高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價體系研究

李娜 ，陳輝華，張慧

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 河北區 300000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙410075；3.黃淮學院，河南 駐馬店463000)

高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價體系研究

李娜1，陳輝華2，張慧3

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 河北區 300000；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙410075；3.黃淮學院，河南 駐馬店463000)

摘要:構建CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價指標體系,通過將系統工程學中的層次分析法與可拓學中的模糊可拓物元綜合評價法相結合，確定模糊可拓物元綜合評價模型來評價CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量,并進行實證研究。目的在于實現CRTSI型雙塊式無砟軌道施工控制的最終產品符合質量要求，從而為高速列車提供平順性、安全性和耐久性的運行基礎，實現高速鐵路的運營安全和可持續發展。此外，研究成果對高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質量評判具有廣泛的適用性，能夠促進高速鐵路無砟軌道施工質量管理的完善和成熟。

關鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；施工質量評價；模糊可拓物元綜合評價法

目前軌道交通發達的國家，基本都采用無砟軌道作為主要的軌道結構型式。日本的無砟軌道結構型式主要為單元板式無砟軌道結構，并將其用新干線；德國無砟軌道主要有Rheda,B?gl和Züblin3種結構式無砟軌道型式；意大利、奧地利、荷蘭和瑞士等國均根據自己國家鐵路特點選擇無砟軌道的結構型式。與發達國家相比，我國高速鐵路的規劃和建設相對較晚，但是我國鐵路系統積極汲取世界鐵路的先進水平，在學習和借鑒國外高速鐵路技術的基礎上，堅持原始創新、集成創新和引進消化吸收再創新，最終形成技術先進、穩定可靠且符合我國國情的客專鐵路技術標準及工程技術[1-2]。我國目前主要有五種無砟軌道結構型式，包括CRTSI型雙塊式無砟軌道、CRTSII型雙塊式無砟軌道、CRTSI型板式無砟軌道、CRTSII型板式無砟軌道、CRTSIII型板式無砟軌道。高速鐵路要求軌道結構必須具備高平順性、高穩定性及更好的耐久性，無砟軌道正好符合高鐵的發展需求，具有保持幾何狀態能力強，縱、橫向的穩定性較高，且其在線路線形走向方面具有維持軌道彈性不變的優勢，對于延長維修周期及軌道使用壽命有極其重要的影響，因此，無砟軌道逐漸取代有砟軌道，成為我國新建客運專線采用的主要軌道結構型式[3]。CRTSI型雙塊式無砟軌道在鄭西客運專線、武廣高鐵、大遂偷鐵路等高速鐵路上均已成功應用。因此，在施工技術方面已經趨于成熟，而如何科學地評價CRTSI型雙塊式無砟軌道項目的施工質量，是廣大管理者更應該關注的重點，這對于保證高速鐵路的建設質量是有極其重要的作用。評價CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質量，不僅能夠督促施工單位施工技術及施工管理的提高，也能極大地減少建設單位后期運營使用階段的維修工作量，進而促進高速鐵路施工質量管理的完善和成熟，這對高鐵的可持續發展能夠起到不可估量的作用。

1施工質量評價指標體系構建探析

1.1一級指標體系構建探析

CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量控制的效果,可以從多個方面、多個視角進行反映,本文嘗試將所構建的指標體系實行分級處理，形成一個較為完整、層級分明的指標體系[5]。在CRTSI型雙塊式無砟軌道項目實施過程中, 其施工質量可以從其結構組成分為六大類，包括軌枕預制質量；防水層質量；支承層質量；底座板質量；凹槽質量；道床板質量[4]。

具體而言,軌枕預制質量主要是從軌枕現場驗收的視角,明確實施過程中容易產生的質量問題；防水層質量,主要指在CRTSI型雙塊式無砟軌道施工過程中,對線下結構防水質量處理的一種評估，是保證無砟軌道質量的基本前提；支承層和底座板屬于道床板的基礎支撐結構，其施工質量對于軌道的平順性、安全性、舒適性有極大的影響；凹槽質量影響道床板與底座板的連接情況，是使鋼軌下層結構形成整體的一個重要連接樞紐；道床板質量是CRTSI型雙塊式無砟軌道施工中最重要也是最困難的一步，且在實際施工中很容易出現質量問題，加強對其質量的監控，有助于后期維護工作的順利進行[5-6]。

1.2二級指標體系構建探析

本節將針對各一級指標,分別構建能反映其特征的二級指標,以確保CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價工作的有效開展。對于各一級指標,可以從施工質量的控制標準,開展相應的評價工作,以保證質量評價工作的順利落實[7]。本文所構建的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價指標體系如表1所示。

表1中，根據評價對象不同，可以將一級指標進行組合，如評價路基、隧道段無砟軌道施工質量，可選軌枕預制質量、防水層質量、支承層質量、凹槽質量、道床板質量為指標；評價橋梁段無砟軌道施工質量，可選軌枕預制質量、防水層質量、底座板質量、凹槽質量、道床板質量為指標；選全線無砟軌道施工質量為評價對象，則選取全部指標，但必須根據全線路橋隧比例調整權重值，最終評價出該段線路無砟軌道的施工質量控制水平。

表1　CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價指標體系

2CRTSI型雙塊式無砟軌道項目施工質量評價方法

2.1模糊可拓物元綜合評價模型適用性分析

從上文所構建的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價指標體系中可以看到，該評價指標體系共包含6項一級指標及30項二級指標，涵蓋CRTSI型雙塊式無砟軌道施工過程中與其質量相關的所有結構組成成分，是一個極其復雜的多指標系統[8]。與此同時，有些二級指標能夠直接用具體的統計數據表示，有的卻不可以定量化，需要通過定性描述來確定。因此，必須構建一種能夠對CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量進行綜合分析、并能夠綜合處理定量化指標和定性化指標的決策模型。

模糊可拓物元綜合評價模型是模糊綜合法與多指標可拓物元評價法相結合的一種綜合分析法[9]。模糊物元由對象、特征、模糊量值3個要素構成，是一種將定性與定量相結合來描述待評事物屬性的特殊方法，能比較全面地考慮各個影響因素,計算各個指標與評價等級的關聯度,評價出CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量。而層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一種簡單方便的客觀指標權重確定法，主要通過下層指標對上層指標的貢獻度來確定各層次的權重[10]。

以上分析可知, 模糊可拓物元綜合評價法和AHP方法的基本思路,與高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價的目的一致[11-13]。因此，將模糊可拓物元綜合評價法引入到CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價中，具有非常好的符合性，能夠保證評價工作順利進行，實現評價效果的真實性和有效性。

2.2AHP法確定權重系數

層次分析模型本質就是分析問題所包含的影響因素及他們之間的相互關系，所要解決的問題是關于最低層對最高層的相對權重問題，而CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量是多個因子共同作用的結果,不同因子對CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量的影響程度存在著差異,因而需要考慮不同構成因子的相對重要程度。因此，在CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價中采用層次分析法進行權重的確定。

本文以整條線路為評價對象，則其權重的計算步驟如下。

1)建立遞階層次分析模型

本文在確定權重時，綜合考慮各級指標之間的聯系，將CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價層次結構分為頂層、中間層和底層共三個層次，其層次分析結構如圖1所示。

圖1　CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量層次分析結構圖Fig.1 CRTSI double block ballastless track construction quality analytic hierarchy chart

2)構造各層的判斷矩陣

設第1層為A層，即CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量；第2層為B層，包括軌枕預制質量，防水層質量，支承層質量，底座板質量，凹槽質量，道床板質量6項。本文根據路橋隧比例及各項指標重要程度確定分值，最終計算出評價對象的權重值。對于同一層次B的n個指標，可兩兩比較得到判斷矩陣A，其元素為aij。

式中，aij(1?i,j?n)表示對于目標A，準則bi的重要性或貢獻度與bj的比值。aij的取值由德爾菲法采用1～9標度法確定，各級標度的含義見表2。判斷矩陣A中的值應該滿足：

3)計算權重及一致性檢驗

計算出判斷矩陣中每一行元素的乘積的n次方根，即：

(1)

對向量w=[w1,w2,……，wn]T做歸一化處理，各個指標的權重為：

(2)

計算一致性比例CR：

(3)

若CR>0.1說明判斷矩陣中元素aij的一致性估計太差，應重新估計；若CR≤0.1，則可認為該判斷矩陣的一致性是可以接受的，可用其歸一化向量作為權向量，否則要重新構造成對比較矩陣A，對aij加以調整。

表2　1～9標度的意義

2.3模糊可拓物元綜合評價模型構建具體流程

1)確定底層評價指標各等級的經典域與節域

(4)

式中：N0j為劃分的j個評價等級；Ci為評價等級Noj的特征；V0jn為關于特征Ci所規定的量值范圍，即各個評價等級關于對應特征Ci所取的數據范圍，即經典域。其中i=1,2,…,n，j=1,2,…,m。

2)確定評價等級的節域

(5)

式中：N為評價等級的全體;VPi為N關于Ci所取的量值范圍,即節域。

3)確定待評物元

對待評的CRTSI型雙塊式無砟軌道項目，將經檢測所得到的數據或分析的結果用物元表示，稱為該項目的待評物元。

(6)

式中：N0為待評項目；Vi為N0關于Ci的量值。

4)確定待評項目關于各等級評價的關聯度

(7)

式中：

(8)

5)帶入權重系數的關聯度計算

對于每個特征Ci ，取wi為權系數， 令

(9)

式中：Kj(p0)為待評項目P0關于各等級j的關聯度。

6)對待評項目第2層指標等級進行評定

j=1,2…m，則表示P0的評價等級已不在所劃分的各等級中，應舍去。

7)通過第2層指標對整個項目進行評價

經過步驟(6)后，得到了第2層指標的評價等級。將第2層指標的關聯系數乘以權重值，便可得到整個項目的評價結果。

3工程實例

3.1工程簡介

本文以HF客專MG段高鐵項目CRTSI型雙塊式無砟軌道為例，采用上述方法評價該段CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質量。該線路主要技術標準：1)鐵路等級：客運專線；2)正線數目：雙線；3)速度目標值：本線旅客列車設計速度250 km/h，跨線旅客列車運行速度200 km/h及以上，基礎設施預留進一步提速的條件，正線線間距采用5.0 m；④最大設計坡度：20‰；⑤最小曲線半徑：7 000 m。

3.2AHP法確定的指標權重

1)構造判斷矩陣

按照2.2節中確立的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價層次結構模型，以CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量為最高目標，即頂層A；以Bi(i = 1，2，…6)表示中間層；因素集Bij表示底層中的元素。

按照1～9標度法，根據路橋隧比例及各項指標重要程度，由專家確定各指標分值從而構造各層的判斷矩陣。本節只列出部分判斷矩陣的數據，包括CRTSI型雙塊式無砟軌道質量、支承層質量及凹槽質量判斷矩陣，如表3，表4和表5所示，其他指標的判斷矩陣本文不再贅述。

表3CRTSI型雙塊式無砟軌道質量判斷矩陣

Table 3 CRTSI double-block ballastless track quality judgment matrix

AB1B2B3B4B5B6B11533417B215115151719B3135111316B4135111518B514735114B6796841

表4　支承層質量判斷矩陣

表5　凹槽質量判斷矩陣

CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量判斷矩陣A(表3)的最大特征值為λmax=6.222，CI=0.044，RI=1.240，CR=0.035<0.1，A判斷矩陣通過一致性檢驗，可以被接受。支承層質量判斷矩陣(表4)的最大特征值為λmax=7.495，CI=0.082，RI=1.320，CR=0.062<0.1，B3判斷矩陣通過一致性檢驗，可以被接受。凹槽質量判斷矩陣(表5)的最大特征值為λmax=6.221，CI=0.044，RI=1.240，CR=0.035<0.1，B5判斷矩陣通過一致性檢驗，可以被接受。同理，可求出其他矩陣的一致性檢驗都能被接受，可用其歸一化向量作為各個層級的權重向量。

2)計算權重

通過對以上的判斷矩陣進行計算得到各層指標的權重值，如表6、表7所示。

表6　中間層指標權重值

表7　底層指標權重值匯總

3.3基于模糊可拓物元綜合評價模型的施工質量評價

本節以HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量為例，取表1所列指標作為評價體系，用模糊可拓物元綜合評價法進行質量水平評價。選取第一個一級指標軌枕預制質量進行分析，其他指標的分析計算方法相同，不再贅述。

1)定義各評價等級

定義評價等級: N01為不及格； N02為及格； N03為優良。

2)根據表1，構建二級指標的經典物元和節域物元。根據現場數據及專家經驗，將二級指標體系對軌枕預制質量的影響程度分類情況列表，如下表8所示。

根據表7構建軌枕預制質量評價指標分類量值范圍表,邀請專家打分并進行標準化處理確定的軌枕預制質量經典物元(R011，R021，R031)和節域物元(R0p1),如下：

3)確定待評物元及關聯矩陣

根據軌枕預制質量評價指標分類量表及現場數據，確定該項目的物元R01。

由關聯矩陣可知：K1*(B11)=K12(v12)=0.33；K2*(B12)=K23(v23)=0.2， K3*(B13)=K33(v33)=0.8，K4*(B14)=K42(v42)=0.1，K5*(B15)=K52(v52)=0.2，K6*(B16)=K63(v63)=0.33，即軌枕長度質量水平處于及格級，枕底至承軌槽面高度水平處于優良級；相鄰梁端高差質量水平處于優良級；承軌槽寬度質量水平處于及格級；鋼筋安裝質量水平處于及格級；承軌槽表面平整度質量水平處于及格級；兩承軌臺之間的相對扭曲質量水平處于優良級。

4)計算一級指標綜合關聯度

將表7所示的權重值帶入計算，得到一級指標的綜合關聯度，將多指標評價歸結為單目標評價，便于后續分析，如表9所示。

表8　軌枕預制質量評價指標分類量值范圍

注:鋼筋安裝質量根據上排鋼筋距軌枕頂面距離允許偏差±3mm；上下排鋼筋間距離允許偏差±3mm綜合評分。

表9　軌枕預制質量關聯度計算分析

由表9可知，軌枕預制質量水平處于優良級，關聯系數K(B1)= K(B13)=0.126。

同理求得防水層質量；支承層質量；底座板質量；凹槽質量；道床板質量的關聯度，得出一級指標關聯度表，如表10所示。

表10　一級指標關聯度

5)綜合評定HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量

經過上述計算，得到HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價的關聯度表，如表11所示。

由表11可知，HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道項目施工質量水平處于優良級，關聯系數K(A)= K(B1)=0.045。但是對于一級指標處于及格級的防水層B2、底座板B4、凹槽B5，運營期間運營部門需要加強監測，并分析監測數據，組織相關單位的相關人員提出修復措施，以保證運營安全。

表11　目標層A的關聯度

4結論

1)構建CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價指標體系，確定運用模糊可拓物元綜合評價模型來評價CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量，并就模糊可拓物元綜合評價模型對CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價的適用性進行分析，研究結果表明該方法對CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價有很好的適用性。

2)基于已建立的CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量評價指標體系，以HF客專MG段CRTSI型雙塊式無砟軌道施工質量為對象進行實證研究，評價其施工質量控制水平，不僅可以應用評價結果為項目的運營養護提供可參考的數據支撐，還驗證出該評價體系合理可行。

3)該研究成果可為高速鐵路CRTSI型雙塊式無砟軌道的施工質量提供評判依據，有廣泛的適用性，并可促進我國高速鐵路無砟軌道施工質量管理的科學實施。

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Research on the construction quality evaluation system of High-speed railwayCRTSI double-block ballastless track

LI Na1, CHEN Huihua2, ZHANG Hui3

(1. The Third Survey and Design Institute of China Railway , Tianjin 300000, China;2.School of Civil Engineering ,central South University, Changsha 410075, China;3.Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Abstract：This paper established the CRTSI double block ballastless track construction quality evaluation system, combined AHP of the systems engineering and Fuzzy Extension Matter Element Comprehensive Evaluation of Extenics, determined the matter element fuzzy comprehensive evaluation model to evaluate the CRTSI double block ballastless track construction quality，and made an empirical research. The objective was to achieve the final product of CRTSI double block ballastless track construction control that meets the quality requirements, and to provide high-speed train ridability, safety and durability for achieving operational safety and sustainable development of high-speed railway and promoting high-speed railway ballastless track construction quality management improvement and maturity. In addition, the results can provide evaluation basis for the construction quality of high-speed railway CRTSI Double-block Ballastless Track. The findings have a wide range of applicability and can promote scientific implementation of high-speed railway ballastless track construction quality management.

Key words：High-speed railway; ballastless track; construction quality assessment; fuzzy extension matter element comprehensive evaluation

收稿日期：2015-11-15

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378509);湖南省軟科學研究計劃項目(2014ZK3079)

通訊作者：陳輝華(1976- )，男，湖南新寧人，副教授，博士，從事工程管理研究;E-mail:chh24770@163.com

中圖分類號：U29

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0812-09