基于模糊評(píng)價(jià)法的TBM選型決策模型研究

摘 要：【目的】在進(jìn)行TBM工法施工時(shí)，根據(jù)地層條件和隧道設(shè)計(jì)要求來選擇合適的TBM類型非常重要。TBM選型不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致施工效率低下、應(yīng)對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)困難和施工成本增加等問題，因此，構(gòu)建一個(gè)TBM選型決策模型，在項(xiàng)目規(guī)劃階段提出選型指導(dǎo)意見非常有必要?！痉椒ā拷Y(jié)合AHP法和TOPSIS法，建立基于TBM選型適應(yīng)性評(píng)價(jià)的決策模型，通過采用熵權(quán)法優(yōu)化AHP法中的專家評(píng)分，提高了評(píng)分的可靠性。研究過程中選擇了隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、地質(zhì)情況和不良地質(zhì)等3類TBM選型適應(yīng)性指標(biāo)，如隧道平曲線半徑、巖石強(qiáng)度、巖體完整性、巖爆、突涌水等。在文獻(xiàn)調(diào)研和專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了TBM選型適應(yīng)性決策模型，并以新疆某水利工程為例驗(yàn)證模型的有效性?！窘Y(jié)果】研究結(jié)果表明，該模型所做的選型決策與實(shí)際情況相符?！窘Y(jié)論】研究成果可為項(xiàng)目規(guī)劃階段的TBM選型提供有益建議。

關(guān)鍵詞：TBM；模糊評(píng)價(jià)；TOPSIS方法；TBM選型；AHP法

中圖分類號(hào)：U25" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）09-0058-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.012

Research on TBM Selection Decision Model Based on Fuzzy Evaluation Method

PEI Chengyuan1 HAN Shuchen2 LAI Haixiang2 WANG Hengchao1 ZHAO Hailei3

（1.Xinjiang Irtysh River Investment and Development （Group） Co.， Ltd.， Urumqi 830000， China;

2.School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China;

3.State Key Laboratory of Shield Structure and Tunneling Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： [Purposes] When carrying out TBM construction， it is very important to select the appropriate TBM type according to the ground conditions and tunnel design requirements. The improper selection of TBM type will lead to problems such as low construction efficiency， difficulty in dealing with construction risks and increase in construction costs. Therefore， it is necessary to construct a TBM selection decision model to provide selection guidance in the project planning stage.[Methods] In this paper， a decision model based on the adaptive evaluation of TBM selection is established by combining AHP method and TOPSIS method. The reliability of the scoring is improved by using entropy weight method to optimize the expert scoring in AHP method. Three types of TBM selection adaptability indexes， such as tunnel design parameters， geological conditions and adverse geology， were selected in the research process， such as tunnel flat curve radius， rock strength， rock integrity， rock burst， and sudden water surge. On the basis of literature research and experts' experience， the decision-making model of TBM selection adaptability is constructed， and the effectiveness of the model is verified with a water conservancy project in Xinjiang as a case study.[Findings] The results show that the selection decision made by the model is consistent with the actual situation.[Conclusions] The results can provide useful suggestions for TBM selection in the project planning stage.

Keywords： TBM; fuzzy evaluation; TOPSIS method; TBM selection; AHP method

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增加，越來越多的長(zhǎng)大隧道修建被提上日程，TBM工法以其掘進(jìn)效率高、施工安全性好等優(yōu)點(diǎn)在長(zhǎng)大隧道修建方面得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。不過，這些優(yōu)點(diǎn)只有在正確選擇TBM類型的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)TBM選型適應(yīng)性較差時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)掘進(jìn)效率低下、停工休整頻繁甚至出現(xiàn)人員傷亡事故。例如，在日本的S隧道修建中采用了敞開式TBM，由于前期地質(zhì)勘查出現(xiàn)失誤，導(dǎo)致敞開式TBM在掘進(jìn)過程中受到圍巖擠壓大變形的影響而頻繁出現(xiàn)護(hù)盾被卡等問題，施工效率較為低下［5］。喜馬拉雅山隧道在使用TBM開挖時(shí)，由于高地應(yīng)力和地質(zhì)災(zāi)害較多，導(dǎo)致TBM的掘進(jìn)效率大幅下降，甚至出現(xiàn)停機(jī)、卡機(jī)等嚴(yán)重問題［6］。在斷層破碎帶或軟弱圍巖條件下，采用TBM掘進(jìn)容易出現(xiàn)刀盤堵塞問題，大大降低了施工效率，甚至?xí)?dǎo)致塌方等嚴(yán)重事故［7］。Gong等［8］總結(jié)了TBM在復(fù)合地層、斷層破碎帶、高地應(yīng)力巖體及有限掘進(jìn)條件下的掘進(jìn)問題及應(yīng)對(duì)措施，并將TBM的選型作為其中一種措施。上述研究表明，在項(xiàng)目規(guī)劃階段針對(duì)施工條件選擇合適的TBM，對(duì)于隧道施工的開展非常重要。

TBM施工問題涉及施工組織管理、地質(zhì)情況、地質(zhì)災(zāi)害、巖機(jī)接觸、機(jī)電控制和巖土體情況等，其中地質(zhì)情況、地質(zhì)災(zāi)害和巖土體情況是重中之重。地質(zhì)情況、地質(zhì)災(zāi)害和巖土體情況具有難以量化的特點(diǎn)，為解決這一問題，許多研究人員做出了許多努力。Hyun等［9］將故障樹分析和層次分析法相結(jié)合分析了盾構(gòu)隧道施工時(shí)出渣、卡機(jī)和刀具損壞的施工風(fēng)險(xiǎn)；Wang等［10］將模糊綜合評(píng)價(jià)法與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合構(gòu)建了地鐵建設(shè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分析決策模型，并在大連地鐵建設(shè)中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用；Wei等［11］采用模糊證據(jù)推理方法評(píng)估了深基坑項(xiàng)目施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，該方法將風(fēng)險(xiǎn)事件用梯形模糊數(shù)表征，各個(gè)事件的權(quán)重采用層次分析法計(jì)算；Lin等［12］將畢達(dá)哥拉斯和三角模糊數(shù)相結(jié)合構(gòu)建了混合模糊集用于定量分析風(fēng)險(xiǎn)事件，采用專家置信因子修正了專家評(píng)分，最后采用TOPSIS方法分析了基坑開挖的風(fēng)險(xiǎn)事件，并進(jìn)行了敏感性分析；Tan等［13］基于新疆某水利工程提出了敞開式TBM掘進(jìn)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，采用模糊隸屬函數(shù)表征各指標(biāo)的適應(yīng)程度，通過層次分析熵權(quán)法計(jì)算了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過新疆某水利工程的案例研究驗(yàn)證了該方法的可靠性。由此可見，采用模糊數(shù)學(xué)理論評(píng)價(jià)隧道及地下工程的各類問題已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用背景。

許多學(xué)者研究了TBM的選型方法。Shahriar等［14］認(rèn)為硬巖TBM的施工風(fēng)險(xiǎn)來源于巖土工程風(fēng)險(xiǎn)，如斷層破碎帶、隧道突泥突水、隧道掌子面失穩(wěn)等，并基于決策樹構(gòu)建了TBM選型模型。Khademi等［15］在分析了敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM的特點(diǎn)后，認(rèn)為決定TBM選型的關(guān)鍵因素是施工中遭遇的不良地質(zhì)，包括斷層破碎帶、溶洞、突涌水、掌子面及隧道邊墻失穩(wěn)、圍巖擠壓大變形和瓦斯氣體，采用三角模糊數(shù)與層次分析法相結(jié)合構(gòu)建了基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的TBM選型模型；Golestanifar等［16］以伊朗Ghomroud輸水隧洞為例，基于TOPSIS方法和模糊層次分析法評(píng)估了各種隧道施工方法對(duì)伊朗Ghomroud輸水隧洞的匹配程度，評(píng)估結(jié)果表明采用TBM工法效果最佳，與實(shí)際結(jié)果相符；Yakhchali［17］認(rèn)為TBM的選型是一個(gè)多目標(biāo)決策問題，并采用三角模糊數(shù)與TOPSIS法相結(jié)合進(jìn)行TBM選型。

以往對(duì)TBM選型的研究往往將重點(diǎn)聚焦于地質(zhì)災(zāi)害，而對(duì)地質(zhì)條件和隧道設(shè)計(jì)參數(shù)的考慮較少。本研究將地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害和隧道設(shè)計(jì)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將EW-AHP法和TOPSIS法相結(jié)合構(gòu)建了TBM選型適應(yīng)性決策模型。首先，為了增強(qiáng)AHP法的可靠程度，本研究采用熵權(quán)法進(jìn)行優(yōu)化；其次，為了提高模型的決策效率，采用區(qū)間尺度法統(tǒng)一了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)；最后，選取三個(gè)工程作為案例驗(yàn)證，結(jié)果表明，本研究提出的TBM選型適應(yīng)性決策模型可以較好地評(píng)價(jià)施工條件并給出TBM選型建議。該模型可以進(jìn)一步改造為程序，對(duì)采用TBM工法施工的隧道具有一定的參考價(jià)值。

1 TBM選型決策模型理論

影響TBM選型因素有很多，例如地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害以及隧道設(shè)計(jì)等方面，本研究采用層次分析法確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并通過專家調(diào)查和評(píng)分確定了指標(biāo)權(quán)重，最終利用TOPSIS法進(jìn)行TBM選型的適應(yīng)性決策。

1.1 模型概況

TBM的選型受到多種影響因素的限制。因此，對(duì)影響因素進(jìn)行分析和評(píng)估，從而選出最為合適的TBM類型對(duì)于TBM隧道施工至關(guān)重要。TBM選型決策模型主要決策過程如圖1所示，包含4個(gè)步驟：①影響因素分析；②評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定；③確立單一指標(biāo)適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；④TBM選型決策。第一步主要包括影響因素的收集、分類、篩選；第二步主要包括構(gòu)建層次指標(biāo)體系，組織專家打分，對(duì)專家打分進(jìn)行修正，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重；第三步主要包括調(diào)研文獻(xiàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定不同類型TBM對(duì)單一指標(biāo)的適應(yīng)性；第四步主要包括TBM選型適應(yīng)性決策，為項(xiàng)目管理者提供參考。

1.2 影響因素分析

采用TBM工法進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的施工條件，選擇適合的TBM進(jìn)行施工。TBM主要包含以下3種類型：敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM。在本研究中，TBM選型影響因素根據(jù)工程實(shí)踐、TBM掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和3種TBM的優(yōu)缺點(diǎn)綜合考量來確定。3類主要影響因素總結(jié)如下。

1.2.1 地質(zhì)條件。影響TBM選型適應(yīng)性的地質(zhì)條件一是巖體的單軸壓縮強(qiáng)度（UCS），二是巖體的完整程度（Kv）。敞開式TBM適用于巖體相對(duì)完整或接近完整的硬巖層；單盾構(gòu)TBM適用于具有一定自穩(wěn)性的軟巖層；雙盾構(gòu)TBM用于具有一定自穩(wěn)性的軟巖層或接近完整的巖層。據(jù)此，確定2個(gè)TBM選型適應(yīng)性影響因素，包括UCS，Kv［18-21］。

1.2.2 地質(zhì)災(zāi)害。地質(zhì)災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致TBM掘進(jìn)效率大幅降低，甚至造成卡機(jī)、停機(jī)等嚴(yán)重問題。不同類型的TBM對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的適應(yīng)程度并不相同。例如，封閉性較差的敞開式TBM遭遇巖爆災(zāi)害時(shí)，對(duì)人員和設(shè)備的保護(hù)性較差，而護(hù)盾式TBM則可以對(duì)巖爆具有一定的抵御作用。綜合考慮后，本研究確定了6個(gè)地質(zhì)災(zāi)害影響因素，包括巖爆、突涌水、斷層破碎帶、有害氣體、高地溫和圍巖大變形等因素［18-21］。

1.2.3 隧道設(shè)計(jì)。隧道的設(shè)計(jì)方案同樣會(huì)限制TBM的選型，不同類型的TBM轉(zhuǎn)彎半徑也不同，因此隧道平曲面半徑的大小會(huì)限制TBM的選型。隧道設(shè)計(jì)方面確定1個(gè)影響因素為隧道平曲面半徑［18-21］。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

1.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建要求。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重通過層次分析法確定，因此，在構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)必須包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。目標(biāo)層代表層次分析所要解決的問題，準(zhǔn)則層是層次分析法的中間環(huán)節(jié)，代表實(shí)現(xiàn)目標(biāo)層所面臨的問題，指標(biāo)層代表的是影響目標(biāo)的詳細(xì)問題。首先，層次分析法根據(jù)問題的性質(zhì)和要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)，將問題劃分為各個(gè)組成部分。其次，根據(jù)各因素之間相互關(guān)聯(lián)的影響和隸屬關(guān)系，收集和排列各層次的因素，形成多層次分析結(jié)構(gòu)模型。最后，將問題簡(jiǎn)化為確定最低層次（措施、決策等）相對(duì)于最高層次（總目標(biāo)）的相對(duì)重要性或相對(duì)優(yōu)劣勢(shì)安排。在應(yīng)用層次分析法時(shí)，如果選擇的要素不合理、含義不明確或之間的聯(lián)系有誤，就會(huì)降低層次分析法的結(jié)果質(zhì)量，使層次分析法的決策失敗。要保證層次結(jié)構(gòu)的合理性，就必須遵循以下原則：①在分解和簡(jiǎn)化問題時(shí)，一定要抓住關(guān)鍵部分，不要有所遺漏；②注意被比較部分之間的強(qiáng)度關(guān)系，相差太大的元素不能在同一層次上進(jìn)行比較。

1.3.2 專家調(diào)查評(píng)分。專家打分法以匿名方式征求相關(guān)專家意見，并對(duì)這些意見進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、處理、分析和總結(jié)，客觀地綜合大多數(shù)專家的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，對(duì)難以采用技術(shù)方法進(jìn)行定量分析的因素做出合理估算。然后，在經(jīng)過多輪咨詢、反饋和調(diào)整后，使用該方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定量分析。它具有簡(jiǎn)便、直觀、便于定量分析等優(yōu)點(diǎn)。選擇多位行業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行打分，打分規(guī)則為九標(biāo)度法［22］。九標(biāo)度法評(píng)分規(guī)則見表1，每位專家的打分用矩陣An表示。

1.3.3 指標(biāo)權(quán)重確定方法。在使用層次分析法之前，需確定問題的層次和組織結(jié)構(gòu)。然后，創(chuàng)建一個(gè)分析層次過程結(jié)構(gòu)模型。分析層次結(jié)構(gòu)通常分為三層：方案層在底部，準(zhǔn)則層在中間，目標(biāo)層在頂部。準(zhǔn)則層顯示了達(dá)到預(yù)定目標(biāo)所需的中間步驟，方案層顯示了問題的精確解決方案，目標(biāo)層則代表了解決問題的原因，即使用分析層次過程所要達(dá)到的目標(biāo)。將修正的專家評(píng)分矩陣Cn作為判斷矩陣計(jì)算權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，證明所得權(quán)重是否可靠。

首先，對(duì)矩陣每行元素的乘積進(jìn)行歸一化處理，見式（1），αj為特征向量。

[δi=（j=1ncij）1nαj=δji=1nδi]" " " " " " " （1）

使用式（2）計(jì)算判斷矩陣的最大特征值，λmax即為各指標(biāo)的權(quán)重。

[λmax=1ni=1nj=1naijαjαi]" " " " " "（2）

此時(shí)，需要對(duì)所求權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，首先用式（3）計(jì)算一致性指標(biāo)CI。

[CI=λmax-nn-1]" " " " " " "（3）

然后，通過表2獲取一致性指數(shù)RI［23］。

隨機(jī)一致性比率是為了評(píng)估矩陣是否具有足夠的一致性，采用了CR值。若滿足式（4），則證明判斷矩陣符合一致性要求，若不符合一致性檢驗(yàn)，則需要重新評(píng)分。

[CR=CIRIlt;0.1]" " " " " " " （4）

最終，得到權(quán)重向量Y。

為了減小指標(biāo)間的誤差，需要用熵權(quán)法進(jìn)行修正。

為創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化判斷矩陣，首先對(duì)通過一致性檢驗(yàn)的判斷矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，見式（5）。

[R=A·1i=1naij]" " " " " " （5）

求指標(biāo)的熵Ej，見式（6）。

[Ej=-i=1nrijlnrijlnn]" " " " " "（6）

求各指標(biāo)的修正系數(shù)μj，見式（7）。

[μj=1-Ejj=1n1-Ej]" " " " " " （7）

求權(quán)重系數(shù)θj，見式（8）。

[θj=μjαjj=1nμjαj]" " " " " " （8）

最后，得到權(quán)重修正系數(shù)ωj，見式（9）。

[ωj=0.5αj+0.5θj]" " " " " "（9）

1.4 單一指標(biāo)適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定方法

確定每個(gè)單一指標(biāo)的適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)TBM選型適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。本研究結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研、專家意見和工程經(jīng)驗(yàn)，按照敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM將TBM選型適應(yīng)性程度進(jìn)行劃分。敞開式TBM、單護(hù)盾TBM和雙護(hù)盾TBM有著較為清晰的適用范圍。

本研究根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和不同類型TBM的特點(diǎn)（表3）［15，24-26］，確定不同類型TBM的適用范圍，并制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。為了提高決策效率，劃分了6個(gè)評(píng)分等級(jí)：0分以下代表不適合采用任何TBM施工；0～2分代表適合采用單護(hù)盾TBM施工；2～4分代表適合采用雙護(hù)盾TBM施工；4分以上代表適合采用敞開式TBM施工。

1.5 TBM選型決策方法

在多目標(biāo)決策問題中，根據(jù)正負(fù)理想解之間的差距對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行排序，是近似理想解排序法（TOPSIS法）的基本理論。與完全相反的負(fù)理想解相比，正理想解達(dá)到了最優(yōu)指標(biāo)，也就是所謂的虛擬最優(yōu)解。TOPSIS法評(píng)估當(dāng)前項(xiàng)目的相對(duì)利弊，并根據(jù)它們與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序。在多目標(biāo)決策分析中，TOPSIS方法是一種常用且有效的方法，本文所開發(fā)模型具體步驟如下。

1.5.1 構(gòu)建初始評(píng)價(jià)矩陣。設(shè)方案集P={P1，P2，…，Pm}，每個(gè)方案評(píng)判指標(biāo)集r={r1，r2，…，rn}，評(píng)價(jià)指標(biāo)rij表示第i個(gè)方案的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中i∈［1，m］，j∈［1，n］，初始評(píng)判矩陣可以表示為公式（10）。

[P=rijn×n=r11r12…r1j…r1nr21r22…r2j…r2n?????ri1ri2…rij…rin?????rn1rn2…rnj…rnn]" "（10）

1.5.2 加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。TOPSIS方法將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為消耗性指標(biāo)和收益性指標(biāo)兩類。對(duì)于消耗性指標(biāo)來說，數(shù)值越小越好，而對(duì)于收益性指標(biāo)來說，數(shù)值越大越好。由于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都有不同的量綱單位，不具有可比性，因此需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量綱統(tǒng)一化處理，以消除指標(biāo)的不可比性。標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣D=（dij）m×n，計(jì)算公式見式（11）。

[收益性指標(biāo)： dij=rij-min（rij）max（rij）-min（rij）消耗性指標(biāo)： dij=max（rij）-rijmax（rij）-min（rij）]" " " "（11）

將矩陣D的列向量乘以采用AHP方法確定的指標(biāo)層層次的總排序權(quán)重X，即可得出加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣R，見式（12）。

[R=rijn×n=x1d11x2d12…xjd1j…xnd1nx1d21x2d22…xjd2j…xnd2n?????x1di1x2di2…xjdij…xndin?????x1dn1x2dn2…xjdnj…xndnn]" （12）

1.5.3 計(jì)算正負(fù)理想解距離。行向量的最大值代表收益性指標(biāo)集J1的正理想解，最小值代表負(fù)理想解，而消耗指標(biāo)集J2的取值則相反，可表示為式（13）。

[R+={（maxxndmnm∈J1），（minxndmnm∈J2）}R-={（minxndmnm∈J1），（minxndmnm∈J2）}]" （13）

式中：R+與R-分別為正理想解和負(fù)理想解。評(píng)判對(duì)象與理想解的距離見式（14）。

[D+i=j=1n（rij-r+j）2D-i=j=1n（rij-r-j）2]" " " " " "（14）

式中：ri+，ri-分別是與Ri+，Ri-相對(duì)應(yīng)的元素，Di+和Di-分別是評(píng)判對(duì)象與正負(fù)理想解之間的距離。

1.5.4 TBM選型適應(yīng)性決策。由TOPSIS法的貼近度分析所得結(jié)果確定選型適應(yīng)性。貼近度分析的計(jì)算見式（15）。

[C+i=D-iD+i-D-i（0≤C+i≤1）]" " " "（15）

評(píng)判對(duì)象與正理想解的貼近度通常用Ci+來表示，Ci+取值為（0，1），當(dāng)評(píng)判對(duì)象為正理想解時(shí)，Ci+=1；當(dāng)評(píng)判對(duì)象為負(fù)理想解時(shí)，Ci+=0。最終，得到適應(yīng)性評(píng)價(jià)向量［E1，E2，E3，E4，E5，E*］，其中E1～E5代表不同類型TBM適應(yīng)性的臨界值，E*代表評(píng)價(jià)對(duì)象的適應(yīng)度。當(dāng)E*∈（E1，E2）時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用敞開式TBM；當(dāng)E*∈（E2，E4）時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用雙護(hù)盾TBM；當(dāng)E*∈（E4，E5）時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用單護(hù)盾TBM。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)確定

在層次分析法的基礎(chǔ)上利用專家打分，建立TBM選型適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并確定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。以此能夠全面考慮隧道設(shè)計(jì)、地質(zhì)條件和不良地質(zhì)等多種因素，為TBM選型提供可靠的決策依據(jù)，從而保障隧道施工的順利進(jìn)行和工程的安全性。

2.1 指標(biāo)權(quán)重確定

2.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立。根據(jù)第1.2節(jié)的內(nèi)容，本研究將隧道設(shè)計(jì)：隧道平曲面半徑（U1）；地質(zhì)條件為巖石單軸壓縮強(qiáng)度（U2）， 巖體完整性系數(shù)（U3）；地質(zhì)災(zāi)害有破碎帶（U4）、大變形（U5）、突涌水（U6）、巖爆（U7）、有害氣體（U8）和高地溫（U9）。作為評(píng)價(jià)指標(biāo)并按照層次結(jié)構(gòu)構(gòu)建TBM選型適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。

2.1.2 確定專家評(píng)分。通過1.3.2節(jié)所述方法，計(jì)算得到修正后的專家評(píng)分，計(jì)算過程見表4，評(píng)分見表5。

2.2 確定單一指標(biāo)適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，采用1.4節(jié)提出的方法制定了單一指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

3 案例驗(yàn)證

3.1 項(xiàng)目概況與所需數(shù)據(jù)獲取

為了驗(yàn)證該模型的可靠性，本研究選取采用敞開式TBM的新疆某水利工程，工程采用的TBM在實(shí)際掘進(jìn)中效果非常良好，具體項(xiàng)目概況如下。新疆某水利工程，項(xiàng)目全長(zhǎng)540 km，包括XE、KS和SS隧道，主要采用敞開式TBM施工。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告顯示，TBM穿越8個(gè)區(qū)域性斷裂破碎帶。該地區(qū)地震基本烈度為7級(jí)。隧道巖性為華力西期花崗巖、白堊紀(jì)泥巖和砂巖。在該項(xiàng)目中，敞開式TBM具有良好的掘進(jìn)效果。本研究選擇KS隧道K2+310-K4+310段作為該項(xiàng)目的代表性段落，依托該段落對(duì)前述TBM選型決策模型進(jìn)行驗(yàn)證，模型數(shù)據(jù)見表6。

3.2 TBM選型決策

根據(jù)表6所制定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)表7的數(shù)據(jù)進(jìn)行打分，結(jié)果見表8。

根據(jù)第2節(jié)提出的方法，對(duì)新疆某水利工程進(jìn)行了TBM選型決策。

①構(gòu)建初始評(píng)價(jià)矩陣。

[555555555444444444333333333222222222111111111000000000445554545]

②得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣。Project 1標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣如下。

[1111111110.80.80.80.80.80.80.80.80.80.60.60.60.60.60.60.60.60.60.40.40.40.40.40.40.40.40.40.20.20.20.20.20.20.20.20.20000000000.80.81110.810.81]

③計(jì)算正負(fù)理想解距離。通過式（13）至式（15）得到正負(fù)理想解距離。

④TBM選型適應(yīng)性決策。利用式（15）進(jìn)行計(jì)算得到新疆某水利工程的貼近度向量為［1，0.8，0.6，0.4，0.2，0，0.916175］，E*∈（E1，E2），評(píng)價(jià)結(jié)果表明，新疆某水利工程適合采用敞開式TBM施工，與實(shí)際情況相符。

通過案例研究可以證明本研究提出的TBM選型適應(yīng)性決策模型具有較好的決策水平。

4 結(jié)論

本研究基于模糊理論將熵權(quán)法、AHP法和TOPSIS法進(jìn)行結(jié)合提出了一種TBM選型決策模型。通過新疆某水利工程，驗(yàn)證了該模型的可靠性，得出以下結(jié)論。

①本研究提出了一種基于模糊評(píng)價(jià)方法的TBM選型決策模型，該模型可以在項(xiàng)目開始前對(duì)TBM的選型進(jìn)行指導(dǎo)。該模型充分考慮了工程經(jīng)驗(yàn)和專家意見，并較好地將它們結(jié)合在一起。采用修正加權(quán)法對(duì)專家評(píng)分進(jìn)行修正，提高了專家打分的可靠性。采用區(qū)間尺度法量化了各評(píng)價(jià)指標(biāo)并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，提高了模型的決策效率。

②TBM的選型受到多種因素的影響，本研究根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和專家意見考慮了3方面的因素（9個(gè)指標(biāo)），通過修正加權(quán)法和AHP法分析后發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害對(duì)于TBM的選型影響較大，在項(xiàng)目規(guī)劃階段應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。

③本研究通過新疆某水利工程，驗(yàn)證了該模型的可靠性，模型決策結(jié)果與工程實(shí)際情況相符。相關(guān)人員可以根據(jù)該模型進(jìn)行TBM選型，也可以根據(jù)模型中的層次分析結(jié)果考察并改善項(xiàng)目中的高風(fēng)險(xiǎn)因素。

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