地下商場施工方案的優(yōu)化研究

黃 鑫

（湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004）

1 優(yōu)化原則

在深圳市中信廣場地下工程B區(qū)的施工方案優(yōu)化研究中，把整個優(yōu)化工作分為如下幾部分：超前支護方案的優(yōu)選，施工方法的優(yōu)化分析，穩(wěn)定掌子面的方案優(yōu)選，臺階長度的優(yōu)化分析，控制地層松弛加固地層方法的優(yōu)選等。方案優(yōu)化的原則主要有

(1) 確保地面主干道行車速度和地下管線的正常運營，保證城市的正常生活，對地面靈敏目標(biāo)處的沉降進行觀測和控制；

(2) 有較強的操作性，充分考慮我們現(xiàn)階段的施工技術(shù)水平以及本工程的具體特點；

(3) 靈活性好，應(yīng)變能力強，根據(jù)斷面形狀和地質(zhì)條件因地制宜的選擇施工方案，一旦出現(xiàn)施工災(zāi)害，能迅速采取措施；

(4) 具有可連續(xù)性，兼顧前后施工工序的銜接；

(5) 具有較好的社會效益與經(jīng)濟效益，在保證工期、確保結(jié)構(gòu)和環(huán)境安全的條件下降低工程造價。

2 施工方案的比選

近年來，國內(nèi)外在隧道及地下工程施工技術(shù)方面發(fā)展十分迅速，傳統(tǒng)的施工方法得到了改進，新的施工技術(shù)不斷出現(xiàn)。每一種施工方案都有其特點，對于工程建設(shè)來說，根據(jù)工程的實際情況，充分利用各種施工方法，合理把握它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，從幾個擬選的方案中選擇一個相對最優(yōu)的方案。在這里，引入模糊控制原理，并以此建立技術(shù)經(jīng)濟分析模型，對施工方法進行比較。所謂技術(shù)經(jīng)濟分析，即通過一定的理論模型在施工方案比選時把技術(shù)與經(jīng)濟有機結(jié)合，側(cè)重考慮施工方案的各個約束條件，并對各個約束條件的內(nèi)在聯(lián)系進行全面分析，從而使設(shè)計方案達到綜合最優(yōu)。

(1) 模糊邏輯控制系統(tǒng)的組成

模糊邏輯控制系統(tǒng)主要由模糊化、知識庫(含數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫)、推理決策和精確化計算四部分組成，完成模糊化、模糊推理(利用知識庫)和精確化三個過程的任務(wù)。

① 模糊化

模糊化就是把精確數(shù)字轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)的過程。為了實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)化，首先應(yīng)該把觀測值論域上的語言變量表示成模糊集，其次要確定相應(yīng)的隸屬函數(shù)。

② 模糊推理

模糊推理是根據(jù)知識庫中的知識來進行推理的過程。

③ 反模糊化

這是將模糊數(shù)精確化的過程，因為在控制中往往需要的是精確的輸出控制量。反模糊化的方法很多，如最大隸屬度函數(shù)法、加權(quán)平均法、重心法等。

(2) 施工方案優(yōu)化設(shè)計算法

在隧道施工方案的選擇過程中，每一種方案都有各自的特點，如有的工期短，有的造價低，有的安全性好，有的對環(huán)境影響小等，因此，它是一個多目標(biāo)決策過程。設(shè)考慮的目標(biāo)數(shù)為n，擬定的可行方案數(shù)為m，由m個決策方案組成的方案集A＝{A1，A2，…，An}，其決策矩陣陣可表示為D＝[D]＝(dij)m×n.。

① 評價指標(biāo)的確定

對隧道施工技術(shù)方案進行指標(biāo)估測，是一個涉及多方面的復(fù)雜問題。因為對于任何一個施工方案來說，其施工環(huán)境要求、安全性與與造價等因素都有其特別的一面；另外，由于地下工程的特殊性，工程施工時不可預(yù)測的因素也占一定的比例，因此，為在設(shè)計階段控制好各項設(shè)計指標(biāo)，就必須對所有情況進行綜合分析，并控制好不可預(yù)見因素的比例。具體來說，隧道施工影響因素有以下幾個方面：

1) 安全因素：眾所周知，安全施工是隧道與地下工程施工首要考慮的因素，確保地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和避免施工災(zāi)害的發(fā)生。

2) 環(huán)境因素：隨著我國社會的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識不斷增強，總的來說，隧道開挖對環(huán)境的影響程度與周邊情況、地質(zhì)條件有關(guān)，為了對不同施工方案的工程效應(yīng)進行評價，環(huán)境影響因素也成為工程總的評判因素之一。

3) 造價因素：造價估測主要包括支護結(jié)構(gòu)的施工費（人工費、設(shè)備費）、支護結(jié)構(gòu)的材料費、材料運輸費、土方開挖及運輸費、環(huán)境保護費、試驗觀測費等。整個費用計算可采用國家(部)定額與地方有關(guān)法規(guī)相結(jié)合的原則。

4) 施工速度因素：施工速度關(guān)系著工期，總的來說施工速度與施工方法相對應(yīng)，但同時也應(yīng)看到，即使是同一施工方案，它也隨著外部因素（天氣變化、突發(fā)性事件、地層突變）和內(nèi)部因素（施工組織設(shè)計）的變化而存在著差異。總的來說，在保證施工質(zhì)量的前提下，施工速度越快，該工程項目的效益愈好，因此施工速度也作為一個評判因素。

5) 不可見因素：如前所屬，為了更科學(xué)地反映地基處理的設(shè)計與施工間的聯(lián)系，在對設(shè)計進行評價是必然要加上不可見因素這項指標(biāo)。

因此，常選擇上述因素作為地下工程施工方案的評價指標(biāo)。

② 用模糊控制原理進行方案優(yōu)化

1) 定性變量的模糊化。一般對于定性變量，可以通過一些語言變量進行描述，如“差”、“中”、“好”等等，這些語言變量又都可以用不同的模糊集來表示。這里用三角形隸屬函數(shù)來表示一個模糊集，于是各定性目標(biāo)和定性權(quán)重可分別記為及 Rij(rlij，r2ij，r3ij)和 Wi(w1i，w2i，w3i)(i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n)，其中 Rij代表第i個方案中第j個定性目標(biāo)的模糊數(shù)，Wi指第i個目標(biāo)權(quán)重的模糊數(shù)。

2) 將各定量值轉(zhuǎn)換成相對隸屬度值。設(shè)在決策子矩陣D＝(dij)m×n中，dij是方案j(j=1，2，…，n)的第 i(i＝1，2，…，m)個定量目標(biāo)值。為增加目標(biāo)可比性，需對目標(biāo)作歸一化，對效益型目標(biāo)(即目標(biāo)值越大越好)和成本型目標(biāo)(即目標(biāo)值越小越好)，分別用公式(7)和(8)轉(zhuǎn)化成相對隸屬度矩陣R=(Rij)m×n

3) 利用各語言變量的隸屬函數(shù)，求出 Rij對于某語言變量 k的隸屬度其中 Ak為語言變量 k的模糊集，寫成三角形分量式是

若設(shè)對于Rij，隸屬度不為零的模糊集個數(shù)為l，此時，Rij也可看作一個定性值Rij，它由l個模糊數(shù)乘以各自的相對隸屬度組成，即

其中，⊕僅表示入由2個模糊數(shù)組成，不具有任何運算功能。

設(shè)權(quán)重為Wi(w1i，w2i，w3i), 則由公式(2)和(4)，模糊評價Fij的結(jié)果為

4) 利用重心法，求出精確輸出值uij

5) 于是方案j的定量目標(biāo)綜合評價值為

由vj根據(jù)增大隸屬度原則，即可得到最優(yōu)方案。

3 . 施工方案優(yōu)化

在選定了超前支護方案施工方法后，就可在目前國內(nèi)外常用的施工方法中，根據(jù)施工經(jīng)驗和施工效應(yīng)研究的結(jié)論，并考慮地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、管線沉降的控制值，施工條件等因素，分別選用不同的施工方法。應(yīng)用平面彈塑性有限元程序，以結(jié)構(gòu)西側(cè)的煤氣管線的沉降和最大地表沉降為控制目標(biāo)，模擬分析了圖 1中五種不同施工方法的施工效應(yīng)，計算結(jié)果及各種施工方法的比較見表1。

圖1 施工方案的開挖有平面限元圖示

評價支護方案優(yōu)劣的主要依據(jù)是造價、工期、環(huán)境影響、安全性及不可見因素等。其中環(huán)境影響為定量指標(biāo)，其余為定性指標(biāo)，可按其相對重要程度用0～1間的數(shù)值進行量化，這種量化需有經(jīng)驗的專家才能確定較精確的數(shù)值。按上述方法，5種支護方案的量化指標(biāo)見表 1,?，F(xiàn)將權(quán)重以定性值給出，即(“一般”、“一般”、“重要”、“重要”、“不重要”)，用模糊數(shù)表示為 W＝(ZE，ZE，PⅠ，PⅠ，NⅠ)，各語言變量的隸屬函數(shù)見圖4-7。

表1 支護方案的量化指標(biāo)

利用式(1-1)、(1-2)對表中的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，求得相對隸屬度矩陣為：

然后，求出 R中各定量值對于各模糊集{NV, NⅠ, ZE, PⅠ, PV}的相對隸屬度按公式求出j方案中i目標(biāo)的評價指標(biāo)uij。最后，由公式(1-1)得到方案j的最終綜合評價值vj，vj從大到小排列的順序也就是方案的優(yōu)選順序。按上述方法得到vj=(2.475，1.513，1.965，2.027，2.334)，則優(yōu)劣排序為A＞E＞D＞C＞B，方案A為最滿意方案。

4 方案實施

根據(jù)上述的施工方案的優(yōu)化分析，制訂如下施工路線：首先，在主體通道的兩端開挖1＃和2＃豎井，同時進行豎井的支護；第二，以豎井為工作基地，向北開挖橫通道；第三，待橫通道的支護達到設(shè)計強度后，在主體通道的兩端對打Φ159的大管棚，然后按照優(yōu)選的施工方案進行主體結(jié)構(gòu)的開挖、初期支護；最后，在主體開挖完成后，再分段分部進行二次襯砌，拆除臨時支護。

[1]王夢恕. 地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論. 北京: 科學(xué)出版社, 2004

[2]錢家歡, 殷宗澤. 土工原理與計算. 北京: 中國水利水電出版社, 1996

[3]王暖堂 大斷面渡線隧道淺埋暗挖施工技術(shù)剖析. 鐵道建筑，2000年第11期