基于工程易损性灾变论的高铁路基服役状态评价

陈舒阳，曹禄来，姚永胜

基于工程易损性灾变论的高铁路基服役状态评价

陈舒阳1, 2，曹禄来3，姚永胜1, 4

(1. 中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004；2. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；3. 中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004；4. 香港科技大学 土木与环境工程系，香港 999077)

传统铁路路基状态评估的有损检测不宜用于高铁无砟轨道，而以轨检车为代表的无损检测物理意义不明确，难以定性路基病害或预测其变化趋势。鉴于高铁路基易受工后沉降及运营环境等多因素影响，类似于工程承灾模型，故以灾变论为基础，引入工程易损性理念。分别将运营环境与路基自身属性类比为致灾体、承灾体，将常规轨检车动检与工后沉降监测、外部运营环境调查相结合，采用可拓物元分析法为计算模型，提出高铁路基服役状态评价新方法，并依托沪宁城际铁路典型区段展开实例分析。研究结果表明：引入工程易损性理念后，实现了基于统计学意义、工学机理与工程地质环境的高铁路基状态“三位一体”综合评判，有助于反映其瞬时性状、病害成因及发展趋势，较传统方法更为全面合理。该方法可为高铁路基服役状态的提前预判与及时响应，以及铁路部门运营方案调整及养护维修等提供理论支撑。

高铁路基；服役状态；工程易损性；工后沉降；轨道质量指数

我国铁路路基状态评估于既有线提速改造时期被提出[1−2]，以满足路基强度、变形及养护维修在更高速度下的要求。早期主要采用静力及动力触探、贯入试验、电测法、核子密度湿度测试等有损检测方法，缺点在于会干扰行车且仅能反映局部问题[3−5]。后期借鉴发达国家经验，引入了波速法、轨检车、车载雷达等无损检测[6−9]，并可快速检测路基全线状态。总体上，铁路路基状态评估检测研究经历了从无到有，从有损到无损，从单指标到多指标考察的发展过程[10−13]。而对我国高速铁路，由于使用封闭式无砟轨道，故有损路基检测手段应用受限，目前多依赖于轨检车为主的无损检测。但问题在于，其检测结果TQI(轨道质量指数Track Quality Index)仅是对轨道几何状态的标准差统计，难以与路基关键物理力学参数相对应，加之检测受外界干扰大，随机性强，无法对病害定性或预测其发展趋势，故单独采用TQI评定路基状态存在缺陷[14−15]。由于在高铁长期运营中，路基服役状态会受到沉降变形、地基结构等自身因素，以及地质条件、周边人类活动等运营环境因素的综合影响，导致路基的瞬时状态、变化原因、发展趋势等差异显著，类似于工程承灾模型。鉴于此，本文考虑引入课题组提出的针对工程地质防灾研究的“工程易损性[16−17]”理念。其作为一种非工程措施，由于可以全面反映内因(承灾体)与外因(致灾体)对于基础设施的潜在影响，通过迅速响应与提前预判指导防灾减灾，近年来得到广泛应用。参照工程易损性的定义[17]，本文将高铁路基服役状态定义为：“在运营环境影响下，高铁路基因类型、材料、地基、维护等自身特性差异，导致路基结构与使用功能的潜在损失程度，及恢复正常的难易程度。”由此，基于灾变模型，将运营外部环境类比为“致灾体”，工程自身特性类比为“承灾体”。通过综合评判轨面几何形态、工学机理、工程地质环境对高铁路基的影响，为其服役状态的提前预判、准确定性与及时响应提供支持。

1 评价指标体系与取值

1.1 评价指标的选取原则

1) 外界扰动影响：类致灾体属性A1

高速铁路作为长条状的工程结构物，需要跨越狭长的地理空间，会遇到多种复杂气象条件、地质构造，途径区域的人口密度不均匀也会使工农业生产的影响差异显著。由此，高铁运营过程中，路基结构容易遭受诸如区域沉降、临近工程基坑开挖、降水浸泡、地面塌陷、地质灾害等诸多外界因素的影响，导致路基工程结构或使用功能受损[16−17]。由于外界扰动因素独立于遭受潜在危害(基础设施高速铁路路基)之外，即与地质灾害中的“致灾体”性质类似。由此，本文以“类致灾体属性”定义外界扰动因素，主要分为以下各项内容：

工程地质B1(不良地质现象C1，天然地基种类C2，地形地貌特征C3)；

人类活动B2(紧临运营线路C4，临近基坑施工C5，农林矿冶生产C6)；

水文气象B3(年平均降水量C7，极端气候情况C8，地下水位变化C9)。

2) 自身特性影响：类承灾体属性A2

广义上的高铁路基，除包含最常见的填方路堤外，还存在挖方路堑、半填半挖路基、过渡段(路基~桥梁、路基~隧道、路堑~路堤等)及站场路基等多种形式，设计施工养护均差异显著，导致强度、刚度、耐久度等均不同。故基于木桶效应，任一种路基结构形式都可能成为制约高铁路基服役状态的短板。高铁路基遭受外界扰动影响时，因自身结构、材料、工程地质条件、施工维护的差异，其结构质量和使用功能的潜在损失、恢复正常的难易程度均不同。该特性与工程易损性理念中的“承灾体”性质类似，故本文以“类承灾体属性”定义高铁路基自身特性对其服役状态的影响，并分为以下各项内容：

结构质量B4(工后沉降控制C10，路基结构形式C11，地基处理方式C12)；

使用功能B5(上座率平均值C13，列车正点率值C14，运营平顺检测C15)；

养护维修B6(维修作业方式C16，排水设施情况C17，现场病害监测C18)。

1.2 指标体系与取值范围

由以上评价因子及从属关系，形成本文3级评价指标体系，共3个层次：目标层(E)、准则层(A+B)和指标层(C)。其中，目标层为引入工程易损性理念下的高铁路基服役状态，是整个评价系统的最终目标；准则层为“类致灾体属性A1，类承灾体属性A2”2项1级评价因子，及其各自包含的“工程地质B1，人类活动B2，水文气象B3”与“结构质量B4，使用功能B5，养护维修B6”6项2级评价因子；指标层则针对准则层各因子的影响因素逐个分析，细分为18项3级评价因子，指标体系层次结构如图1所示，各指标取值范围如表1、表2所示。

图1 评价指标体系图

在3级评价因子中，针对类致灾体属性与类承灾体属性在评判标准上，存在各自数值、性质表达上的差异，故采用定量分析加定性描述的方式，通过统计归纳高铁路基设计施工、运营养护、应急抢修等规范及研究成果，综合确定各指标取值范围如表1[16−17]和表2[15, 20]所示。其中，为便于统一定量计算，对于无明确数值的定性指标，本文采取(0,5)区间对定性指标进行定量化，即(0,1)代表等级为“优秀”，以此类推，(4,5)则代表等级为“恶劣”。对无明确数值的指标，取该区间中间值，例如落入在(0,1)范内则取0.5。

表1 类致灾体因素A1的评价因子取值范围

表2 类承灾体因素A2的评价因子取值范围

2 评价计算模型与权重

2.1 基于可拓物元法的计算模型

考虑到本文包含大量定性指标，其数值表达可借鉴的规范标准较少，指标取值不确定性较大，故采用更适合于分析指标从属关系的可拓物元分析法[17]作为评价模型。

1) 建立指标集

指标集是影响对象的各种指标所组成的一个普通集合。本文是3级评价，即：

2) 建立备择集

备择集是评价对象可能做出的各种总评价结果所组成的集合。通常用表示，即：

=(优秀，良好，中等，较差，恶劣) (3)

3) 计算关联度

待评指标集中各指标C关于备择集各等级V的关联度K(c)，所用的关联函数计算公式如式(4)所示。

其中：c为第个(1,2,3,…,18)3级指标的取值；C为第个指标属于第个(1,2,…,5)等级的范围，|C|=b−a，a与b分别为第个指标在第个等级的基础因子值；C为第个指标的取值范围，a与b分别为第个指标取值的下限和上限。

4) 可拓物元计算确定路基状态等级

根据上述求得的关联函数值[18]，待评2级指标关于第个路基状态等级V(1,2,…,5)的关联度，按下式计算，以2级指标3为例：

式中：w为各3级评价指标的权重。若有：

则评定得出该2级指标下对应的路基状态等级。2级指标2和3的等级同理可得。由此，确定1级指标1的工程易损性等级，即：

式中：w为各2级指标权重。

表3 各级指标权重

2.2 基于层次分析法的指标权重

本文基于层次分析法，通过判断标度，两两比较各因素间重要度，并以数值形式表示。根据T.L.Saaty的1-9标度法[17]对各因素打分，建立指标因子判别矩阵，在判别矩阵随机一致性满足要求的情况下，得到各2级和3级指标权重(表3)。

3 工程实例应用

3.1 工程概况与调查

1) 研究区高铁工程概况

沪宁城际高速铁路位于上海市、江苏省境内，正线全长300.2 km，设计时速350 km/h，正线全部采用无砟轨道，线间距4.8 m，最小曲线半径2 200 m，最大坡度20‰，到发线有效长650 m。全线设置上海、苏州、无锡、常州、镇江、南京等21个车站，路基工程占比33.6%，在我国已建成通车的高速铁路中路基比例最高。该工程地处长江下游平原、太湖冲击平原，湖泊密布、河谷纵横，为亚热带季风气候，全年降水量大，台风、暴雨等极端天气事件频发。全线途径地区多为深厚软土地基，主要采用桩筏、桩网复合地基等处理方式，建设工期仅19个月。工程周边地区人口密度极高，地表开挖、地下水开采、深基坑施工等人类工程活动影响频繁。开通运营后，沪宁城际高铁成为我国上座率最高的无砟轨道高速铁路，在世博会召开期间与上海自贸区建设过程中，为长三角地区交通、物流发展起了关键推动作用。

2) 现场调查与数据获取

①常规轨检车动态监测

基于连续22期沪宁城际全线轨检车动检数据(如图2)，集中在K81，K147，K165，K235，K263，K298等路基段轨道平顺性较差(TQI＞5)。此外，虽在部分桥隧及道岔区也发现TQI超限工况(如K151为桥梁段，TQImax=11.2)，但考虑到桥隧、涵洞及道岔区在沉降、病害机理方面均与普通路基不同，且本文以高铁路基为对象，故暂不讨论其他结构形式。在实际运营中，铁路部门主要依据TQI异常情况，判定路基状态并制定补强施工措施。然而，路基服役状态除反映轨道几何形态变化外，还需研究病害机理与工程地质环境。而TQI动检因其易操作性，目前更适宜以高铁路基状态常规检测方法，作为初步筛选手段。

图2 全线轨检车动检数据统计

②全线工后沉降监测

由连续2期沪宁城际全线纵断面工后沉降监测曲线(如图3)，高铁路基在K81，K230，K235，K238，K266，K279等区段沉降超限(≥15 mm)。然而对比轨检车数据，仅部分区段TQI＞5，且异常幅度不及K263，K298等区段，即出现TQI异常与沉降超限区间不完全吻合的现象。这表明TQI异常并不全因工后沉降超限所致，反之工后沉降超限也未必直接表现为TQI异常。因此，若仅参考TQI异常情况，采取“异常→维修→限速”或“正常→不修→不限速”的运营方案，则既不足以保证安全，也可能干扰正常运输秩序，造成资源浪费。而若以机械性的增加工后沉降为依据，又会产生双重控制标准，导致决策难度增大。这进一步说明需考虑多因素影响并得出收敛结果，而引入工程易损性正是一种有效途径。

③地质雷达下部结构探查

在检出TQI异常或沉降超限的情况下，进一步通过地质雷达[18]无损检测进行下部结构局部探查，以反射率因子(dBZ)所表征的雷达回波强度反映下部结构密实程度(如图4)，确定地层条件及路基下部结构是否存在掏蚀、空洞等情况，并以此作为施工补强的依据。经调查发现，沪宁城际高铁存在以下几类典型工况：

1) 以K235区段为代表，TQImax=6.6，且超限达16次，工后沉降29.6 mm，经地质雷达检测，显示下部结构掏蚀较严重，现场调研后发现周边存在居民抽水及地下溶洞影响。后期经花管注浆与旋喷桩支护的补强施工，路基下沉得到控制，最近几期TQI值回落到正常区间。

图3 全线纵断面沉降监测曲线

图4 雷达检测路基下部结构示意图

2) 以K263区段为代表，TQImax=9.1，但超限仅1次，工后沉降6.6 mm，经地质雷达检测，显示下部结构基本饱满。经查询气象资料，推断TQI值在当时检测年份的8月出现大幅异常可能与台风登陆天气有关，而在其余时间的运营中，TQI值基本维持在低水平且波动较小。

3) 以K298区段为代表，TQImax=9.6且超限11次，工后沉降2.3 mm，经地质雷达检测，显示下部右侧有明显空洞。经现场调查，该段受线路北侧地铁基坑施工影响，出现路基土体向一侧明显倾斜的现象。后经旋喷桩水泥土隔渗墙施工补强后，基本得到控制，TQI检测趋于正常。

4) 以K147区段为代表，TQImax=4.9，工后沉降15.5 mm，经地质雷达检测，显示路基下部两侧肩部存在波形杂乱现象。经调查，该段为挖方路堑且两侧边坡较高，发生过路堑边坡溜坍病害；工后沉降超限的原因分析为该区段所处太湖流域的区域沉降普遍较大，但相邻区域的差异沉降小，由此反映在TQI上波动不明显。

④典型区段现场调查

除依据各类无损、有损检测设备获取数据的技术检测手段外，铁路部门的日常统计、维护数据，及现场铁路工程师提供的书面记录等技术性手段、管理机制也可作为重要的参考资料。由此，针对沪宁城际铁路选取10个典型路基区段，本文开展了共计18项指标的现场调查。其中，以K235和K263为代表区段(其余8区段的调查方法相同)，调查结果如表4所示。

表4 典型路基区段现场调查表

3.2 评价结果与讨论

1) 路基状态评价结果

依据现场调查结果(如表4)确定各指标取值后，结合各指标权重值，并根据评价计算模型中算式(1)~(8)，计算得10个典型路基区段的路基服役状态评价结果(如表5)。

同时，为体现本文评价结果与传统评价标准的差异，以传统方法常用的单纯TQI评级结果为例进行数据对比，本文结果、传统评级及变化情况如表5所示。

表5 路基服役状态评价结果及与TQI评级对比

2) 评价结果的相关讨论

本文评价结果与以往的单纯TQI评级相比，既有与之相同，也有提升或降低的情况，并无线性单调增/减关系。经调查分析，本文评价结果产生分化的原因主要在于：

①轨检车动检主要反映轨道几何状态，物理意义不明确，无法体现土体物理力学性质及运营环境的差异；②TQI超限并非由工后沉降超限导致路基变形而引起，可能与极端气象条件等其他因素相关；③工后沉降超限可能与区域沉降相关，或轨道在日常维护中进行过扣件调整，不一定表现为TQI超限；④补强施工效果反映在TQI上有滞后性，且单次检测存在随机性，低频次TQI异常不能说明路基服役状态差，反之亦然。

4 结论

1) 研究方法改进：将传统路基状态评估从既有线提速、新线建设，发展至为运营服役中的高铁路基服务。在以轨检车TQI动检为常规方法基础上，与工后沉降监测、地质雷达等无损检测手段相结合，并考虑工程灾变模型综合分析外部运营环境，形成了基于统计学意义、工学机理与工程地质环境的“三位一体”综合评判方法。

2) 评价结果合理：通过引入工程易损性，将高铁路基服役状态分为“类致灾体属性”(工程地质、人类活动、水文气象)与“类承灾体属性”(结构质量、使用功能、养护维修)，综合反映内、外部影响因素共同作用；与单因素TQI评级相比，涵盖内容更为全面合理，评估结果更加符合工程实际，改善了传统TQI评级物理意义不明确，无法判别路基状态变化原因与发展趋势的弊端。

3) 研究理念创新：在课题组过往以泥石流危害桥隧工程为研究对象的基础上，成功将“工程易损性”发展到为运营服役阶段的高铁路基服务。相比于以桥隧为代表的“点状”工程，路基是整体“线域”工程，其服役状态问题机理复杂，定量分析难度很大，故以灾变模型为理论构架，将其转化成“工程承灾”的不确定问题进行研究。这不仅完善了工程易损性的内涵，更得益于其兼顾现状评价与预测分析的特性，有助于分析高铁路基服役的瞬时性状、变化原因、发展趋势。由此，可为路基状态劣化的提前预判、准确定性与及时响应，调整运营方案及养护维修，应对路基线域工程“以点断线”等危害提供理论支撑。

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High-speed railway subgrade service status assessment based on hazard-affected engineering vulnerability concept

CHEN Shuyang1, 2, CAO Lulai3, YAO Yongsheng1, 4

(1. School of Civil Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China;2. National Engineering Laboratory of High-speed Railway Construction Technology, Changsha 410075, China; 3.China Construction Fifth Engineering Division Corp., Ltd, Changsha 410004, China;4. Department of Civil and Environmental Engineering, Hongkong University of Science and Technology, Hongkong 999077, China)

The previous destructive detection method for railway subgrade status assessment can’t be applied in the current ballast-less track high speed railway. Yet, the nondestructive detection method such as track inspection car is also disadvantaged in randomness and inexplicit physical significance, which hindered the determining of subgrade defects and its changing tendency prediction. In consideration of subgrade suffering from post-construction settlement and various factors in operation environment, the concept of engineering vulnerability was introduced into this study. In order to analyze the outer operation environment and subgrade inner feature, the analogical objects in terms of hazard-caused body and hazard-affected body were adopted respectively, and the routine track inspection car, post construction settlement detection and outer operation environment survey were integrated organically. By taking the extension theory as calculation model, a new method of assessing high-speed railway subgrade service status was proposed. The research was conducted on several trial subgrade sections of Shanghai-Nanjing intercity high-speed railway. The main conclusions are as follows. Through introduction of engineering vulnerability concept, the comprehensive trinity assessments based on statistics, engineering mechanism and geological environment were accomplished. This method would assist to indicate the instantaneous status, defects mechanism and development tendency of high-speed railway subgrade, which can be completer and more legitimate than the previous methods. Moreover, this study can provide theoretical foundation for anticipated prediction and timely response for high-speed railway subgrade service status, as well as the adjustment of operation schemes and maintenance measures.

high-speed railway subgrade; service status; engineering vulnerability; post construction settlement; track quality index (TQI)

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190978

U238

A

1672 − 7029(2020)07 − 1645 − 10

2019−11−05

国家自然科学基金资助项目(41272376，51908562)；高速铁路基础研究联合基金资助项目(U1134207)；铁道部专项资助项目(2011G017-C)

陈舒阳(1987−)，男，江西南昌人，讲师，博士，从事路基工程、地质灾害防治对策研究；E−mail：johnson.csy@foxmail.com

(编辑 阳丽霞)