模糊評價法在公路隧道洞門效果評價中的應(yīng)用

韓 劍

0 引言

隨著國內(nèi)公路網(wǎng)的建設(shè),公路隧道數(shù)量不斷增加,隧道洞門形式更是趨于變化多樣,但是現(xiàn)在還沒有一套成熟、合理的隧道洞門形式評價方法,給隧道洞門的發(fā)展造成了障礙。

在我們進(jìn)行洞門形式的評價時,不能僅僅依據(jù)眼前的洞門形式就草率作出評判,一個好的洞門形式不僅要有令人賞心悅目的洞口景觀,良好的進(jìn)入條件,而且還得設(shè)計合理,結(jié)構(gòu)安全,與周圍地質(zhì)、地形條件相適應(yīng),同時還得在相應(yīng)預(yù)算的情況下,適應(yīng)一定施工隊伍的施工水平,另外,隨著“零開挖”理念的深入人心,洞口開挖量的多少也逐漸成為了洞門評判的條件之一。

面對如此復(fù)雜的洞門評判條件,尋找一套合理簡便的操作方法成為當(dāng)務(wù)之急。本文推薦一種方法——模糊層次分析法(FAHP)和模糊綜合評價法。

1 模糊評價方法

1.1 模糊層次分析法

模糊層次分析法(FAHP)是從層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上提出來的,AHP是美國運(yùn)籌專家,匹茲堡大學(xué)的A.L.Saaty教授于20世紀(jì)70年代提出的一種定性分析和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,這種分析方法是目前系統(tǒng)工程用于處理定性與定量結(jié)合的一種比較簡便易行且行之有效的系統(tǒng)分析方法[1]。

1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評判方法,該綜合評價法是根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價,即用模糊數(shù)學(xué)對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體評價。它具有結(jié)果清晰,系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn),其評價結(jié)果不是絕對地肯定或否定,而是以一個模糊集合來表示[2]。

2 評價步驟

1)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。

2)得出兩兩因素比較的隸屬度,構(gòu)造模糊互補(bǔ)矩陣,再利用模糊互補(bǔ)矩陣與模糊一致矩陣的關(guān)系,構(gòu)造模糊一致矩陣。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]模糊一致矩陣的定義為:

若模糊矩陣 R=(rij)n×n滿足rij=rik-rjk+0.5(i,j,k∈Ω),R是模糊一致矩陣。

到目前為止,已經(jīng)有多種構(gòu)造模糊一致矩陣的方法,這些方法大致可分為兩類:一類是基于模糊互補(bǔ)矩陣,一類是基于一致判斷矩陣的方法[4]。本文采用基于模糊互補(bǔ)矩陣方法。

首先對模糊互補(bǔ)矩陣 R=(rij)n×n按行求和,i=1,2,3,…,n 。

再施之如下數(shù)學(xué)變換構(gòu)造模糊一致矩陣:

b的取值存在爭議,本文參考文獻(xiàn)[5]選取 b=2n。

3)層次單排序——根據(jù)模糊一致矩陣的性質(zhì),可求得各層元素的權(quán)重值 wi。

4)用模糊綜合評價方法進(jìn)行綜合評價,設(shè)定這些因素所能選取的評審等級,組成評語的模糊集合,即建立評價集 V[8]。評價集可取 V={優(yōu)(v1),良(v2),中(v3),差(v4)},分別求出各單一因素對各個評審等級的隸屬程度,以各因素評判集的隸屬度為行組成單因素評價矩陣R。

5)根據(jù)各個因素在評價目標(biāo)中的權(quán)重分配,通過模糊矩陣運(yùn)算,求出模糊評價集 B=A0R,其中,“0”表示某種合成運(yùn)算[9];B為U中所有因素的綜合評價結(jié)果,它表示評價對象按所有各類因素評價時,對評價集中第 k級的隸屬度,再由對最大隸屬度原則或加權(quán)平均法定出最終評價結(jié)論[10]。

3 洞門形式評價實(shí)例

3.1 工程概況

某隧道穿行于六盤山中山地貌中,地形起伏較大,地面高程變化在1 534.0 m～1 898.5 m之間,隧道與橋梁直接相接,屬于典型的山區(qū)隧道。洞口仰坡坡度40°左右,邊坡表層為風(fēng)化坡積土層,圍巖以Ⅴ級為主。隧道洞門結(jié)合實(shí)際地形、地質(zhì)情況選定,左右線進(jìn)出口均采用直切式,洞門修建完成后邊仰坡擬采用低矮灌木綠化恢復(fù)。隧道地處甘肅東部,屬于典型漢族地區(qū),區(qū)域特色并不明顯。

3.2 模糊評價

1)建立層次結(jié)構(gòu)模型,考慮到洞門評價的指標(biāo)繁多,為了更客觀的反映洞門的綜合效果,本文選取了設(shè)計、施工、運(yùn)營與景觀三個主要因素作為準(zhǔn)則層(見圖1)。

2)用FAHP求解評價指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)圖1層次結(jié)構(gòu)模型,并參照對各因素的定性分析,對各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較其相對重要性,構(gòu)造模型的模糊互補(bǔ)矩陣如表1所示,然后利用基于模糊互補(bǔ)矩陣構(gòu)造模糊一致矩陣的方法構(gòu)造模糊一致矩陣,見表2。然后進(jìn)行層次單排序。在排序公式中,取a =。

表1 準(zhǔn)則層之間的模糊互補(bǔ)矩陣

表1中B1與B2比較是0.45,表明隧道洞門施工比設(shè)計稍微重要一些,之所以基于這樣的考慮,主要是從當(dāng)今環(huán)保的理念出發(fā),即在施工中要盡量的做到少開挖,甚至零開挖,以達(dá)到對自然生態(tài)的最大保護(hù),所以這里將施工考慮的比設(shè)計更重要一些。另外由于次洞門沒有人文景觀等方面的要求,所以景觀要求相對于設(shè)計與施工所占的比重要小一些。

表2 準(zhǔn)則層之間的模糊一致矩陣及權(quán)重

通過表2得出準(zhǔn)則層的相對權(quán)重分別是:0.341 7,0.358 3,0.300 0。

下面可用同樣的方法計算各子準(zhǔn)則層(方案層)指標(biāo)之間的相對權(quán)重,見表3～表5。

表3 準(zhǔn)則B1的模糊一致矩陣及權(quán)重

表4 準(zhǔn)則B2的模糊一致矩陣及權(quán)重

表5 準(zhǔn)則B3的模糊一致矩陣及權(quán)重

3)用模糊綜合評價方法對隧道洞門進(jìn)行綜合評價。FAHP算法可以定量地計算出影響隧道洞門各個指標(biāo)的相對重要程度,但是不能定量地計算。為此,采用模糊綜合評價方法對隧道洞門形式進(jìn)行評價。

由專家組成的評判小組根據(jù)各指標(biāo)包含的具體評價要求,給定評語 V={優(yōu)(v1),良(v2),中(v3),差(v4)}。其中設(shè)計中各指標(biāo)打分見表6。

表6 設(shè)計各指標(biāo)專家打分表

從表6可知,對于隧道洞門結(jié)構(gòu)安全度該組專家認(rèn)為優(yōu)秀的有35%,認(rèn)為良好的有 50%,另外有15%的人評定為中等,沒有人認(rèn)為洞門結(jié)構(gòu)安全度較差。

根據(jù)最大隸屬度原則可知,該隧道洞門綜合評價等級為良好,這也和我們常規(guī)判斷相吻合。

4 結(jié)語

1)模糊層次分析法和模糊綜合評價法是定性分析和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法,可以用于隧道洞門的評價;2)在確定各指標(biāo)權(quán)重時要因地制宜,根據(jù)隧道洞門所處的地形、地質(zhì)條件、施工情況、運(yùn)營景觀要求等進(jìn)行綜合比較與權(quán)衡之后確定;3)對隧道洞門能夠進(jìn)行評價本身就是一種決策的過程,希望模糊層次分析法和模糊綜合評價法能夠在隧道洞門的決策中起到一定的作用。

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