模糊评价法在铁路运营隧道安全状态综合评判中的应用

贡 力，严松宏

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

截至2009年底,我国铁路正式运营线路共有隧道7 573座,长度合计约5 148 km。其中：5 km以上的隧道约占隧道总长度的18%,10 km以上的隧道18座;超过20 km的隧道有兰新线乌鞘岭隧道、石太线太行山隧道等。其中，因病害失格的隧道有3 739座，占运营隧道总座数的49.4%，有的病害相当严重，已危及行车安全。铁路实现跨越式发展的总体思路，要求铁路客货运输速度大幅度提高，对运营安全提出了更高的要求。为了使既有的隧道技术改造达到对症、根治、节省投资的效果，应有计划地进行安全检测评估，摸请既有线运营隧道安全现状，掌握其运营中存在的隧道病害及缺陷，又对隧道安全等级做出准确的评定，以便为铁路安全运营提供依据。

铁路运营隧道系统安全评价是对铁路运营的隧道整体安全性所作的安全评价，国内外铁路隧道安全评价的相关研究主要集中在隧道的建设时期，主要偏重于隧道结构的安全设计，以及隧道的施工安全、施工方法等方面做出安全评价，仅有很少的研究人员涉及到隧道运营的安全评价，内容也限于隧道的照明、通风、消防等单一方面，因此有必要通过对铁路运营隧道的状况进行综合评判，从而建立铁路运营隧道安全评价体系。

1 铁路运营隧道安全状态综合评判

1.1 铁路隧道安全状态评价的定义

铁路隧道安全状态评价是铁路安全系统工程的重要内容之一，目的是实现铁路整体系统安全。它是运用系统工程的方法对铁路隧道存在的危险性进行综合评价和预测，并根据其形成事故的风险大小，采取相应的安全措施，以达到系统安全的过程。铁路隧道安全评价不仅是现代高速铁路安全生产的重要环节，而且在安全管理的现代化、科学化中也起到积极的推动作用。

铁路隧道安全状态评价与铁路隧道日常安全管理和铁路隧道安全监督检查工作不同，安全评价着眼于由技术带来的负效应出发，对产生的损失和伤害的可能性、影响范围、严重程度及应采取的对策措施等方面进行分析、论证和评估。它的重要意义在于有助于提高企业的安全管理水平。

1.2 铁路隧道安全状态综合评价流程

当前，隧道出现病害或安全隐患时，主要依赖于有经验的技术人员通过调查、现场目测，并按原设计程序进行校核，再凭经验制定整治方案进行整治，其对隧道安全状态的诊断具有很大的随机性和主观性。因此，对铁路运营隧道安全状态采用定量化的方法进行综合评判，就显得尤为迫切和重要。本文拟采用层次分析法和模糊综合评判对铁路运营隧道安全状态进行综合评判。铁路运营隧道安全状态综合评价流程，见图1所示。

2 隧道安全状态评价指标体系

确定评价指标是整个评估体系的关键，是获得真实客观结果的前提。影响铁路运营隧道安全状态的因素较多，根据简洁性、科学性、层次性、独立性和可操作性等原则，为了全方位地反映运营期铁路隧道的安全状态，评估指标的正确选择必须基于对铁路隧道结构安全系统正确分析，所选指标应能最大限度地客观反映各种因素的影响。经过分析评价，结合与隧道安全相关学科的紧密关系，综合考虑我国《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》和《铁路隧道设备劣化评定标准——隧道》，从铁路运营隧道安全性研究的需要出发，将隧道安全分为衬砌病害、衬砌缺陷、围岩级别、地下水状况、设备故障等内容，建立铁路运营综合评价指标的分级值（见表1）。

图1 铁路运营隧道安全状态综合评价流程图

表1 铁路运营隧道安全状态综合评判指标体系一览表

3 隧道安全状态因素集和评价集的建立

由于影响铁路运营隧道运行安全的因素较多,将选用二级模糊综合评判模型。根据表1所建立的评价指标体系,可得到因素集为U={U1,U1,U3,U4,U5}。其中,Ui为第一层次的第i个元素,可由第二层次的n个元素决定,即Ui={Ui1,Ui2,…,Uin}，i=1,2,3,4,5。

评判集是由对评判对象可能得出的评判结果所组成的集合,为反应铁路隧道安全风险发生的概率，用五个等级表示〔即Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级〕=（安全，轻微，较严重，严重，极严重），见表2所列。

表2 铁路运营隧道安全状态评价标准一览表

4 评判模型的实例应用

4.1 工程简介

应用本文提出的模糊数学评价模型，对某铁路运营隧道的安全状态进行综合评判。某铁路是规划中的沪-汉-蓉客运通道的重要组成部分。线路地处我国中、西部地区的结合部，西起重庆市、向东途经重庆市，止于湖北省利川市，线路全长264.406 km。

4.2 单因素隶属度矩阵及一级模糊综合评判

根据单因素评价模型:Bi=WI·Ri={bi1,bi2……□,bin}进行模糊评价。其中W为评价集Ui的因素重要程度模糊子集,Ri为Ui的ki个因素总的评价矩阵,对衬砌缺陷、病害砌衬、围岩级别、地下水状况、设备故障等5个一级指标中的19个二级指标进行单因素初级综合评价。并邀请国内工程设计、施工、监理、监督管理单位的12名专家组成评判小组,对隧道进行评价,按照安全评价等级对19个二级评价指标进行打分,并对专家打分进行加权平均后归一化处理,得到一级评价指标重要程度模糊子集为：

W=（0.36,0.33,0.12,0.09,011）

4.3 二级模糊综合评判

各评价因素的子因素Wi以及Wij的权重分配为:

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）

通过上述利用模糊综合评判模型求出一级评价指标重要程度模糊子集,并将其与单因素一阶评价结果组合起来形成总的二阶评价矩阵R为：

4.4 评判结果分析

按照二阶模糊综合评价模型B=W·R对系统进行总的综合评价,按最大隶属度原则评判结果为：

B=W·R=（0.25,0.26,0.26,0.25,0.10）

归一化处理后结果为：

B=（0.22,0.23,0.23,0.22,0.10）

按表2安全等级分值的均值计算出该系统的评价总得分为：

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

故该段隧道隶属于安全状态评价Ⅱ级。多年来的行车状况表明该段隧道目前处于轻微等级状态。需要及时维修和养护，模糊评判符合实际情况。

5 结论

（1）模糊层次综合评价方法具有可操作性强、使用简便的特点，对铁路隧道运营安全的各因素进行模糊层次综合评价，能够得到定性和定量的评价结果。定量结果对应相应的定性结果，得到的结果直观、科学、合理、可靠。

（2）评价指标体系不但要遵循科学性、可行性和可比性原则，还要具有动态性原则。铁路隧道运营安全评价是一个动态过程，在运营不同阶段、不同的情况下，影响运营安全的因素（评价指标体系中的指标）会随之变化。因此，在建立评价指标体系时要注意该体系的开放性、动态性。

（3）对隧道运营过程进行定期安全检查和评估，并将结果及时进行反馈，可以为现场运营管理人员发现隧道运营过程中存在的安全问题提供参考，能及时、有效地排除施工过程中的安全隐患，使运营过程控制和管理由被动的管理模式向主动式、预防式的管理模式转变。

[1]贡力，刘俊民.应用模糊综合评价分析方法对兰州市水资源承载力评价研究[J].城市道桥与防洪，2007（7）：147-150.

[2]刘铁民,张兴凯,刘功智.安全评价方法应用指南[M].北京:化学工业出版社,2005.

[3]胡宝清.模糊数学理论[M].武汉:武汉大学出版社,2004.

[4]吴江滨，张顶立，王梦恕.铁路运营隧道病害现状及检测评估[R].北方交通大学隧道及地下工程试验研究中心.