基于層次分析法的黃土區(qū)超小凈距隧道施工方案比選分析

黃炳球

摘要：文章基于層次分析法，綜合考慮不同施工工法力學(xué)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、進(jìn)度指標(biāo)，建立層次分析評(píng)價(jià)體系，對(duì)黃土區(qū)超小凈距隧道施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化比選分析，并通過(guò)實(shí)際工程運(yùn)用，證明了基于層次分析法的黃土區(qū)隧道施工方案的可靠性與合理性。

關(guān)鍵詞：層次分析法;黃土;隧道;超小凈距;施工工藝優(yōu)化

0 引言

受地形條件的限制，小凈距隧道成為當(dāng)前公路、鐵路工程中較為常見的結(jié)構(gòu)形式。在我國(guó)西北地區(qū)分布著廣袤的黃土層，由于黃土獨(dú)特的物理力學(xué)性質(zhì)，在這些地區(qū)修建鐵路隧道所遇到的技術(shù)難點(diǎn)很多，特別是超小凈距黃土隧道的施工更加困難。因此，研究適合黃土區(qū)超小凈距隧道的施工工法，對(duì)于工程施工安全、進(jìn)度和造價(jià)具有重要意義[1-5]。

王小林等采用數(shù)值分析方法，對(duì)斷面非對(duì)稱小凈距黃土地鐵隧道施工順序進(jìn)行了對(duì)比分析，并認(rèn)為先施工小斷面隧道的施工順序?qū)τ谒淼赖姆€(wěn)定性更加有利[6]。劉拓益等通過(guò)工程實(shí)踐，總結(jié)了一套黃土地區(qū)小凈距隧道施工技術(shù)，認(rèn)為為了減小對(duì)圍巖的施工擾動(dòng)，應(yīng)盡可能早地封閉成環(huán)[7]。層次分析法（AHP）適用于復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題并得出最優(yōu)解決方案，具有系統(tǒng)性、實(shí)用性和簡(jiǎn)易性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于安全評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等領(lǐng)域，在隧道開挖施工領(lǐng)域也已得到一定的應(yīng)用。如楊海忠將層次分析法應(yīng)用于隧道涌水突泥事故可能性評(píng)估[8];胡群芳等提出了基于模糊層次分析的公路隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法[9];李寶平等基于層次分析法，對(duì)隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)預(yù)測(cè)進(jìn)行了探討[10]。

本文基于層次分析法，綜合考慮不同施工工法力學(xué)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、進(jìn)度指標(biāo)，建立層次分析評(píng)價(jià)體系，對(duì)黃土區(qū)超小凈距隧道施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化分析，并在實(shí)際工程中予以實(shí)踐應(yīng)用，獲得了較好效果，可為類似地區(qū)超小凈距隧道施工工法的合理選擇提供借鑒。

1 層次分析理論

1.1 基本原理及指標(biāo)體系

層次分析法（簡(jiǎn)稱AHP）是將與決策有關(guān)的元素劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及指標(biāo)層，通過(guò)分解多個(gè)目標(biāo)、準(zhǔn)則或者指標(biāo)，將難以定量的、復(fù)雜的決策問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量排序，以最終做出最佳的判斷和選擇。目標(biāo)層為施工工法選擇;準(zhǔn)則層（即施工工法各因素）包括最大位移與洞徑之比、最大拉壓應(yīng)力比、單位長(zhǎng)度內(nèi)圍巖損傷體積、施工進(jìn)度、工程造價(jià)五個(gè);指標(biāo)層則為所要研究的施工方案。根據(jù)當(dāng)前黃土隧道施工的常用方法，選擇全斷面法、環(huán)形開挖留核心土法、三臺(tái)階七步開挖法、CD法、CBD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等6種隧道施工方案作為指標(biāo)層進(jìn)行分析，建立如下層次分析指標(biāo)模型（見圖1）。

1.2 分析步驟

利用層次分析法對(duì)隧道開挖施工方案進(jìn)行決策，其分析流程主要包括以下四個(gè)方面：（1）建立層次分析指標(biāo)模型;（2）構(gòu)造判斷矩陣;（3）進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗(yàn)計(jì)算;（4）進(jìn)行層次總排序及一致性檢驗(yàn)。

2 分析過(guò)程

2.1 計(jì)算工況

本文擬計(jì)算分析工況共包括六種（2×3=6）。其中：隧洞埋深分別為30m和100m，隧洞橫向間距分別為2m、16m和30m。每種工況下均用1.1小節(jié)中的6種施工方案進(jìn)行計(jì)算分析。具體工況參數(shù)情況見表1。

2.2 準(zhǔn)則層排序

首先需要對(duì)準(zhǔn)則層的五個(gè)影響因素進(jìn)行重要性排序計(jì)算，采用專家調(diào)查法獲得了各影響因素的評(píng)分情況（由于數(shù)據(jù)量太大，文中不再贅述）。通過(guò)各影響因素評(píng)分進(jìn)行兩兩比較，得到如下判斷矩陣：

根據(jù)式（1）可以分別得到判斷矩陣的特征向量為：W=[0.29，0.06，0.26，0.16，0.23]，AW=[1.45，0.32，1.29，0.81，1.13]。從特征向量的值可以看到：最大位移與洞徑之比的特征向量值最大，最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力之比的特征向量值最小，影響因素層從大到小排序依次為最大位移與洞徑之比B1、單位長(zhǎng)度內(nèi)圍巖損傷體積B2、工程造價(jià)B3、施工進(jìn)度B4以及最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力之比B5。最大位移與洞徑之比是首先需要考慮的因素，除此之外，工程造價(jià)因素排在第三，高于施工進(jìn)度和最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力之比。由此可見，施工方案在滿足施工進(jìn)度的前提下應(yīng)最大可能實(shí)現(xiàn)工程的經(jīng)濟(jì)效益。

為了驗(yàn)證矩陣的有效性，計(jì)算得到矩陣的最大特征向量為：

故通過(guò)一致性檢驗(yàn)，該矩陣有效。

2.3 指標(biāo)層排序

以工況1為例，首先對(duì)指標(biāo)層計(jì)算過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，同理，構(gòu)造指標(biāo)層的判斷矩陣。

從施工總排序結(jié)果可知：當(dāng)在隧道埋深為100m、橫向間距為30m時(shí)，最適宜的施工方案為環(huán)形開挖留核心土法和三臺(tái)階七步開挖法。

2.4 不同工況施工方案優(yōu)選

按照2.3小節(jié)所述方法，對(duì)不同工況下各施工方案的得分進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖2。從圖中比較可以得到：當(dāng)在工況1（埋深100m，間距30m）時(shí)，黃土隧道最適宜的施工方法為C2（環(huán)形開挖留核心土法）和C3（三臺(tái)階七步開挖法）;當(dāng)在工況2（埋深100m，間距16m）時(shí)，黃土隧道最適宜的施工方法為C2（環(huán)形開挖留核心土法）;當(dāng)在工況3（埋深100m，間距2m）時(shí)，黃土隧道最適宜的施工方法為C6（雙側(cè)壁導(dǎo)坑法）;當(dāng)在工況4（埋深30m，間距30m）時(shí)，黃土隧道最適宜的施工方法為C2（環(huán)形開挖留核心土法）;當(dāng)在工況5（埋深30m，間距16m）時(shí)，黃土隧道最適宜的施工方法也為C2（環(huán)形開挖留核心土法）;當(dāng)在工況6（埋深30m，間距2m）時(shí)，黃土隧道最適宜的施工方法也為C2（環(huán)形開挖留核心土法）。從整體得分結(jié)果來(lái)講：當(dāng)埋深較深、間距較大時(shí)，建議采用環(huán)形開挖留核心土法和三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行施工;當(dāng)埋深較深，間距較小時(shí)，建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，不建議采用三臺(tái)階七步開挖法;當(dāng)埋深較淺時(shí)，建議采用環(huán)形開挖留核心土法和CD法。

3 工程案例

3.1 工程背景

某隧道位于黃土梁茆區(qū)，隧道設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為367m，設(shè)計(jì)最大埋深為38.2m，平均埋深約為28.7m，隧道斷面分為三種不同結(jié)構(gòu)尺寸，最大斷面跨度為11.56m，最大洞高為11.08m，標(biāo)準(zhǔn)洞段斷面尺寸為跨度6.5m、洞高9.75m。圍巖主要為黃土和粉質(zhì)紅黏土。新建隧道與既有隧道的最小間距僅為1.1m，屬于黃土區(qū)超小凈距隧道施工工程。為了確保臨近隧道施工的安全性，在兩隧道較近一側(cè)設(shè)置40根1m、深為20m的隔離樁，隧道平面布置關(guān)系見圖3。

3.2 施工方案比選

方案初選：工程的平均埋深為28.7m，最小凈距為1.1m，與上述分析工況6極為接近。在工況6時(shí)，得分排名前三的方案依次為：環(huán)形開挖留核心土法、CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

方案篩選：新建隧道大部分為標(biāo)準(zhǔn)斷面，僅在靠近出口處存在較大斷面，在滿足施工進(jìn)度的前提下，應(yīng)該充分考慮隧道施工的整體難易度和經(jīng)濟(jì)效益。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的每月施工進(jìn)度僅為30～40m，且工程造價(jià)較高;CD法每月施工進(jìn)度為50～70m，工程造價(jià)適中;環(huán)形開挖留核心土法在施工工藝上可以簡(jiǎn)化為兩臺(tái)階施工法，不僅具有較快的施工進(jìn)度（100～150m/月），還具有較好的工程造價(jià)（雖然與CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，其施工圍巖穩(wěn)定性略有降低，但對(duì)工程施工安全性不造成影響）。故從工程施工安全、進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性綜合考慮，決定采用環(huán)形開挖留核心土法進(jìn)行施工。

3.3 施工結(jié)果分析

首先，采用數(shù)值分析方式，對(duì)不同洞段的開挖施工結(jié)果進(jìn)行模擬，結(jié)果見表2。從表中可以看到：最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為16.6MPa和3.3MPa，均出現(xiàn)在中間過(guò)渡段，最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)轍機(jī)擴(kuò)挖段，變形量為11.6mm，圍巖損傷面積為2.8m2，也位于轉(zhuǎn)轍機(jī)擴(kuò)挖段，而最大變形與洞徑比最大值出現(xiàn)在中間過(guò)渡段，值為0.00105。

為了驗(yàn)證施工方案選擇的安全性、合理性及可靠性，在施工過(guò)程中對(duì)頂拱和水平的位移變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于標(biāo)準(zhǔn)洞段），結(jié)果見圖4。從圖中可以看到：隧道圍巖的最大變形出現(xiàn)在開挖施工1d后，頂拱和水平收斂變形最大值分別為7.3mm和7mm，之后，變形逐漸呈收斂變化，穩(wěn)定性較好，最大變形量與模擬分析值（6.7mm）相差不大，符合程度高?？梢?，經(jīng)層次分析法決策優(yōu)選的環(huán)形開挖留核心土方案很好地適用于該隧道的開挖施工，能夠最大程度保證施工期間圍巖穩(wěn)定性、施工進(jìn)度和工程造價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于層次分析法，建立了考慮施工力學(xué)參數(shù)、工程進(jìn)度以及工程造價(jià)的黃土區(qū)小凈距隧道的施工方案決策優(yōu)選模型。

（2）根據(jù)層次分析模型結(jié)果得出：當(dāng)埋深較深、間距較大時(shí)，建議采用環(huán)形開挖留核心土法和三臺(tái)階七步開挖法進(jìn)行施工;當(dāng)埋深較深，間距較小時(shí)，建議采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，不建議采用三臺(tái)階七步開挖法;當(dāng)埋深較淺時(shí)，建議采用環(huán)形開挖留核心土法和CD法。

（3）將分析理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，通過(guò)方案初選和篩選，得到隧道的施工方案，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)工后監(jiān)測(cè)結(jié)果，表明經(jīng)層次分析法決策優(yōu)選的可靠性與合理性。

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