中国铁路的发展，列车运行速度的提升给日常生活带来方便，同时也增加了行车安全的风险性，任何微小的不利因素带来的后果都有可能是致命的，都有可能造成重大的经济损失或者是人员的伤亡。这些不利因素包括边坡滑坡、强风、暴雨、大雪、地震以及异物入侵等等，然而边坡滑坡对铁路运营安全造成极大的威胁，每年铁路运营都因边坡滑坡造成人民生命财产巨大的损失。因此，通过对既有铁路边坡进行设计方案评价，针对不同等级的边坡采取相应的措施，在不浪费资源的情况下保障铁路运营安全。为此本文采用模糊综合评价法的既有铁路边坡设计方案评价分析，在边坡崩落、坍塌失稳前对状态进行研判评估，以便及时采取合理的边坡设计方案进行处理，制止可能发生的次生灾害及危险，保障铁路运营安全。

本文依托宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡，采用主成分分析法，主观分析法和客观分析法相结合分析既有铁路边坡溜坍影响因子，建立既有铁路边坡设计方案评价指标体系，针对不同的边坡加固设计方案，采用模糊综合评价法对既有铁路边坡设计方案评价分析，保证铁路边坡风险评估具有科学性、合理性和实用性，为既有铁路健康运营管理提供技术依据，保证铁路安全运营，因此采用模糊综合评价法对既有铁路边坡设计方案评价分析，在既有铁路边坡运营管理中具有重要作用。

1既有铁路边坡设计方案比选评价指标体系构建

1.1综合评价指标体系构建方法及步骤

既有铁路边坡设计方案主要影响因子主要有边坡地址水文、地形地貌、边坡加固、天气、排水等，主观分析法和客观分析法相结合，采用影响因子量化分析模型、影响因子无量纲化方法和主成分分析法对既有铁路边坡影响因子进行筛选，建立既有铁路边坡设计方案评价指标体系，主要包括以下四个步骤：查阅铁路边坡相关资料以及相关理论准备、铁路边坡溜坍影响因子初选、影响因子检验以及指标体系应用四个步骤。

1、既有铁路边坡设计方案评价相关资料查找以及理论准备

既有铁路边坡设计方案综合评价指标体系的构建是一个涵盖地址水文、地形地貌、边坡加固、天气、排水等多因素影响的复杂的评价系统，根据相关规范、标准定额以及设计文件等相关资料，建立既有铁路边坡设计方案指标量化模型对评价指标量化分析。

2、既有铁路边坡设计方案评价影响因子筛选

既有铁路边坡设计方案综合评价指标体系构建主要考虑地址水文、地形地貌、边坡加固、天气、排水等影响因子的影响，采用主成分分析模型对指标进行筛选。

3、既有铁路边坡设计方案评价影响因子检验

采用相关分析法对初选指标进行检验，为保证所选既有铁路边坡设计方案评价指标体系，既兼顾了代表性、全面性又保证了科学性、合理性。

4、既有铁路边坡设计方案评价指标体系应用

根据既有铁路边坡设计方案评价指标体系，对既有铁路边坡设计方案进行综合评价，得到科学、合理的设计方案，减少工程维护投入，保障铁路运营安全。

1.2综合评价指标体系分析方法

既有铁路边坡设计方案评价指标体系过程中，为了全面、科学对既有铁路边坡设计方案评价，需尽可能全面考虑影响因子，然而铁路边坡设计方案评价影响因子数量过多，往往会存在信息重叠的现象，影响评价结果。采用主成分分析法筛选铁路边坡设计方案评价影响因子，在确定最大限度减少指标数据信息丢失的原则下，对铁路边坡设计方案评价对多个指标数据进行最优综合简化，整个评价体系以及计算在低维空间要比高维空间更加科学、可靠、合理。

1）评价指标原始指标数据的标准化

将 维随机向量 个评价指标， ，建立了超长隧道全寿命价值样本矩阵，对其进行如下标准变换：

2）求综合评价指标标准化阵 的相关系数矩阵

3）求解单位特征向量

根据上述可得样本相关矩阵 的特征方程 得p个特征值，确定主成分按 确定 值，影响因子所包含的信息利用率达85%以上，对每个 解方程组 得单位特征向量 。

4）综合评价指标的主成分

采用无量纲化模型对评价指标进行标准化处理，得到标准化处理后的综合评价指标进行转换为主成分 ， 称为第一主成分 称为第 主成分。

5）综合评价指标检验

上述筛选的 个主成分综合评价指标，采用相关分析法对综合评价指标进行检验，通过计算综合评价指标之间的相关系数：

2基于模糊综合评价法的既有铁路边坡设计方案

2.1模糊综合评价法的原理

根据既有铁路边坡设计方案评价的目的及特点Error: Reference source not found，采用主成分分析法建立既有铁路边坡设计方案评价影响因子指标体系，根据既有铁路边坡设计方案综合评价评语等级对各综合评价指标进行模糊评价，建立既有铁路边坡设计方案评价指标模糊关系矩阵，根据既有铁路边坡设计方案评价的特点选择相应的模糊综合评价法合成算法，得到既有铁路边坡最优设计方案。

2.2模糊综合评价法的计算步骤

1、确定综合评价对象影响因子指标集

2、确定综合评价评语等级集合

在既有铁路边坡设计方案评价目标过程中，对被评价对象各评价指标的影响程度的评判结果： 其中 代表在设计方案综合评价过程中第 个综合评价指标对设计方案的影响程度。

3、对各综合评价指标进行评价，建立模糊关系矩阵

由于既有铁路边坡设计方案综合评价指标类型复杂，主要存在定性指标和定量指标两类。一般情况下定量指标进行定量分析，有些指标往往也具有一定的模糊性，定性指标更具有模糊性，根据评价对象的综合评价目标对评价指标进行分析。

①定性指标隶属度的确定方法

设有 位评价对象方面的专家对要研究的对象参与评，,评价者 对评价对象 的评价结果 来，, u中有一个分量为，,其余分量为0。

②定量指标隶属度的确定方法

计算分析既有铁路边坡设计方案综合评价指标定量指标隶属度，根据既有铁路边坡设计方案综合评价指标集，,以及指标评价等级，,设 和 是综合评价过程中两个相邻评语等，,且 。

4、确定综合评价指标的权向量

采用层析分析法得到既有铁路边坡设计方案综合评价指标权重。

5、合成模糊综合评价结果向量

根据既有铁路边坡设计方案综合评价的特点，选择适合既有铁路边坡设计方案综合评价的模糊综合合成算法，得到既有铁路边坡设计方案综合评价的合成算法模型：

3工程应用实例

3.1工程概况

宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡，地质概况：自然坡度约70～80°，高度约100m，植被发育。地层为奥陶系南津关组（O1n）中厚层灰岩，局部夹薄层灰岩，产状10°∠26°，发育二组节理：110°∠85°；走向280°，近垂直。隧道出口发育堆积体，线路左侧堆积体宽约20余米，厚约15.2～20.8m，现状稳定。边坡原设计情况：主要采用了设置了间距3m长8m的锚杆、嵌补支顶、拦落石栅栏及GPSII型主动网等防护措施。

3.2宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道边坡设计方案比选

根据明宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡设计方案综合评价目标及特点，选择适合评价对象的模糊综合算子将 与评价指标 进行模糊综合评价合成计算，因此得到宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡设计方案模糊综合评价结果：

在上式中由 与评价指标 的第 列进行模糊综合运算得到 ，表示宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡设计方案综合评价整体上对 综合评价等级模糊子集的隶属程度。

根据宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡综合评价指标评价行向量构成综合评价指标第一层模糊隶属矩阵

根据前面利用层次分析法以及计算机软件，计算得到宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡指标权重 ，可以得到：

结合综合评判标准，可以得到宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡设计 方案综合评价值， 。

同理可得宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡设计方案Y,Z两方案的综合评价值为 ，因此宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡设计方案推荐采用 方案。

4结束语

边坡设计方案不合理，导致既有铁路边坡溜坍、崩塌等灾害，不仅会对铁路运营安全带来巨大的风险而且还造成人力物力的大量浪费。因此，本文采用主成分分析法，主观分析法和客观分析法相结合分析既有铁路边坡溜坍影响因子，建立既有铁路边坡风险评估指标体系，采用模糊综合评价法对既有铁路边坡设计方案评价分析，保证铁路边坡设计方案具有科学性、合理性和实用性，为保证铁路运营安全具有重要意义。

本文依托宜万铁路下行K1161+511五爪观隧道出口边坡，主要从地形地貌、地质、水文气象等方面分析既有铁路边坡设计方案影响因子，采用主成分分析法和模糊综合评价法，科学、合理的选择边坡设计方案，保证既有铁路边坡运营安全，同时节约大量的资源成本，为铁路健康运营管理提供参考意见。

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