基于物元分析理論的盾構(gòu)井施工方案評價*

張 軍，陳 歡，張玉麗

(遼寧科技大學 土木工程學院，遼寧 鞍山 114000)

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，有限的城市地面空間已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活和工作需要，地下綜合管廊作為集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水、排水、熱力、燃氣等市政管線的公共隧道，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分.其中，盾構(gòu)井工程是地下管廊建設(shè)中重點的系統(tǒng)工程，它與場地工程地質(zhì)勘查、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工開挖、基坑穩(wěn)定、降水、施工管理、現(xiàn)場監(jiān)測、相鄰場地施工相互影響等密切相關(guān)[1].類似于盾構(gòu)井支護這種深基坑工程施工影響因素眾多，如建筑場地的工程地質(zhì)條件、場區(qū)的周邊環(huán)境、施工技術(shù)、施工機械等，各種因素相互制約、相互關(guān)聯(lián)而又不斷變化.目前，國內(nèi)基坑支護和支撐技術(shù)在我國相對還比較落后，基坑工程的設(shè)計和施工技能的鉆研和實行，成為了近幾年來國內(nèi)土木工程建設(shè)項目的熱點問題.形式各異的擋土結(jié)構(gòu)，如排樁、水泥土攪拌樁支護、SMW工法和地下連續(xù)墻，取代了單樁維護的模式，形成了多樣化施工方法比選[2].國內(nèi)并沒有一套成型的理論模型能解決在施工方案比選中存在的問題，必須綜合運用多門學科知識和豐富的實踐經(jīng)驗.本文將物元分析理論結(jié)合層次分析法，構(gòu)建盾構(gòu)井支護施工方案的評價指標模型，將定性分析和定量分析相結(jié)合，對盾構(gòu)井的支護技術(shù)方案進行了系統(tǒng)分析和綜合評價研究，對盾構(gòu)井施工方案優(yōu)選具有一定的指導意義.

1 物元分析理論基礎(chǔ)及模型建立

我國學者蔡文創(chuàng)立了物元分析理論，通過研究事物的可變性，合理地解決了不相容問題，經(jīng)過多年的發(fā)展，物元分析理論已經(jīng)在很多領(lǐng)域的綜合評判中成功得到應(yīng)用.該理論基本步驟為確定待評物元，將物元劃分為不同指標級別、經(jīng)典域、節(jié)域，確定關(guān)聯(lián)函數(shù)以及不同指標級別，通過層次分析法計算不同目標的權(quán)重，最終計算關(guān)聯(lián)度、綜合關(guān)聯(lián)度以及確定評價等級[3].

1.1 物元基本理論

物元理論形成的基礎(chǔ)是物元，用來描述事物基本元素.在此理論中，以有序三元組R=(N，C，V)來描述事物的基本元素，其中，N為質(zhì)，C為量，V為質(zhì)和量的反映.在本文中，N為事物的名稱，C為事物的特征，V為事物N特征C的量值，將事物的名稱、事物的特征、事物的量值稱之為物元的三元素[4]，N、V、C體現(xiàn)了一種數(shù)學函數(shù)關(guān)系，即V=C(N).物元的一般形式可表示為

1.2 盾構(gòu)井施工方案物元分析模型建立

1)物元表示.若該施工技術(shù)方案有n個特征C1，C2，C3，…，Cn，則對應(yīng)有n個量值，即V1，V2，V3，…，Vn，該方案可表示為

式中：N為施工技術(shù)方案；C為特征；V為量值.R的分物元可表示為Ri=(N，Ci，Vi)(i=1，2，…，n).

2)確定經(jīng)典域、節(jié)域.盾構(gòu)井的施工技術(shù)方案綜合評價的經(jīng)典域矩陣可以表示為

式中：R0為評定等級的物元模型；N0為評定等級的待評物元；ci為N0的第i個特征.v01，v02，…，v0i為N0關(guān)于ci的取值范圍，即經(jīng)典域，其寓意是指各個評價指標量值的變化區(qū)間，v0i的取值范圍為(a0i，b0i)，其中，i=1，2，…，n[5].盾構(gòu)井施工方案綜合評價的節(jié)域矩陣為

式中，Rp為施工技術(shù)方案評定等級經(jīng)典域的物元模型.vp1，vp2，…，vpi分別為Np關(guān)于ci的取值范圍，即Np的節(jié)域，vpi的取值范圍為(api，bpi).

對盾構(gòu)井施工方案的綜合評價是一個繁雜的過程，可以看作是對各個方面進行評價的過程，涉及到工程質(zhì)量、經(jīng)濟目標、施工效率和安全環(huán)保等多重復雜因素[6].在對各指標進行評價時，針對不同施工方案以及突發(fā)事件，并且結(jié)合專家組論證，對各評價指標的量值確定取值范圍，這樣就可以對施工方案中各個要素進行評級，從而得到經(jīng)典域和節(jié)域，最后對方案進行綜合評定，選出最優(yōu)方案.

3)計算關(guān)聯(lián)函數(shù).關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中：Vi為待評物元；(a0i，b0i)為經(jīng)典域；(api，bpi)為節(jié)域，i=1，2，…，n.

對于待評對象盾構(gòu)井施工技術(shù)方案N，可以得到其關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度，即

(4)

式中：ωi為各個指標的權(quán)重；Ki(Vi)為由關(guān)聯(lián)函數(shù)確定的關(guān)聯(lián)函數(shù)值；Kj(N)為綜合關(guān)聯(lián)度.

4)綜合評價.該支護施工方案的綜合評價等級公式為

Kj=maxKj(N) (j=1，2，…，m)

(5)

式中，maxKj(N)為最大綜合關(guān)聯(lián)度.由此可知，盾構(gòu)井施工方案的評價等級由綜合關(guān)聯(lián)度的最大值確定，最大值所在的評定等級即為綜合評價的最終評定等級.

2 盾構(gòu)井評價指標體系的建立及權(quán)重計算

2.1 評價指標建立原則及確定

評價指標的建立是科學綜合評價的基礎(chǔ)，評價指標好壞程度直接影響其評價結(jié)果的合理性與準確性.建立評價指標，應(yīng)充分尊重其科學性、準確性、整體性、獨立性、結(jié)構(gòu)的層次性等原則.

由于盾構(gòu)井支護系統(tǒng)施工技術(shù)方案的影響因素眾多，其施工工序較為復雜，受多重影響因素的制約，在滿足安全性、經(jīng)濟性和可行性的同時，必須兼顧環(huán)境保護和施工效率.經(jīng)過查閱相關(guān)資料[7-9]，結(jié)合自身周圍環(huán)境條件，最終確定的指標如表1所示.

表1 盾構(gòu)井施工綜合評價體系

2.2 計算指標權(quán)重

評價指標的權(quán)重，主要是采用層次分析法進行計算，其主要步驟為：目標層確定、構(gòu)造判斷矩陣以及一致性檢驗.目標層由表1確定.現(xiàn)將目標層、一級指標與二級指標之間兩兩進行對比分析，根據(jù)標度的含義和專家評判，對Pij采用1～9標度賦予其相對數(shù)值，確定判斷矩陣，標度含義及其取值如表2所示.

表2 標度定義及其含義

通過對一級指標進行評估，為了使判斷矩陣能近似反映權(quán)重情況，將得到的一級評價指標進行歸一化處理，再將歸一化的數(shù)字相加所得向量乘以1/n得出權(quán)重，其表達式為

(6)

相應(yīng)的判斷矩陣為

經(jīng)計算所得一級權(quán)重結(jié)果如表3所示.

表3 一級指標權(quán)重

根據(jù)一級指標權(quán)重可以得出，對于施工而言，工程安全最為重要，所占權(quán)重最多為0.418 6；施工的質(zhì)量問題也是大家較多關(guān)注的重點問題之一，所占權(quán)重為0.219 1；經(jīng)濟合理性權(quán)重占比為0.190 5.隨著國家政策的不斷改進，以及對環(huán)境保護越來越重視，政府出臺了相應(yīng)的法律條文來限制施工單位對環(huán)境的污染，因此，對于環(huán)境保護所占權(quán)重比施工效率略高為0.104 5，施工效率所占權(quán)重最低，為0.095 2.

對專家提供的二級指標數(shù)據(jù)進行整理分析，結(jié)合文獻進行判斷，可得到二級指標的判斷矩陣，如表4所示.

表4 二級指標權(quán)重

2.3 一致性檢驗

判斷矩陣是各因素之間進行兩兩比較得到的，由于客觀事物具有認識多樣性和問題復雜性，往往會出現(xiàn)一些偏差，因此有必要進行一致性檢驗.一致性檢驗需要引入隨機偏移指標RI，其數(shù)值如表5所示.經(jīng)過對平均偏移指標CI和隨機偏移指標RI進行比較，確定其一致性，CI越大，判斷矩陣的一致性越大，其檢驗公式為

(7)

(8)

其中，λmax由方根法比較求出，其計算公式為

(9)

(10)

(11)

(12)

表5 隨機偏移指標(RI)

表6 各級指標一致性檢驗

3 應(yīng)用實例

以沈陽市地下管廊J25盾構(gòu)井工程為例.J25節(jié)點井位于小河沿路與北方街橋交匯處西南側(cè)綠化帶內(nèi)，沿南運河北側(cè)布置.本盾構(gòu)井中心里程為右K10+481.000 m，結(jié)構(gòu)形式采用四層三跨的箱形框架結(jié)構(gòu)，頂板覆土約4.1 m，采用明挖順做法施工.經(jīng)過專家評選，共有三個方案：地下連續(xù)墻；支護樁+錨索+止水帷幕；鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐+支護樁+止水帷幕.通過物元模型綜合判斷三種施工方案，最終選取最優(yōu)施工技術(shù)方案.

3.1 物元模型矩陣的建立

1)經(jīng)典域、節(jié)域物元矩陣的確定.在三種施工方案的綜合評價中，以專家評審意見為主，配合相關(guān)文獻和國家標準，對指標進行定量分析，本文采用9分制打分法，根據(jù)各個指標不同性質(zhì)，確定其經(jīng)典域取值范圍.通過工程專家組的評議打分，各個評價等級的經(jīng)典物元矩陣為RA、RB、RC、RD.其中，A、B、C、D分別代表優(yōu)、良、合格、不合格，各物元矩陣為

盾構(gòu)井施工方案的節(jié)域由其經(jīng)典域來確定，其物元矩陣為

2)待評物元的確定.分別以三種不同的施工方案為研究對象，根據(jù)工程所在位置的特點以及專家打分情況，建立待評物元矩陣，具體如表7所示.

表7 待評物元矩陣

3)綜合各指標的關(guān)聯(lián)度計算.根據(jù)式(1)～(3)進行計算，可以得到三種施工方案各指標對應(yīng)等級的關(guān)聯(lián)度值，表8為方案1的各指標關(guān)聯(lián)度值，表9為方案2的各指標關(guān)聯(lián)度值，表10為方案3的各指標關(guān)聯(lián)度值.

表8 方案1的各指標關(guān)聯(lián)度值

表9 方案2的各指標關(guān)聯(lián)度值

表10 方案3的各指標關(guān)聯(lián)度值

3.2 評定等級

在確定各個指標的關(guān)聯(lián)度后，由式(5)可以得出各個方案的綜合關(guān)聯(lián)度，并對方案進行最終評級.其中，方案1的綜合關(guān)聯(lián)度為

方案2的綜合關(guān)聯(lián)度為

方案3的綜合關(guān)聯(lián)度為

4 結(jié) 論

本文以沈陽地下管廊實際工程為例，在施工過程中對各種因素進行綜合分析，建立物元模型，通過計算各個指標的關(guān)聯(lián)度，最終對三種施工方案進行了優(yōu)選對比，得到了相應(yīng)方案的評價等級，確定了最優(yōu)方案.通過實例驗證可知，相比于多目標函數(shù)隨機搜索最佳方案的整體優(yōu)化法、灰色系統(tǒng)理論、層次分析法等方法，本文模型能有效處理復雜多樣的指標系統(tǒng)，可以反映各種不利因素具體的影響程度，把定性與定量分析有機結(jié)合起來，弱化了評價過程中人為的影響[10].由于物元要素的多樣性以及發(fā)散性，符合施工方案中各種因素復雜性的特點，因此，本文方法在實際工程中具有一定的可行性.