基于模糊層次分析法的盾構(gòu)機(jī)選型

【摘 要】盾構(gòu)穿越工程中，選用合適的盾構(gòu)機(jī)以適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件與施工要求至關(guān)重要，但目前多依靠施工經(jīng)驗(yàn)定性判斷。引入定性評(píng)價(jià)與定量分析相結(jié)合的模糊層次分析法（FAHP），通過建立遞階層次模型、確定模糊一致矩陣、計(jì)算指標(biāo)權(quán)重3個(gè)步驟進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)型的優(yōu)選。該方法在上海黃浦江盾構(gòu)穿越中的成功應(yīng)用表明，模糊層次分析法應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選可行有效。

【關(guān)鍵詞】模糊層次分析法；盾構(gòu)機(jī)；優(yōu)選；矩陣

【Abstract】 Selection of appropriate shield machine to fit complex layers and construction requirements is critical for shield crossing projects while it is finished qualitatively according to construction experience at present. The paper presents that the fuzzy analytic hierarchy process（FAHP）and the optimum selection of shield is done in terms of qualitative evaluation and quantitative calculation by three steps which include establishing the hierarchical model determining the fuzzy consistent matrix and calculating index weights. The successful application of FAHP in Huangpu River shield crossing project in Shanghai shows that fuzzy analytic hierarchy process （FAHP） used in the shield optimization model is feasible and effective.

【Keywords】 FAHP， shield， optimum selection， matrix

引言

盾構(gòu)法在掘進(jìn)速度、工程質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)以及安全性等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢，在地下空間的工程建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。為適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件與施工要求，大量新型盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如擴(kuò)徑盾構(gòu)施工法、球體盾構(gòu)施工法、HV盾構(gòu)施工法、變形斷面盾構(gòu)施工法等等，各方法均有特定的盾構(gòu)機(jī)型配合使用。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與開挖方法，盾構(gòu)機(jī)型可分為2大類：閉胸式與敞胸式，進(jìn)一步可細(xì)分為6種機(jī)型（1（p。目前，敞開式盾構(gòu)機(jī)及壓縮空氣盾構(gòu)已基本被淘汰，應(yīng)用最廣泛的是土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)以及加泥式土壓平衡盾構(gòu)。面對(duì)多樣的盾構(gòu)機(jī)型，針對(duì)特定工程條件選用最優(yōu)機(jī)型成為建設(shè)中的首要問題，當(dāng)前多依靠施工經(jīng)驗(yàn)定性判斷（2-4（p，其準(zhǔn)確性與普適性均受到較大限制。為此，引入在工程決策中應(yīng)用日益廣泛的模糊層次分析法（FAHP）（5-6（p進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選，建立一種科學(xué)合理的定量評(píng)價(jià)方法，并上海黃浦江盾構(gòu)穿越工程為例，詳細(xì)給出FAHP優(yōu)選盾構(gòu)機(jī)型的分析步驟。

1 模糊層次分析法

1.1 FAHP概述

20世紀(jì)70年代，為解決“根據(jù)各工業(yè)部門對(duì)國家福利貢獻(xiàn)大小進(jìn)行電力分配”課題，美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論與多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法提出了定性分析與定量分析相結(jié)合的層次分析法（AHP），通過明確問題、建立層次分析結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序5各步驟求解各層次構(gòu)成要素對(duì)總目標(biāo)的組合權(quán)重，進(jìn)而計(jì)算不同可行方案的綜合評(píng)價(jià)值，為評(píng)選最優(yōu)方案提供依據(jù)。AHP法的概念清晰易懂，在現(xiàn)代管理決策領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。然而，AHP也有自身難以克服的不足：（1）檢驗(yàn)、調(diào)整判斷矩陣一致性的標(biāo)準(zhǔn)CR<0.1缺乏科學(xué)依據(jù)；（2）檢驗(yàn)判斷矩陣一致性與人類思維的一致性有顯著差異。為解決上述問題，模糊層次分析法（FAHP）應(yīng)運(yùn)而生，通過引入模糊一致矩陣有效解決了判斷矩陣一致性的相關(guān)缺陷，近年來在各種決策領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.2 FAHP的主要分析步驟

1.2.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

針對(duì)特定的實(shí)際問題，深入分析各影響因素及其相互之間的聯(lián)系，按照不同屬性將其自上而下分解成若干層次，同意層的因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊?，且同時(shí)支配下一層的因素或受到下層因素的作用。通常情況下層次結(jié)構(gòu)模型自上而下可分為3個(gè)層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與方案層。一般目標(biāo)層只有一個(gè)因素，準(zhǔn)則層與方案層包含多項(xiàng)因素，當(dāng)準(zhǔn)則層的因素過多時(shí)可進(jìn)一步分解出子準(zhǔn)則層。

1.2.2 確定優(yōu)先關(guān)系矩陣

優(yōu)先關(guān)系矩陣F表示針對(duì)上一層某因素，本層次與之有關(guān)因素之間相對(duì)重要性的比較。將由等待進(jìn)行重要性比較的因素構(gòu)成的指標(biāo)集記為F0=（f1，f2，（，fn（，所針對(duì)上層某因素A的優(yōu)先關(guān)系矩陣F=（fij）n×n：P（1）式中：s（i）、s（j）分別表示指標(biāo)fi與fj的相對(duì)重要性程度。

1.2.3 將優(yōu)先關(guān)系矩陣改造為模糊一致矩陣優(yōu)先關(guān)系矩陣F為模糊互補(bǔ)矩陣，為保證與人類決策思維的一致性相協(xié)調(diào)，需將其改造為模糊一致矩陣，按照文獻(xiàn)[7]的定義，若矩陣R=（rij）n×n滿足：rij=rik-rjk+0.5，則為模糊一致矩陣。可按下述步驟改造矩陣：P對(duì)F按行求和，記為：P

（2）然后做變換：

（3）P據(jù)此建立的判斷矩陣可保證模糊一致性，證明詳見文獻(xiàn)[8]。

1.2.4 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

文獻(xiàn)[9]總結(jié)了3種模糊一致矩陣排序的方法，并從運(yùn)算復(fù)雜度與分辨率大小的角度進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為文獻(xiàn)[10]給出的排序方法科學(xué)合理，但文獻(xiàn)[11]研究認(rèn)為將運(yùn)算復(fù)雜度作為評(píng)價(jià)依據(jù)不合適，且通過引入?yún)?shù)實(shí)現(xiàn)了分辨率大小可調(diào)。在模糊層次分析法中，分析目的是通過對(duì)比評(píng)價(jià)得出最優(yōu)方案，所得指標(biāo)權(quán)重僅具有相對(duì)意義，其數(shù)值沒有實(shí)際的物理意義。此外，文獻(xiàn)[9]的研究表明3種排序方法得出的排序結(jié)果是相同的。故此處選用按行求和歸一化法[12]P計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。指標(biāo)fi對(duì)上層因素A的指標(biāo)權(quán)重為：P

（4）通過層次單排序得出準(zhǔn)則層、方案層中各指標(biāo)對(duì)上層因素的指標(biāo)權(quán)重后，將方案層因素的指標(biāo)權(quán)重分別與準(zhǔn)則層諸因素的指標(biāo)權(quán)重相乘、再求和即可得到各方案的綜合指標(biāo)權(quán)重。綜合指標(biāo)權(quán)重最大者對(duì)應(yīng)方案為最優(yōu)方案。

2 上海黃浦江盾構(gòu)穿越的機(jī)型選擇

2.1 穿越工程概況

西藏南路越江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)段總長度約為1152米，隧道襯砌由8塊鋼筋混凝土管片拼裝而成，管片外徑11.36m，環(huán)寬1.5m，采用錯(cuò)縫拼裝。此隧道主要地質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和粉砂等不穩(wěn)定松軟土層。在黃浦江兩岸隧道沿線地面建筑物密集，交通繁忙且地下管線錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)隧道施工要求很高。因此針對(duì)工程條件選用最優(yōu)盾構(gòu)機(jī)型成為工程建設(shè)的首要問題。

2.2 建立遞階層次模型

根據(jù)目前常用的盾構(gòu)機(jī)型分類，不考慮已經(jīng)淘汰的盾構(gòu)機(jī)型，方案層包括3項(xiàng)因素，分別記為土壓平衡盾構(gòu)（C1）、泥水平衡盾構(gòu)（C2）、加泥式土壓平衡盾構(gòu)（C3）。依據(jù)上海穿越的工程特點(diǎn)，結(jié)合文獻(xiàn)[2]～[4]中介紹的盾構(gòu)選型實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定隧道設(shè)計(jì)參數(shù)（B1）、水文條件（B2）、地質(zhì)條件（B3）、技術(shù)先進(jìn)性（B4）、周邊環(huán)境（B5）、經(jīng)濟(jì)合理性（B6）六項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為準(zhǔn)則層的組成因素。目標(biāo)層為適應(yīng)上海盾構(gòu)穿越工程的最佳盾構(gòu)選型（A）。根據(jù)上述分析，圖1給出了所建立的遞階層次模型。

圖1 最佳盾構(gòu)選型的遞階層次模型

2.3 得出優(yōu)先關(guān)系矩陣

首先看準(zhǔn)則層諸因素對(duì)目標(biāo)層的優(yōu)先關(guān)系。在上海穿越工程中，地質(zhì)條件與水文條件直接關(guān)系到穿越工程的成敗，屬優(yōu)先考慮的第一梯次因素；考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性，將技術(shù)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)合理性列為第二梯次因素；將周邊環(huán)境和隧道設(shè)計(jì)參數(shù)作為第三梯次因素。根據(jù)上述分析得出準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層A的優(yōu)先關(guān)系矩陣（表1）。表2～表7給出了方案層諸因素對(duì)準(zhǔn)則層的優(yōu)先關(guān)系矩陣，以方案層對(duì)上層因素B1的優(yōu)先關(guān)系矩陣為例說明優(yōu)先關(guān)系的確定方法。上海穿越地層主要由淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土和粉砂構(gòu)成，隧道斷面巖性分部不均勻且有明顯差異，掘進(jìn)處地下水壓大，最高達(dá)0.35MPa。結(jié)合盾構(gòu)機(jī)型的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1P]，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)上海穿越地層有良好的適應(yīng)性，可作為第一梯次因素；加泥式土壓平衡盾構(gòu)可適應(yīng)高含水地層，但穿越地層的流塑形較差、地下水壓高，將其定位于第二梯次因素；土壓平衡盾構(gòu)列為第三梯次因素。根據(jù)上述優(yōu)先關(guān)系確定方案層對(duì)B1的優(yōu)先關(guān)系矩陣如表2所示。

2.4計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

2.4.1層次單排序

根據(jù)公式（2）、（3）將A-B1優(yōu)先關(guān)系矩陣改造為模糊一致矩陣RA-B1（表8），再通過公式（4）可求得準(zhǔn)則層諸因素Bi對(duì)A的指標(biāo)權(quán)重：P

WA-B1={0.0468， 0.0589， 0.1507， 0.2424， 0.1969，0.3043}P

2.4.2層次總排序

方案層C1的綜合指標(biāo)權(quán)重為

WA-C1=0.2675×0.0468+0.2675×0.0589+0.2355×0.1507+0.4934×0.2424+0.3624×0.1969+0.2831×0.3043P =0.3403

按照同樣計(jì)算方法得出其他方案的綜合指標(biāo)權(quán)重，如表九中所示。

根據(jù)表九中綜合指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果，C2的綜合指標(biāo)權(quán)重最大，上海越江盾構(gòu)穿越采用泥水平衡盾構(gòu)最優(yōu)。工程實(shí)際中使用日本三菱公司制造的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)（該套設(shè)備已完成穿越黃浦江的復(fù)興路隧道及翔殷路隧道），刀盤外徑11.580mm，工作性能穩(wěn)定，按質(zhì)按期完成了西藏南路越江隧道工程的掘進(jìn)工作。

結(jié)論

本文總結(jié)給出了模糊層次分析法的分析步驟，并將其應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)型的優(yōu)選。通過上海黃浦江盾構(gòu)穿越的盾構(gòu)機(jī)選型應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)給出了分析中所需參數(shù)的確定方法及優(yōu)選結(jié)果的計(jì)算過程，研究中得出以下結(jié)論：

（1）建立遞階層次模型是模糊層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，模型中準(zhǔn)則層諸因素的提煉直接影響方案層的排序結(jié)果，通過建立不同準(zhǔn)則層則可以對(duì)不同影響因素進(jìn)行考察。

（2）指標(biāo)權(quán)重僅具有相對(duì)意義，用于對(duì)比排序，其數(shù)值沒有實(shí)際的物理意義。

（3）上海黃浦江盾構(gòu)穿越的盾構(gòu)選型實(shí)例表明將模糊層次分析法應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選可行有效，可在盾構(gòu)穿越工程中推廣應(yīng)用。

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