基于AHP法的長(zhǎng)大隧道施工方案優(yōu)化研究

趙朋輝, 孫斌, 林亞星, 劉海燕

(1.上海?？乒こ套稍?xún)有限公司, 上海 200231; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031;3.中國(guó)石油四川銷(xiāo)售分公司, 四川 成都 610015)

基于AHP法的長(zhǎng)大隧道施工方案優(yōu)化研究

趙朋輝1, 孫斌1, 林亞星2, 劉海燕3

(1.上海?？乒こ套稍?xún)有限公司, 上海 200231; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031;3.中國(guó)石油四川銷(xiāo)售分公司, 四川 成都 610015)

以佛山市汾江路南延線沉管隧道工程前期隧道選型為背景, 為了找出綜合效益最高的隧道施工方法, 為決策者提供支持.應(yīng)用AHP層次分析法, 結(jié)合工程實(shí)際情況, 從施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)適用性、工期造價(jià)、城市規(guī)劃等方面對(duì)沉管法和盾構(gòu)法兩種隧道修建工法進(jìn)行了多因素、全方位、定性和定量相結(jié)合的綜合比較.建立了層次結(jié)構(gòu)模型,判斷矩陣,進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)并給出了定量的方案比對(duì)結(jié)果, 最終認(rèn)為沉管法修建隧道更具優(yōu)勢(shì), 為今后類(lèi)似問(wèn)題的思考提供了新的角度, 有一定的參考價(jià)值.

沉管法; 盾構(gòu)法; AHP法;最優(yōu)施工方案

引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn), 內(nèi)河及遠(yuǎn)洋航運(yùn)事業(yè)也蓬勃發(fā)展, 江河、海峽的通行要求越來(lái)越高, 人們對(duì)橋梁的跨度、凈空要求越來(lái)越大[1], 使其修建難度及造價(jià)大增, 更加安全、環(huán)保的水底隧道越來(lái)越受到重視.

隧道工程作為大型的工程建設(shè)項(xiàng)目, 需要消耗大量人和物的資源, 影響重大.不同的工法在很大程度上決定了工程項(xiàng)目的成本、質(zhì)量、效益, 因此在工法選擇時(shí)應(yīng)對(duì)施工方法進(jìn)行深入的分析, 應(yīng)用科學(xué)的方法選擇出綜合效益最高的方案, 切忌盲目上馬.我國(guó)目前關(guān)于施工工法的研究主要集中在解決局部技術(shù)問(wèn)題的最優(yōu)化方案比選, 如文獻(xiàn)[2]為了減少隧道開(kāi)挖引起的地層沉降和圍巖變形, 對(duì) 4種施工工法進(jìn)行了分析比選, 文獻(xiàn)[3]結(jié)合港珠澳大橋隧道工程, 從多方面對(duì)2種工法進(jìn)行了定性對(duì)比, 文獻(xiàn)[4]以寧波象山港海底隧道方案的比選為背景,對(duì)鉆爆發(fā)、盾構(gòu)法、沉管法三種隧道方案進(jìn)行了綜合的比選, 而從決策層面綜合考慮的相關(guān)研究不多.

本文結(jié)合具體工程, 從決策層面出發(fā), 考慮整個(gè)工程綜合效益, 應(yīng)用在各行各業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用及認(rèn)可的定性與定量相結(jié)合[5]的AHP法(層次分析法), 對(duì)長(zhǎng)大隧道工程施工方案進(jìn)行了優(yōu)化比選, 使方案更加科學(xué), 取得了較好的效益.

1 施工方案優(yōu)化模型

目前, 長(zhǎng)大隧道施工方案主要有兩種: 盾構(gòu)法施工方案和沉管法施工方案.

盾構(gòu)法作為目前較為主流的隧道工法之一, 從 1874年在英國(guó)發(fā)明至今, 技術(shù)已經(jīng)十分成熟, 因其安全、高效、對(duì)環(huán)境影響小和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[6], 在我國(guó)的隧道修建中廣泛的應(yīng)用, 其缺點(diǎn)在于斷面形狀選擇性小,對(duì)于復(fù)雜地層表現(xiàn)不佳等.雖然近年來(lái)我國(guó)在盾構(gòu)技術(shù)上取得了重大突破, 但實(shí)際建設(shè)施工中還是主要依賴(lài)進(jìn)口, 文獻(xiàn)[6]介紹了盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展歷程以及我國(guó)近年來(lái)自主研發(fā)、創(chuàng)新的盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù), 并展望了未來(lái)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展方向.

沉管法作為20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的新工法, 到現(xiàn)在世界上已經(jīng)修建了一百多座, 在步入21世紀(jì)后, 在我國(guó)呈現(xiàn)出井噴式發(fā)展的趨勢(shì), 目前我國(guó)正在規(guī)劃沉管隧道項(xiàng)目達(dá)十余座之多[7].具有埋深淺, 接線短[8]; 斷面形狀選擇性大; 隧道管節(jié)施工環(huán)境好, 施工工期短等諸多優(yōu)勢(shì);其缺點(diǎn)在于浮運(yùn)沉放技術(shù)要求高, 炸礁時(shí)對(duì)周?chē)ㄖ幸欢ㄓ绊? 施工占用資源多以及成本較高等.

1.1 工程概況

佛山市汾江路南延線隧道工程位于佛山市南部, 為佛山市重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目, 是連接佛山市老城區(qū)與新城區(qū)的城市主干道之一, 并與同址穿越東平水道的地鐵廣佛線二期工程合建.線路呈南北走向, 起點(diǎn)位于瀾石路與汾江路交匯點(diǎn)以北 250m處, 經(jīng)前進(jìn)路、東平路、向南穿過(guò)東平水道, 再經(jīng)天虹路至東平新城裕和路[5], 線路全長(zhǎng)約2.41km, 共分為南岸護(hù)岸, 南岸主體, 北岸護(hù)岸和北岸主體四個(gè)標(biāo)段.隧址范圍主要是強(qiáng)、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)粉砂巖, 南岸部分為填土層、粘土層和淤泥質(zhì)砂層, 北岸部分為填土層、殘積層和風(fēng)化巖層.東平水道隧址河道水面寬度約250米, 洪水期最大流速達(dá)3m/s以上, 枯水期斷面最大流速在1.0m/s以上.工程按城市Ⅰ級(jí)主干道、雙向六車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)行車(chē)速度為50km/h.

1.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

為了對(duì)兩種工法進(jìn)行比對(duì), 根據(jù)隧道工程修建考量的主要因素, 建立了三層結(jié)構(gòu)的層次模型, 處于相同層的因素從隸屬于其上一層的某一個(gè)因素, 其改變將會(huì)對(duì)上層因素產(chǎn)生影響, 而該層的各因素也會(huì)受到下一層多個(gè)因素的影響.目標(biāo)集合A為最優(yōu)隧道工法; 集合表示影響隧道工法選擇的主要因素, 分別為施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、地質(zhì)適用性、工期造價(jià)和城市規(guī)劃; 底層因素即為備選的兩種工法, 設(shè)為集合, 層次結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 隧道修建主要影響因素層次結(jié)構(gòu)圖

1.3 構(gòu)造成對(duì)判斷矩陣

1.3.1 中間層因素對(duì)比

為了了解中間層每個(gè)因素相對(duì)于目標(biāo)層的重要性, 利用 1-9標(biāo)度法對(duì)沉管法和盾構(gòu)法從施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、地址適用性、工期造價(jià)、城市規(guī)劃五個(gè)方面進(jìn)行兩兩對(duì)比, 按照其相對(duì)重要性給予評(píng)分, 最后得到判斷矩陣.1-9標(biāo)度法相對(duì)重要性標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 1-9標(biāo)度法

對(duì)中間層因素集合B={B1,B2,B3,B4,B5}的兩兩對(duì)比判斷矩陣B=(bij)5×5如下:

其中bij表示Bj因素和Bj因素之間對(duì)于最優(yōu)施工工法的相對(duì)重要度,bij和bij互為倒數(shù),bii=1, (i,j=1,2,3,4,5),計(jì)算其最大特征值λmax(B)和特征向量, 并將特征向量進(jìn)行歸一化處理后得到其權(quán)重向量ωb, 結(jié)果如下:

1.3.2 中間層一致性檢驗(yàn)

對(duì)于n≥3的判斷矩陣, 為了避免在建立成對(duì)判斷矩陣時(shí)出現(xiàn)矛盾和嚴(yán)重的邏輯錯(cuò)誤, 需要對(duì)得出的判斷陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn), 矩陣的不一致程度指標(biāo)CI:

上式n為判斷矩陣階數(shù), 對(duì)于階數(shù)在1-9之間的判斷矩陣, 其隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值如表2所示, 超過(guò)9個(gè)因素, 也就是超過(guò)9階的矩陣則應(yīng)考慮細(xì)分因素, 增加模型層數(shù).然后計(jì)算隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI, 當(dāng)CR＜0.1時(shí), 認(rèn)為矩陣擁有滿意的一致性, 否則重新進(jìn)行判斷, 寫(xiě)出新的判斷矩陣, 直到一致性滿意為止.

表2 1-9階隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

經(jīng)計(jì)算, 本文中中間層判斷陣隨機(jī)一致性比率:CR=0.035＜0.1, 認(rèn)為中間層具有滿意的一致性.

1.3.3 底層因素對(duì)比

為了了解底層因素對(duì)中間層因素的相對(duì)重要性, 建立判斷矩陣Ck=(Cij)2×2, 其中K=1,2,3,4,5;i,j=1, 2.按照1-9標(biāo)度法進(jìn)行對(duì)比和評(píng)分, 兩種工法的各因素評(píng)判理由和得分如表3所示.

表3 兩種工法各因素對(duì)比及得分

地質(zhì)適用性基槽開(kāi)挖深度達(dá)23m,不利于防止基槽坍塌和泥沙回淤隧道進(jìn)入風(fēng)化巖層, 可能遇到孤石, 不易施工 1/1工期造價(jià)工期短, 計(jì)劃工期為3年, 造價(jià)高 工期相對(duì)較長(zhǎng), 造價(jià)低 1/4城市規(guī)劃技術(shù)含量高, 有利于提升新城城市形象, 與周?chē)鷺蛄? 公路融合較好盾構(gòu)技術(shù)使用頻繁, 且需要依賴(lài)進(jìn)口設(shè)備,對(duì)體現(xiàn)佛山新城“智慧”的城市概念貢獻(xiàn)不大 3/1

根據(jù)上表數(shù)據(jù), 建立成對(duì)判斷陣Ci, 其中i=1, 2, 3, 4, 5, 表示沉管法和盾構(gòu)法在第i個(gè)因素方面的相對(duì)重要性,得分越高說(shuō)明越合理.計(jì)算各矩陣的最大特征值λmax(Ci)和特征向量, 將特征向量進(jìn)行歸一化處理后得到其權(quán)重向量ωi。如下:

1.4 層次總排序和總體一致性檢驗(yàn)

通過(guò)計(jì)算獲得沉管法和盾構(gòu)法對(duì)于總目標(biāo)的最后權(quán)重, 公式如下:

由最后得分可知, 選擇沉管法修建此隧道綜合效益較高, 應(yīng)選擇沉管法.

2 結(jié)語(yǔ)

利用AHP法將主觀上難以清楚評(píng)判、難以定量分析的因素量化, 把每一個(gè)影響隧道修建的因素從全局、長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度科學(xué)的考慮, 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的方法解決此類(lèi)問(wèn)題時(shí)容易產(chǎn)生偏差, 得出的結(jié)果不令人信服的缺點(diǎn), 得到如下結(jié)論:

(1)佛山市汾江路南延線隧道工程選擇沉管法或盾構(gòu)法修建水底隧道都是可實(shí)現(xiàn)的.

(2)兩者各有優(yōu)缺點(diǎn), 沉管法施工難度稍大,工程造價(jià)較高, 完工后長(zhǎng)遠(yuǎn)效益高; 盾構(gòu)法技術(shù)成熟,施工風(fēng)險(xiǎn)較大, 節(jié)約造價(jià).但采用沉管法更符合當(dāng)?shù)匕l(fā)展要求, 綜合效益更高.

此外, 還可以對(duì)該評(píng)價(jià)方法做出改進(jìn), 即加入工程參與各方, 如業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工方, 以及各層次人群, 如專(zhuān)家、工程師、設(shè)計(jì)人員等對(duì)兩種工法選擇的意見(jiàn), 按一定權(quán)重平衡, 使結(jié)果更加接近符合各方要求, 更加科學(xué).

[1]陳韶章.沉管隧道設(shè)計(jì)與施工[M].北京: 科學(xué)出版社, 2002.

[2]王偉鋒, 畢俊麗.軟巖淺埋隧道施工工法比選[J].巖土力學(xué),2007,28:430-436.

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Study on optimization of construction scheme of tunnel based on AHP method

ZHAO Peng-hui1, SUN Bin1,LIN Ya-xing2, LIU Hai-yan3
(1.Shanghai Haike Engineering Consulting Limited Company, Shanghai 200231, P.R.C.; 2.Department of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, P.R.C.; 3.Sichuan Sales Branch of Petrochina, chengdu 610051, P.R.C.)

This paper sets the early phase scheme comparison of tunnel construction method of Foshan’sFenjiang road immersed tunnel project as background, in order to find the most efficient and valuable method of tunnel construction to provide supports for decision makers.By using AHP(Analytic Hierarchy Process) and considering actual situations of the project and various factors in tunneling and comprehensive methods, comparison between immersed tunneling method and shield method were made in different aspects such as construction difficulties, construction risks, geological applicability,project cost and time limit and city planning.Hierarchical structure model and judgment matrix were set, then consistency check was done.The final quantitative result of method comparison showed that it was better to choose immersed tunneling method for this project.This paper provides a new perspective for the future similar problems and has some certain reference value.

immersed tunneling method; shield method; AHP; Optimal construction scheme

U45

A

1003-4271(2014)02-0316-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.02.28

2014-01-20

趙朋輝(1981-), 男, 工程師.

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