基于組合賦權(quán)與優(yōu)劣解距離法（TOPSIS）的水下隧道施工方案決策研究＊

■ 馮輝紅 李瑩 唐田

西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 成都 610500

0 引言

隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的提出和“一帶一路”政策的全面實施，我國交通工程的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入了一個快速發(fā)展的新時代。而水下隧道工程以其引線短、易于路網(wǎng)銜接、不拆遷或少拆遷，以及對環(huán)境負(fù)面影響小等優(yōu)點，已逐漸成為我國跨江越海的主要交通連接方式。據(jù)統(tǒng)計，我國目前已建成廈門翔安海底隧道、汕頭蘇埃隧道、港珠澳海底隧道等上百座水下隧道。與一般的隧道工程相比，水下隧道具有施工難度大、影響因素多、工程造價高等特點，而諸如盾構(gòu)法、沉管法、鉆爆法等隧道施工方案對于水下隧道的安全、經(jīng)濟(jì)、效率、環(huán)保等方面的影響存在著較大差異?；诖?，在水下隧道的建設(shè)過程中，施工方案的優(yōu)選與決策起著至關(guān)重要的作用。

國內(nèi)外對于隧道施工方案優(yōu)選的研究也是目前交通工程熱點問題之一。在國外，2011年，Golestanifar[1]等結(jié)合伊朗Ghomroud 隧道工程，采用模糊層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和優(yōu)劣解距離法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）進(jìn)行了施工方案的優(yōu)選。2013年，Ab‐dallah 和Marzouk[2]提出了先由三角模糊數(shù)計算權(quán)重，再通過計算模糊正負(fù)解的距離、貼近系數(shù)，進(jìn)而選擇最佳隧道施工技術(shù)的思路。同年，Bi[3]等建立了多級模糊綜合評價模型，并結(jié)合AHP法和熵權(quán)法計算出綜合指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)行了導(dǎo)流隧洞施工仿真方案的評價與優(yōu)選。2016年，Ozcelik[4]在進(jìn)行位于土耳其的Ovit 山嶺隧道施工方法標(biāo)準(zhǔn)選擇的研究時，考慮到當(dāng)?shù)氐牡貏菪螒B(tài)、場地條件，地質(zhì)及巖土工程現(xiàn)場條件，以及工期和經(jīng)濟(jì)標(biāo)準(zhǔn)等因素，確定了全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Ma‐chine，TBM）為Ovit 山嶺隧道的施工方案。同年，Mor‐ris[5]等對我國香港海底隧道工程進(jìn)行了研究，總結(jié)得到選擇海底隧道最佳施工方案的影響因素，包括隧道的需求因素，場地和現(xiàn)場條件的限制因素，隧道長度等尺寸因素，以及生態(tài)和環(huán)境影響等因素。2018年，Xue[6]等在利用最優(yōu)能量選擇硬巖TBM 隧道參數(shù)的新方法研究上，提供了用于選擇TBM 隧道參數(shù)的評估標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實例驗證了該方法的適用性。

在國內(nèi)，2012年，盧普偉[7]等結(jié)合港珠澳大橋隧道工程，對沉管隧道和盾構(gòu)隧道進(jìn)行了方案初設(shè)，并利用對比分析的方法，從施工難度、風(fēng)險、地質(zhì)適用性、工期、造價、環(huán)境影響因素等方面進(jìn)行了施工方案的比選，最終采用沉管法施工。2013年，李志宏和李劍[8]結(jié)合拱北隧道，對不同施工方法下的常規(guī)工期、成本、技術(shù)難度、協(xié)調(diào)管理以及周邊環(huán)境影響等風(fēng)險進(jìn)行了分析評價，并利用組合加權(quán)幾何平均算子做出了風(fēng)險決策。2014年，陳煒[9]等結(jié)合地鐵隧道實施情況，提出了一種結(jié)合三角模糊數(shù)和TOPSIS 法的多屬性決策方法，從安全角度出發(fā)，通過可行性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響等方面的比較，優(yōu)選最適用的地鐵隧道施工方案。2015年，李莎莎[10]等結(jié)合地鐵隧道施工方案適用性問題，為了研究多專家對多方案的比選排序規(guī)則，提出了一種基于合作博弈-云化AHP 的方法。2016年，王煒[11]等結(jié)合公路隧道施工方案的決策情況，提出了一種熵權(quán)法和模糊綜合評價法相結(jié)合的方法，有效地解決了公路隧道施工方案的評估與排序問題。2017年，陳仁東[12]結(jié)合媽灣跨海通道前海灣隧道，提出了“水陸并重、綜合比選”的工法比選原則。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者采用的評價模型有層次分析法、三角模糊數(shù)法、熵權(quán)法、模糊綜合評價法等。這些理論方法能將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)進(jìn)行分析，評價過程較簡便，但是在指標(biāo)權(quán)重的計算上，采用的是單一的主觀賦權(quán)法或客觀賦權(quán)法，具有片面性和局限性。主觀賦權(quán)法依賴于專家判斷，受主觀影響較大，容易造成評價誤差；客觀賦權(quán)法依賴樣本數(shù)據(jù)，忽視決策者的經(jīng)驗判斷，可能導(dǎo)致丟失信息?；诖?，本研究提出一種組合賦權(quán)法和TOPSIS 相結(jié)合的多屬性決策方法，不僅考慮到?jīng)Q策者對評價指標(biāo)的主觀偏好性，又體現(xiàn)各評價指標(biāo)之間的客觀內(nèi)在聯(lián)系，避免單一評價方法所帶來的缺陷，能夠定量化綜合評價水下隧道施工方案，提高其評價結(jié)果的科學(xué)性和合理性。在對評價指標(biāo)選取時，應(yīng)從系統(tǒng)化趨于具體化，綜合考慮水文地質(zhì)條件、幾何形狀性質(zhì)、施工技術(shù)要求、成本和工期限定、施工風(fēng)險分析、環(huán)境友好狀況等方面的因素。在對指標(biāo)進(jìn)行衡量時，采用AHP和熵權(quán)法分別計算主客觀權(quán)重，運用組合賦權(quán)法得到綜合權(quán)重，并采用計算靈活的TOPSIS 法對水下隧道施工方案進(jìn)行科學(xué)合理的評價。

1 水下隧道施工方案影響因素分析

影響水下隧道施工方案決策的因素很多，綜合考慮水文地質(zhì)、隧道幾何要求、施工技術(shù)可行、成本和工期合理、風(fēng)險狀況可控、環(huán)境友好等方案比選原則，主要可以歸納為水文地質(zhì)條件、幾何形狀性質(zhì)、施工技術(shù)要求、成本和工期限定、施工風(fēng)險分析、環(huán)境友好狀況六個方面。

1.1 水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件對水下隧道施工方案決策的影響因素主要包括地層巖性、工法適應(yīng)性和隧道埋深。

（1）地層巖性。水下隧道的地層巖性復(fù)雜，有軟土、強(qiáng)透水地層、軟弱互層、風(fēng)化槽段、穿越巖層、孤石及硬巖等，而地層巖性影響著荷載分布、隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工安全，所以在定奪施工方案時應(yīng)首先考慮地層巖性這一因素對施工效果的影響[13]。

（2）工法適應(yīng)性。在不同的水文地質(zhì)條件下，各種施工方案具有不同的適應(yīng)性。若遇到不穩(wěn)定土層、流沙等情況，盾構(gòu)法適應(yīng)面較窄，需采用土壓平衡或泥水加壓平衡盾構(gòu)施工。若遇到穩(wěn)定土層，鉆爆法適應(yīng)面較寬，沉管法則基本不受限制。所以，工法適應(yīng)性是考慮水下隧道施工方案的重點因素。

（3）隧道埋深。隧道埋深影響著隧道兩岸的接線條件，而在目前城市交通擁擠的情況下，接線條件的好壞，往往決定著水下隧道方案的可行性。一般來說，根據(jù)接線條件的好壞，3 種主要水下隧道施工方案的埋深從小到大依次是：沉管法、盾構(gòu)法、鉆爆法[14]。因此，隧道埋深是考慮水下隧道施工方案的重點因素。

1.2 幾何形狀性質(zhì)

幾何形狀性質(zhì)對水下隧道施工方案決策的影響主要包括斷面形狀、隧道長度、最大縱坡。

（1）斷面形狀。各種施工方案具有不同的斷面形狀，盾構(gòu)隧道斷面形狀一般為圓形，沉管隧道斷面形狀多為矩形，而鉆爆隧道基本不受斷面形狀的限制，而水下隧道的斷面形狀影響著交通流量、結(jié)構(gòu)荷載、防火、通風(fēng)和耐久性等方面[15]。所以在選擇水下隧道施工方案時，要考慮斷面形狀這一因素。

（2）隧道長度。隧道長度影響著成本和運營等方面。盾構(gòu)隧道易受地層狀況影響，因此施工過程中通?？紤]避開不良地層而加大埋深，這樣導(dǎo)致隧道線路增長，使得維護(hù)運營費用較高、交通流量消耗較大，并且通風(fēng)、設(shè)備密封等方面也受到影響。沉管隧道可以有效縮短線路長度，同一隧址處，隧道的長度也最短，運營條件相對較好，而鉆爆隧道長度一般較短，運營條件相對較差[16]。因此，隧道長度是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（3）最大縱坡。各種施工方案可容許的最大縱坡不同，盾構(gòu)法和沉管法建造的隧道最大縱坡不宜大于6%，鉆爆隧道的最大縱坡不宜大于4%[17]。而水下隧道的最大縱坡決定著兩岸接線的合理順接，直接影響著隧道的通行能力。因此，最大縱坡是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

1.3 施工技術(shù)要求

施工技術(shù)要求對水下隧道施工方案決策的影響主要包括施工難度、施工靈活性、防水性能。

（1）施工難度。各種施工方案具有不同的施工難度。水下隧道施工過程中承受較大水壓力、土壓力，地層的富水高水壓不僅影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)，而且增加盾構(gòu)開艙換刀作業(yè)的施工難度[18]。沉管隧道的基槽開挖土方量較大，增加了工程實施難度，鉆爆隧道施工開挖方便，施工組織相對簡單。因此，施工難度是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（2）施工靈活性。各施工方案具有不同的施工靈活性。盾構(gòu)隧道斷面形式和線型受限，施工靈活性較小，而鉆爆法施工靈活性較大，沉管法更優(yōu)。而施工靈活性決定在水下隧道施工的過程中，隧道的形狀、長度、面積、傾角和弧度在遇到地質(zhì)改變時是否能靈活處理。因此，施工靈活性是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（3）防水性能。防水性能直接影響著是否能承受水的壓力和滲流作用。沉管隧道的接縫少，并且管段是在工作條件較好的露天干塢內(nèi)進(jìn)行預(yù)制的，混凝土澆筑質(zhì)量易于控制，管段的防水性能有保證，同時管段接頭處采用GINA 和OMEGA 兩道橡膠止水帶，管段之間的連接可以做到“滴水不漏”。盾構(gòu)隧道由于采用預(yù)制管片作為襯砌結(jié)構(gòu)，因此施工縫分布廣泛，盡管采取緊固、密封及防水等各種措施，但保證隧道不發(fā)生滲漏或滴水不漏仍然是相當(dāng)困難的。鉆爆隧道由于施工工藝本身的限制，無論是混凝土結(jié)構(gòu)還是外敷防水層在施工過程中都存在一些質(zhì)量缺陷，隧道漏水是不可避免的[19]。因此，防水性能是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

1.4 成本和工期限定

成本和工期限定對水下隧道施工方案決策的影響主要包括技術(shù)成本、管理成本和計劃工期。

（1）技術(shù)成本。影響水下隧道施工成本的因素有技術(shù)措施和管理措施兩方面，其中技術(shù)措施方面可以歸為技術(shù)成本，包括設(shè)計方法合理與否、施工材料的選用、施工機(jī)械的選擇等。以技術(shù)優(yōu)勢來取得經(jīng)濟(jì)效益是降低施工成本的關(guān)鍵。因此，技術(shù)成本是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（2）管理成本。管理措施方面可以歸為管理成本，包括成本管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理和施工管理等。以管理優(yōu)勢來取得經(jīng)濟(jì)效益是降低施工成本的重要途徑。因此，管理成本是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（3）計劃工期。工期限定是由于各種施工方案的工期可預(yù)見性不同，盾構(gòu)法施工靈活性較差，時常出現(xiàn)工期延誤，甚至工期不可控，難以實現(xiàn)計劃工期的現(xiàn)象，而沉管法和鉆爆法施工的工期可預(yù)見性較強(qiáng)，計劃工期也相對較短，計劃工期影響著施工成本。因此，計劃工期是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

1.5 施工風(fēng)險分析

施工風(fēng)險分析對水下隧道施工方案決策的影響主要包括施工安全性和風(fēng)險損失度。

（1）施工安全性。施工安全性直接影響著施工人員的安全，沉管隧道大量作業(yè)在水上，且水下作業(yè)主要是由潛水員完成，安全性較好；盾構(gòu)隧道和鉆爆隧道作業(yè)人員大部分作業(yè)時間在河床下面進(jìn)行，其安全性和作業(yè)條件較差，不確定因素較多[20]。因此，施工安全性是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（2）風(fēng)險損失度。風(fēng)險損失度是指不同施工方案修建水下隧道的風(fēng)險項數(shù)，盾構(gòu)隧道的主要風(fēng)險在于盾構(gòu)機(jī)對地層適應(yīng)性風(fēng)險、海底高水壓條件下?lián)Q刀、聯(lián)絡(luò)通道施工、襯砌管片接頭防水失效、盾構(gòu)隧道縱向沉降、盾構(gòu)機(jī)操作不當(dāng)造成事故。沉管隧道的主要風(fēng)險在于水下基槽穩(wěn)定與大回淤防控、深水沉放與對接精度控制、基礎(chǔ)不均勻沉降等。鉆爆隧道的主要風(fēng)險在于施工超欠挖，超挖引起多裝、多運渣，超挖空間還要用混凝土回填，也給后續(xù)作業(yè)，如噴射混凝土、張掛防水板等作業(yè)造成一定困難；欠挖則要清除，從而造成人工、工期和材料的超額消耗，致使工程成本增加[21]。因此，風(fēng)險損失度是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

1.6 環(huán)境友好狀況

環(huán)境友好狀況對水下隧道施工方案決策的影響主要包括環(huán)境影響、航運影響和錨地影響。

（1）環(huán)境影響。環(huán)境影響是對海域及周圍環(huán)境的污染程度以及施工噪聲等，盾構(gòu)隧道泥漿棄置量大，泥漿傾倒場地的污染嚴(yán)重；沉管隧道基槽開挖、管段沉放、回填覆蓋等施工對隧址附近海洋生態(tài)造成一定影響；鉆爆隧道影響則相對較小[22]。因此，環(huán)境影響是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（2）航運影響。航道影響主要考慮施工期基槽開挖是否干擾航運，因為隧道工程使用年限遠(yuǎn)多于航道規(guī)劃期限，并且隧道一旦建成運營后，改造和重建的可能性較小、代價很大，如果隧道布設(shè)不當(dāng)，將對未來航道開發(fā)產(chǎn)生長遠(yuǎn)的不利影響。沉管隧道施工期基槽開挖干擾航運，對航道有一定影響；盾構(gòu)隧道和鉆爆隧道施工對航運基本無影響[23]。因此，航運影響是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

（3）錨地影響。錨地影響主要考慮施工是否占用錨地以及影響程度。盾構(gòu)法和鉆爆法修建的水下隧道對錨地基本無影響。但沉管隧道在施工過程中基槽開挖、管節(jié)浮運沉放均需占用一定的水域，對錨地會產(chǎn)生影響，甚至需要搬遷錨地。因此，錨地影響是考慮水下隧道施工方案的重要因素。

基于上述分析，水下隧道施工方案影響因素架構(gòu)圖如圖1所示。

2 水下隧道施工方案評價指標(biāo)體系

2.1 建立評價指標(biāo)體系

根據(jù)水下隧道施工方案的影響因素分析結(jié)果，結(jié)合圖1，可對水下隧道施工方案建立三級評價指標(biāo)體系。首先，將第一級分析的目標(biāo)即影響因素設(shè)為目標(biāo)層，以字母C 表示。然后，將第二級影響因素設(shè)為準(zhǔn)則層，分別以字母Ci表示。其中C1表示水文地質(zhì)條件，C2表示幾何形狀性質(zhì)，C3表示施工技術(shù)要求，C4表示成本和工期限定，C5表示施工風(fēng)險分析，C6表示環(huán)境友好狀況。最后，將第三級影響因素設(shè)為指標(biāo)層，以字母Cij表示。其中C11表示地層巖性，C12表示工法適應(yīng)性，C13表示隧道埋深，C21表示斷面形狀，C22表示隧道長度，C23表示最大坡度，C31表示施工難度，C32表示施工靈活性，C33表示防水性能，C41表示技術(shù)成本，C42表示管理成本，C43表示計劃工期，C51表示施工安全性，C52表示風(fēng)險損失度，C61表示環(huán)境影響，C62表示航運影響，C63表示錨地影響。

2.2 形成評價指標(biāo)體系分析表

評價指標(biāo)體系分析表如表1所示。

3 基于組合賦權(quán)-TOPSIS 方法的水下隧道施工方案決策模型

3.1 應(yīng)用AHP方法確定主觀權(quán)重

AHP 法是在20世紀(jì)70年代初由美國運籌學(xué)家Saa‐ty[24]提出的，該方法在確定復(fù)雜系統(tǒng)中不同層次的各指標(biāo)權(quán)重時，簡便快捷，具有獨到的優(yōu)勢，已被廣泛地應(yīng)用。在本研究中主要應(yīng)用于水下隧道施工方案的主觀性評價，應(yīng)用AHP 法確定評價指標(biāo)的主觀權(quán)重的步驟如下。

（1）建立層次分析模型。將表1中的評價指標(biāo)劃分成若干層次，用框架圖表達(dá)階梯層次結(jié)構(gòu)和各指標(biāo)之間的從屬關(guān)系。

圖1 水下隧道施工方案影響因素架構(gòu)圖

表1 水下隧道施工方案評價指標(biāo)體系分析表

表2 重要性比較標(biāo)度表

表3 1～10階矩陣RI值

（2）構(gòu)造判別矩陣。引入Saaty的1～9標(biāo)度將各評價指標(biāo)之間的重要性用具體數(shù)值表示出來[25]。比較各評價指標(biāo)之間的影響，采用兩兩對比，構(gòu)造出判斷矩陣P，判斷矩陣標(biāo)度及含義如表2。

（3）一致性檢驗。計算判斷矩陣一致性程度的公式為：

式中：CI表示一致性指標(biāo)；RI表示隨機(jī)性指標(biāo)；λmax表示判斷矩陣對應(yīng)的最大特別征值；n表示評價指標(biāo)數(shù)目。

當(dāng)CR<0.1 時，則認(rèn)為其一致性能夠接受，權(quán)重分配合理，否則要重新進(jìn)行調(diào)整。1～10 階RI取值見表3[26]。

3.2 應(yīng)用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

信息熵是美國數(shù)學(xué)家Shannon[27]于1948年提出的，熵權(quán)法克服了現(xiàn)階段的評價方法存在指標(biāo)的賦權(quán)過程受人為因素影響較大的問題。熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)的變異程度，利用信息熵計算出各指標(biāo)的熵權(quán)，再通過熵權(quán)對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，從而得出較為客觀的指標(biāo)權(quán)重[28]。在本研究中，熵權(quán)法主要應(yīng)用于水下隧道施工方案的客觀性評價，應(yīng)用步驟如下。

（1）數(shù)據(jù)處理

由于各指標(biāo)的標(biāo)度類型和量綱都不相同，不能直接用來計算各自權(quán)重和量化。為便于各指標(biāo)在同一層次下處理，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但若數(shù)據(jù)中有負(fù)數(shù)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行非負(fù)化處理。此外，為了避免求熵值時對數(shù)無意義，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)平移。

對于越大越好的指標(biāo)，規(guī)范化式為

對于越小越好的指標(biāo)，規(guī)范化式為

在式（3）（4）中，、分別為第j個水下隧道施工方案第i項指標(biāo)的最小值和最大值；x′ij為第j個水下隧道施工方案第i項指標(biāo)xij的規(guī)范化數(shù)值。

（2）歸一化處理

在數(shù)據(jù)規(guī)范化處理之后，要將數(shù)據(jù)進(jìn)一步做歸一化處理，歸一化處理方法如下：

（3）計算熵值

式中，K=(lnn)-1

（4）計算權(quán)重

部分中介效應(yīng)模型表明，在兩兩變量相關(guān)分析中，職業(yè)希望自我與主觀幸福感之間的相關(guān)顯著。同時對三個變量之間的分析表明：職業(yè)希望自我對主觀幸福感的影響顯著，但是路徑系數(shù)小于職業(yè)希望自我與主觀幸福感之間的相關(guān)系數(shù)；心理彈性對主觀幸福感的影響顯著；職業(yè)希望自我對主觀幸福感的影響顯著。可以看出，主觀幸福感受職業(yè)希望自我的直接影響，同時職業(yè)希望自我還通過心理彈性間接影響主觀幸福感。也就是說，心理彈性在職業(yè)希望自我與主觀幸福感之間起到部分中介作用。

3.3 應(yīng)用組合賦權(quán)法確定綜合權(quán)重

組合賦權(quán)法由主、客觀賦權(quán)法相結(jié)合，彌補了各自的不足。根據(jù)層次分析法和熵權(quán)法的計算步驟，分別得出每個指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，然后利用乘法集成法將2 種權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán)，應(yīng)用于水下隧道施工方案評價[29]。

式中：ωi為水下隧道施工方案第i個指標(biāo)的綜合權(quán)重；ωai，ωbi分別為水下隧道施工方案第i個指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重。

3.4 應(yīng)用TOPSIS方法對施工備選方案進(jìn)行排序和優(yōu)選

TOPSIS(Technique for Order Preference by Similari‐ty to an Ideal Solution)法是Hwang[30]于1981年首次提出的。TOPSIS 法根據(jù)有限個評價對象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序，并在現(xiàn)有的對象中進(jìn)行相對優(yōu)劣的評價，是多目標(biāo)決策分析中一種常用的有效方法[31]。應(yīng)用TOPSIS法進(jìn)行水下隧道施工方案優(yōu)選排序的步驟如下。

（1）構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣

因為各指標(biāo)的重要程度不同，所以考慮各因素的熵權(quán)，將規(guī)范化數(shù)據(jù)加權(quán)，構(gòu)成加權(quán)規(guī)范化矩陣。

（2）確定理想解和負(fù)理想解，并計算距離

式中，I1為效益型指標(biāo)集；I2為成本型指標(biāo)集。

各施工方案與理想解和負(fù)理想解的距離分別為：

（3）確定相對貼近度并對方案排序

施工方案與理想解的相對貼近度為：

Sj按從大到小排序，Sj越大，施工方案越接近于理想解V+，為最優(yōu)方案。

4 工程實例的應(yīng)用與驗證

4.1 工程概況

工程實例為南方某市水下隧道，所經(jīng)海域?qū)挾燃s3.5 km，水深8～10 m，單孔隧道斷面達(dá)12～15 m。項目路線全長6.8 km，其中北岸接線長0.5 km、隧道長4.95 km、南岸接線長1.35 km，投資總額38.45 億元，項目建設(shè)周期約5～6年。

表4 Ⅰ級指標(biāo)的判斷矩陣

表5 水下隧道施工方案各指標(biāo)的主觀權(quán)重

隧道穿越地層有：①淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土層，土層呈流塑～軟塑狀，具大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度等特性；②飽和砂層，砂層穩(wěn)定性差，富水承壓，其中的粉細(xì)砂層具有輕微～中等液化特性；③黏性土，部分位于飽和砂土層中，粘土層黏粒含量大；④上部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、密實中粗砂，下部為中～微風(fēng)化花崗巖，呈上軟下硬的復(fù)合地層狀況；⑤存在花崗巖球狀風(fēng)化區(qū)。

北岸隧道下穿湖溝和大直徑雨污水管等地下管線，同時北岸交通需考慮與多條道路進(jìn)行接線。南岸工區(qū)附近存在軍事區(qū)，海域內(nèi)有軍艦出入，隧道南北兩岸連接線路受限。

該市為亞熱帶海洋性氣候，年平均氣溫21～22 ℃，日照時間2000～2500 h，降雨量1300～1800 mm。

4.2 應(yīng)用決策模型進(jìn)行方案的優(yōu)選

（1）確定指標(biāo)參數(shù)

Ⅰ級水文地質(zhì)條件指標(biāo)由地層巖性，工法適應(yīng)性，隧道埋深3 個Ⅱ級指標(biāo)參數(shù)組成，其中C1表示水文地質(zhì)條件，C11表示地層巖性，C12表示工法適應(yīng)性，C13表示隧道埋深。Ⅰ級幾何形狀性質(zhì)指標(biāo)由斷面形狀，隧道長度，最大坡度三個Ⅱ級指標(biāo)參數(shù)組成，其中C2表示幾何形狀性質(zhì)，C21表示斷面形狀，C22表示隧道長度，C23表示最大坡度。Ⅰ級施工技術(shù)要求指標(biāo)由施工難度，施工靈活性，防水性能3 個Ⅱ級指標(biāo)參數(shù)組成，其中C3表示施工技術(shù)要求，C31表示施工難度，C32表示施工靈活性，C33表示防水性能。Ⅰ級成本和工期限定指標(biāo)由技術(shù)成本，管理成本，計劃工期3 個Ⅱ級指標(biāo)參數(shù)組成，其中C4表示成本和工期限定，C41表示技術(shù)成本，C42表示管理成本，C43表示計劃工期。Ⅰ級施工風(fēng)險分析指標(biāo)由施工安全性和風(fēng)險損

表6 水下隧道施工方案各指標(biāo)的客觀權(quán)重

表7 水下隧道施工方案各指標(biāo)的綜合權(quán)重

圖1 構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣

（2）計算主觀權(quán)重

按照1～9標(biāo)度法，得到Ⅰ級指標(biāo)的判斷矩陣（見表4），以及水下隧道施工方案各指標(biāo)主觀權(quán)重（見表5）。

（3）計算客觀權(quán)重

對水下隧道施工方案各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化和歸一化處理，得到各指標(biāo)客觀權(quán)重如表6。失度兩個Ⅱ級指標(biāo)參數(shù)組成，其中C5表示施工風(fēng)險分析，C51表示施工安全性，C52表示風(fēng)險損失度。Ⅰ級環(huán)境友好狀況指標(biāo)由環(huán)境影響，航運影響，錨地影響3 個Ⅱ級指標(biāo)參數(shù)組成，其中C6表示環(huán)境友好狀況，C61表示環(huán)境影響，C62表示航運影響，C63表示錨地影響。

（4）計算綜合權(quán)重

根據(jù)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，得到水下隧道施工方案各指標(biāo)的綜合權(quán)重，如表7所示。

（5）構(gòu)造加權(quán)規(guī)范化矩陣（見圖1）

（6）確定理想解和負(fù)理想解，并計算距離

4.3 施工方案的排序與優(yōu)選

根據(jù)相對貼近度大小對施工方案進(jìn)行排序：S1=0.7918,S2=0.2992,S3=0.4043，S1>S3>S2。

4.4 施工方案決策及驗證

（1）施工方案決策。綜上計算過程，結(jié)合本工程影響因子，適用于本水下隧道工程施工的方案排序為：首選盾構(gòu)法，次選鉆爆法，再次選沉管法。

（2）效果驗證。本工程實際施工時采用盾構(gòu)法施工方案，實現(xiàn)了工程的質(zhì)量、成本、進(jìn)度及安全目標(biāo)，效果良好。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)水下隧道施工的特點，考慮了水文地質(zhì)條件、幾何形狀性質(zhì)、施工技術(shù)要求、成本和工期限定、施工風(fēng)險分析、環(huán)境友好狀況等因素，系統(tǒng)而全面地分析了水下隧道施工方案決策的影響因素。

（2）根據(jù)水下隧道施工方案的影響因素，構(gòu)建了基于施工方案優(yōu)選和排序的包括6 個Ⅰ級指標(biāo)，17 個Ⅱ級指標(biāo)的水下隧道施工方案評價指標(biāo)體系。

（3）建立了基于組合賦權(quán)法和TOPSIS 方法的多屬性水下施工方案決策模型。分別利用層次分析法和熵權(quán)法確定了主觀和客觀權(quán)重，并通過組合賦權(quán)法確定了評價指標(biāo)的綜合權(quán)重，最后運用TOPSIS 法確定了理想解和負(fù)理想解，保證了對施工方案評價的合理性與貼近性。

（4）通過運用水下隧道施工方案模型對實際工程進(jìn)行決策分析，結(jié)合工程實際實施效果，對本研究提出的水下隧道施工方案決策方法和運用程序進(jìn)行了驗證，分析及應(yīng)用結(jié)果證明了該方法的適用性、有效性和可操作性。