基于層次分析法的220 kV變電站進線非開挖電力排管工程施工方案分析

袁 奇，王 敏，寧 科，宋 喆

(1.國網(wǎng)上海市電力公司電纜分公司，上海 200072；2.國網(wǎng)上海市電力公司嘉定供電公司，上海 200072)

目前擁有更大可能的地下空間逐漸成為工程建設的關(guān)注焦點，尤其是電力電纜建設。電力電纜地下敷設方式主要有直埋敷設、淺槽敷設、電纜溝敷設、穿管敷設、電纜隧道敷設等方法，前3種敷設方法屬于明挖法，后2種屬于非開挖法。受地質(zhì)水文、交通等因素影響，電力電纜敷設越來越多采用非開挖方法進行施工。

1 當前電力電纜非開挖施工特點

目前非開挖技術(shù)按用途可以分為鋪設新管線、修復置換老舊管線和探測管線管網(wǎng)3個方面。電力電纜非開挖施工主要為鋪設新管線和探測管線，根據(jù)施工方法，可分為水平導(定)向鉆進鋪管法、氣動矛鋪管法、頂管鋪管法、盾構(gòu)鋪管法[1]。

(1)水平導(定)向鉆進鋪管法，需要在已有物探的基礎上，利用導向儀器控制鉆機鉆具，按預設計軌跡先打好導向孔，然后再回拉擴孔到預設尺寸，最后再完成管材鋪設等工作。水平導(定)向鉆進鋪管法具有開挖面小、工期短、工程成本低等優(yōu)點，適用于地表管線復雜，許穿越河流、不能明挖的場合。

(2)氣動矛鋪管法利用壓縮空氣做動力，推進氣動矛在土壤中鉆進，按預設軌跡鉆出通道。氣動矛鋪管法具有設備簡單、操作方便的特點，適用于短距離(一般30 m內(nèi))、小直徑管道的鋪設，尤其適合于小空間施工作業(yè)。

(3)頂管鋪管法利用激光導向系統(tǒng)來控制管道頭部的鉆掘系統(tǒng)鉆進，通過管道的逐段追加向前鋪完成鋪管施工。頂管具有對周邊影響下、噪聲和震動可控等優(yōu)點，可用于地下深處管道的敷設。

(4)盾構(gòu)鋪管法需要依賴盾構(gòu)機完成通道的掘進工作。電力電纜隧道一般為盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)鋪管法具有施工速度快、施工質(zhì)量穩(wěn)定、對周邊影響小等優(yōu)點，但成本比較高，適合于軟地基施工。

2 層次分析法

工程建設上某項目中多種施工方案的必選，從數(shù)學角度而言，屬于同一問題的多方案比選，并且各方案的具體內(nèi)容方法已確定。在給定的評價準則框架下，對各個方案進行分析、綜合評價和排序，這些評價準則不止一個，往往包含多個，并且受主體影響而變化。

實踐證明，層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是解決此類問題的有效方法[2]。

2.1 層次分析法總體思想

層次分析法，將復雜的問題分解成組成要素，再進一步將這些要素按支配關(guān)系分解成層次結(jié)構(gòu)因素，通過一定的數(shù)學比較方法確定諸多因素的重要性，再結(jié)合決策者的需求，最終確定總的方案排序。

層次分析法的總體基本思路具體如下。

(1)明確方案評價的目標、評價準則和評價指標體系，列舉待比較的各方案的具體內(nèi)容。

(2)根據(jù)層次分析模型，對應建立評價模型。

(3)構(gòu)造比較判斷矩陣。

圖1 層次分析法的評價模型

在圖1的評價模型里，下一層中的各元素均可以用上一層的一個元素作為準則進行比較，一般常采用兩兩比較的形式。以aij來表示某一層中第i個元素與第j個元素對上層某一準則的相對重要性，aij取值一般是數(shù)字1～9及其倒數(shù)。

由aij構(gòu)成的矩陣稱為判斷矩陣A，其中A中元素aij的取值規(guī)則由表1所示。

表1 判斷矩陣中元素取值

當然，aij的取值也可以是2,4,6,8，同時aji=1/aij。若兩個因素之間有明確的計算結(jié)果，則aij取該計算值。

2.2 層次單排序和一致性檢驗

對于每一個判斷矩陣A，對應特征方程：

AW=λW

(1)

求解特征方程(1)，得特征向量并歸一化后，該向量即可認為是同一層次各因素以上次因素為準則時，作比較之后的重要性尺度。該過程即為層次單排序過程。鑒于主體的差異性，層次單排序結(jié)果也會不同，有時甚至前后差別較大。因此，對每一層的單排序結(jié)果再進行一致性檢驗就顯得很有必要。

一般通過計算一致性比例C.R.來進行一致性檢驗，定義：

(2)

(3)

式中C.I.——一致性比例；R.I.——平均隨機一致性指標；λmax——特征方程的最大特征根；n——判斷矩陣A的階數(shù)。

平均隨機一致性指標R.I.取值見表2。

表2 平均隨機一致性指標取值表

若計算結(jié)果C.R.<0.1，則可認為該層次單排序的結(jié)果獲得滿意的一致性評價，否則需要調(diào)整A的取值，重新驗算，直至滿足要求。

2.3 層次總排序和一致性檢驗

ak=Bkak-1

(4)

對于第k層中元素相對于總目標的排序向量ak，一般有：

ak=BkBk-1…B3a2，3≤k≤h

(5)

式中α2——第二層因素相對于總目標的排序向量；h——層數(shù)。

(6)

一般認為當C.Rk<0.1時，該評價模型在第k層通過了局部一致性檢驗。若檢驗過程一直進行到第h層，均有C.Rh<0.1，則可認為該模型總體滿足了一致性檢驗，所采用的A矩陣合理，層次總排序向量W=ah可信，可以用來作為排序使用。

3 應用層次分析法決策上海新澤220 kV變電站非開挖進線工程

3.1 工程概述

220 kV新澤站進線非開挖段地理示意圖如圖2所示。

圖2 220 kV新澤站進線非開挖段地理示意圖

220 kV新澤站進線沿滬青平公路路南側(cè)敷設，在薛家橋段，路徑夏陽徐家浜河，進線AB點直線距離196 m，河深3.8 m。

3.2 建立評價方案的層次結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合該工程實際和圖1所示的層次結(jié)構(gòu)模型，定義上海新澤220 kV變電站非開挖電力排管工程施工方案為目標層。

考慮到地形地貌地質(zhì)情況、水文以及當?shù)氐慕?jīng)濟交通社會等方面因素，準則層由非開挖長度、埋深、地質(zhì)水文條件、后期運維、施工成本和施工工期這6個因素組成[3-4]。

方案層由水平定向鉆進法、土壓平衡式機械頂管法、土壓平衡盾構(gòu)法這3個因素構(gòu)成。

因此，建立上海新澤220 kV變電站非開挖進線(電纜)工程的層次結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 220 kV新澤站進線非開挖層次結(jié)構(gòu)模型

3.3 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)圖2的層次模型構(gòu)建判斷矩陣。已目標層A為準則，B層各因素在準則A之下的重要性以B1，B2，B3，B4，B5，B6表示相對應權(quán)重，可得到一個6×6的判斷矩陣P。再以B層中每一個元素為準則，可得到方案層C層的判斷矩陣，對應方案層由3個元素構(gòu)成，上一層B層包含6個元素，可以得到6個3×3的判斷矩陣Q,Q=(Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6)。

首先對于判斷矩陣P，對非開挖長度、埋深、地質(zhì)水文條件、后期運維、施工成本和施工工期這6個因素進行分析。地質(zhì)水文條件和后期運維這兩個因素對于方案的選擇權(quán)重大，因為這兩個條件直接決定了方案的可行性；非開挖長度、埋深對方案的選擇影響一般，當前技術(shù)水平以及現(xiàn)場條件都可以實現(xiàn)，代價是時間和經(jīng)濟成本；施工成本和施工工期在合理范圍內(nèi)可以適當調(diào)整以滿足方案要求，故屬于較小的影響。因此，判斷矩陣P可列寫為

考慮到該工程非開挖段要穿越河流，結(jié)合3種施工方案的技術(shù)路線，經(jīng)過兩兩比較的判斷矩陣定義：

(8)

通過對河床底部淤泥的初步勘察，土質(zhì)層深：

(9)

再對及河岸規(guī)劃區(qū)域土層的取樣分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域土質(zhì)屬于粉質(zhì)粘土，非開挖區(qū)域上方有天然景景觀河，從生態(tài)角度和文化、環(huán)境角度對方案進行兩兩對比，得到判斷矩陣：

(10)

按照《規(guī)程》規(guī)定，電力電纜敷設必須滿足運維檢修，根據(jù)這一要求對方案進行兩兩對比，得到判斷矩陣：

(11)

根據(jù)該工程段實際情況，結(jié)合3種施工方案具體施工方法，兩兩比較得到判斷矩陣：

(12)

結(jié)合工期要求及3種方案的施工方法、進度和受外界影響程度，兩兩比較得到判斷矩陣：

(13)

至此，用于層次分析法的所有判斷矩陣均以得到。

3.4 層次排序與一致性檢驗

建立完判斷矩陣，需要對層次結(jié)構(gòu)進行排序和一致性檢驗。目前層次分析法的求解方法主要有特征向量法、最小二乘法、對數(shù)最小二乘法、最小偏差法等。

本文運用特征向量法進行層次分析法求解。首先進行層次單排序和一致性檢驗，判斷矩陣P、Q的計算結(jié)果見表3。

通過表3可以看出，所有矩陣的單層次排序C.R.值均小于0.1，滿足一致性檢驗。

根據(jù)式(5)計算方案層相對于總目標層的排序向量：

表3 準則層一致性檢驗結(jié)果

(14)

再根據(jù)式(6)對層次總排序進行一致性檢驗，經(jīng)計算，得到第3層總排序的一致性檢驗：

C.I.3=0.008

(15)

最終得到3個方案的最終排序(見表4)。

表4 三種非開挖方法的排序和權(quán)重

分層分析法的最后結(jié)果表明，考慮非開挖長度、埋深、地質(zhì)水文條件、后期運維、施工成本和施工工期這6個因素，上海新澤220 kV變電站非開挖電力排管工程施工采用最優(yōu)施工方案依次是水平定向鉆進法、水平平衡盾構(gòu)法和土壓平衡式機械頂管法。

4 結(jié)語

上海新澤220 kV變電站進線非開挖電力排管工程于2020年4月正式開始施工，采用水平定向鉆進法進行施工，并于2020年10月順利完工。由此可以看到，最終施工方案的選取和本文采用層次分析法得到的結(jié)論一致。

由于層次分析法受主體影響，不同的主體，即使同一的層次結(jié)構(gòu)圖，構(gòu)建的判斷矩陣也會有區(qū)別。因此制定矩陣的專家要集思廣益，力求做到準確、全面。