一种高速铁路路基上拱变形评价方法及设备与流程

本发明为铁路，涉及铁路路基上拱变形危险性评价技术，特别是一种高速铁路路基上拱变形评价方法及设备。

背景技术：

1、随着我国铁路网建设逐步完善，一些铁路穿越大量红层软岩地层，红层是指在侏罗纪、白垩纪、三叠纪和古近纪形成的，主色调为红色的泥岩、粉砂岩、砂岩等岩性的一套陆相、湖相及河湖交替相碎屑岩，在我国各地区都有广泛分布，尤其以四川盆地分布最多。

2、与常规普速铁路不同，高速铁路对路基的稳定性有很高的要求，我国对无砟轨道路基的沉降要求小于15mm，桥台台尾过渡段路基的沉降要求在5mm以内。近年来，随着我国高速铁路的快速发展，红层地区高铁路堑发生了多起路基隆起灾害，如成渝客运专线内江北站出现了严重的基底隆起，上拱变形量最大可达93.9mm，严重威胁到高速铁路运营安全，红层地区的基底上拱病害成为亟需解决的问题。如何识别关键影响因子，并准确、有效地评估路基上拱变形风险，对高速铁路路基施工建设及安全运营具有重要的工程实际意义。

3、大量理论研究和工程实践表明，路基上拱变形主要和岩石性质、岩层特征、路堑特征等因素密切相关，然而现有的变形预测方法主要通过数值模拟方法或半定性半定量方法预测路基上拱变形等级，由于路基工程地质条件的复杂性以及上拱变形评价系统的多变量、强干扰等特点，数值模拟方法和半定性半定量方法严重依赖于专家经验和主观赋值，评价结果受主观因素影响较大，工程实际应用时一定程度上取决于从业人员的专业知识，对从业人员要求较高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术存在的现有高速铁路路基上拱变形预测方法中，严重依赖于专家经验和主观赋值，评价结果受主观因素影响较大的问题，提供一种高速铁路路基上拱变形评价方法及设备。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供了一种高速铁路路基上拱变形评价方法，包括以下步骤：

4、s1、将路基上拱变形分为多个危险性等级，对路基上拱变形的影响因素进行定量化处理，基于危险性等级和影响因素构建高速铁路路基上拱变形评价指标体系；

5、s2、获取铁路路基各个里程段所有评价指标的数据；

6、s3、基于铁路路基各个里程段的各评价指标的数据，采用不同的权重确定方法计算各评价指标的主观和客观权重系数，引入距离函数建立综合赋权方法，确定各评价指标的综合权重系数；

7、s4、基于工效指数法和危险性等级，确定评价指标的理想值与不理想值，构建单项工效指数函数和总工效指数函数，建立铁路路基上拱变形危险性评价的工效指数法模型；

8、s5、将待评估高速铁路路基各里程段评价指标的数据输入工效指数法模型，得到路基上拱变形评估结果。

9、作为本发明优选地技术方案，步骤s1中，路基上拱变形的影响因素包括路堑中心高度、路堑宽深比、岩层倾角、砂泥页岩互层特征、岩石饱和单轴抗压强度、岩石膨胀性、地下水和最大主应力。

10、作为本发明优选地技术方案，步骤s1中，路基上拱变形的危险性等级包括无变形、轻微变形、中等变形、严重变形。

11、作为本发明优选地技术方案，步骤s1中，对路基上拱变形的影响因素进行定量化处理包括：

12、路堑中心高度按照无变形(≤20m)、轻微变形(20～30m)、中等变形(30～40m)、严重变形(>40m)划分；

13、路堑宽深比按照无变形([0,0.6)∪(3.6,+∞))、轻微变形([0.6,1.2)∪(3.2,3.6])、中等变形([1.2,2.0)∪(2.8,3.2])、严重变形([2.0,2.8])划分；

14、岩层倾角按照无变形(≥15°)、轻微变形(10～15°)、中等变形(5～10°)、严重变形(<5°)划分；

15、砂泥页岩互层特征无变形(砂岩、砂岩夹泥页岩(<4))、轻微变形(砂泥页岩互层(4～5))、中等变形(泥页岩夹砂岩(5～6))、严重变形(泥岩、页岩(≥6))划分；

16、岩石饱和单轴抗压强度按照无变形(≥10mpa)、轻微变形(6～10mpa)、中等变形(2～6mpa)、严重变形(<2mpa)划分；

17、岩石膨胀性按照无变形(无膨胀性(<4))、轻微变形(弱膨胀性(4～5))、中等变形(中膨胀性(5～6))、严重变形(强膨胀性(≥6))划分；

18、地下水按照无变形(干燥(<2))、轻微变形(干燥～渗水(2～3))、中等变形(渗水～滴水(3～6))、严重变形(滴水～线状流水(≥6))划分；

19、最大主应力按照无变形(<0.5mpa)、轻微变形(0.5～1.0mpa)、中等变形(1.0～1.5mpa)、严重变形(≥1.5mpa)划分。

20、作为本发明优选地技术方案，步骤s2中，通过现场地质勘察、钻孔取芯、室内岩石试验、路基设计、理论计算法和工程类比法中的一种或多种结合，确定铁路路基各个里程段所有评价指标的数据。

21、作为本发明优选地技术方案，步骤s3中，采用层次分析法计算路基上拱变形各评价指标的主观权重，采用熵权法计算路基上拱变形各评价指标的客观权重。

22、作为本发明进一步优选地技术方案，熵权法是根据评价指标的熵值大小来计算各评价指标的权重，在工效指数法模型中，先建立原始数据矩阵e，包括m个评价对象，n个评价指标：

23、

24、路基变形评价指标分为效益型指标和成本型指标，经量纲归一化处理得到：

25、

26、式(2)中的eij为第i个对象对第j个评价指标的数值，maxj(eij)和minj(eij)分别为第j个评价指标中所有对象数值中所取的最大值和最小值；

27、计算得到标准化后的矩阵x：

28、

29、在一个有m个评价对象和n个评价指标的工效指数法模型中，第i个评价对象对第j个评价指标的熵qj及评价指标j的熵权wj根据下式计算：

30、

31、作为本发明进一步优选地技术方案，层次分析法是通过对路基上拱变形评价指标进行层次划分，确定相应的目标层、准则层和子准则层；采用层次分析法中的1到9级标度法构建每一层对上一层的判断矩阵，对同一层各因素与上一层对应准则的重要性进行两两比较，求得最大特征值以及特征向量后，经过归一化处理后得到各级影响因子的权重；

32、采用方根法计算判断矩阵各行元素的mi:

33、

34、式(5)中aij为准则层或子准则层中两两比较的重要性标度，重要性标度为1-9以及1-9的倒数；

35、计算mi的n次方根：

36、

37、对进行归一化处理，得到指标权重wi：

38、

39、进行一致性检验并修正，一致性指标ci公式如下：

40、

41、式(8)中λmax为判断矩阵的最大特征根，n为判断矩阵的阶数；

42、当判断矩阵的随机一致性比例cr小于0.1时认为层次分析法确定指标的权重系数wj是合理的；否则调整判断矩阵的评价因子，重新计算，直至满足一致性标准；随机一致性比例cr公式如下：

43、

44、式(9)中ri为判断矩阵的平均随机一致性指标。

45、作为本发明进一步优选地技术方案，步骤s3中，引入距离函数建立综合赋权方法包括：设层次分析的指标权重为wi，熵权法的指标权重为wj，二者的距离函数为df(wi,wj)，则其表达式为：

46、

47、设组合权重为w，则表达式为：

48、w＝mwi+nwj                                      (11)

49、式中，m和n分别为层次分析法和熵权法的分配系数，则其约束条件为：

50、

51、作为本发明优选地技术方案，步骤s4中，高速铁路上拱路基变形危险性评价中的单项工效指数分为极大限值变量和极小限值变量；

52、极大限值变量单项工效指数shd1i：

53、

54、极小限值变量单项工效指数shd2i：

55、

56、式中：xi为第i(i＝1，2，…，m)个评价指标的实际值，ehi为第i个评价指标的理想值，esi为第i个评价指标的不理想值；

57、计算评价指标的总工效指数值：

58、

59、式中：shd为评价指标的总工效指数，shdi为第i个评价指标的单项工效指数，w为第i个评价指标的权重系数。

60、作为本发明进一步优选地技术方案，在高速铁路路基上拱变形评价指标体系中，岩层倾角和岩石饱和单轴抗压强度属于极大限值变量，按式(13)计算；路堑中心高度、砂泥页岩互层特征、岩石膨胀性、地下水和最大主应力属于极小限值变量，按式(14)计算；路堑宽深比同时属于极大限值变量和极小限值变量，需结合式(13)和(14)计算。

61、作为本发明进一步优选地技术方案，根据式(15)计算总工效指数值，并将其作为高速铁路路基上拱变形危险性等级的综合评价值，总工效指数值越大，评价的路基上拱变形等级越高，高速铁路路基上拱变形风险越高，其中总工效指数值与路基上拱变形危险性等级关系为：无变形的总工效指数值小于70，轻微变形的总工效指数值为大于或者等于70、且小于80，中等变形的总工效指数值为大于或者等于80、且小于90，严重变形的总工效指数值大于或者等于90。

62、作为本发明优选地技术方案，该高速铁路路基上拱变形评价方法还包括步骤：

63、s6、根据评估得到的铁路路基上拱变形的位置及危险性等级，采取提高铁路路基稳定性的开挖方式及支护结构措施，从而降低铁路路基出现上拱变形灾害的危险性等级和比例。

64、第二方面，本发明还提供了一种高速铁路路基上拱变形评价设备，利用如以上任一项所述的高速铁路路基上拱变形评价方法，该设备包括：

65、采集模块，用于采用路基上拱变形的影响因素的数据；

66、输入模块，用于将影响因素的数据输入工效指数法模型；

67、第一计算模块，用于计算路基段各评价指标的客观权重、主观权重以及组合权重系数；

68、第二计算模块，用于计算各路基段的单项工效指数值及总工效指数值；

69、输出及存储模块，用于输出并存储高速铁路各路基段上拱变形的危险性等级。

70、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

71、1、本发明所述的一种高速铁路路基上拱变形评价方法，首次将工效指数法引入到高速铁路路基上拱变形危险性评价，基于工效指数法的理论及计算规则，提出并构建了高速铁路路基上拱变形危险性评价的工效指数模型；

72、2、本发明所述的一种高速铁路路基上拱变形评价方法，综合考虑红层地区路基地质条件的复杂性及评价指标的全面性，选取八个典型指标构建了完善的路基上拱变形评价指标体系，并首次对砂泥页岩互层特征、岩石膨胀性和地下水因素进行定量化处理，考虑指标全面、易于获取，结果可信度高；

73、3、本发明所述的一种高速铁路路基上拱变形评价方法，结合层次分析法和熵权法，通过引入距离函数判别法，将主观权重和客观权重进行耦合并建立组合赋权方法，解决了单一主观或客观方法计算指标权重的差异性问题，使得路基上拱变形评价指标权重的确定更加合理、可靠；

74、4、本发明所述的一种高速铁路路基上拱变形评价方法，通过大量路基上拱变形数据统计，将工效指数模型应用成渝客运专线深埋路堑上拱变形危险性评价，其结果与工程实际情况基本一致，准确率达到87.5％，该模型的预测精度更高，工程实用性强。