模糊層次分析法在盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選中的應(yīng)用

蔡亮學(xué),何利民,呂宇玲,張德橋,陳雪華

(1.中國(guó)石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555;2.中國(guó)石化集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司,江蘇徐州 221000)

模糊層次分析法在盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選中的應(yīng)用

蔡亮學(xué)1,何利民1,呂宇玲1,張德橋2,陳雪華2

(1.中國(guó)石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266555;2.中國(guó)石化集團(tuán)管道儲(chǔ)運(yùn)公司,江蘇徐州 221000)

盾構(gòu)穿越工程中,選用合適的盾構(gòu)機(jī)型以適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件與施工要求至關(guān)重要,但目前多依靠施工經(jīng)驗(yàn)定性判斷。引入定性評(píng)價(jià)與定量分析相結(jié)合的模糊層次分析法(FAHP),通過(guò)建立遞階層次模型、確定模糊一致矩陣、計(jì)算指標(biāo)權(quán)重 3個(gè)步驟進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)型的優(yōu)選。該方法在宜昌長(zhǎng)江盾構(gòu)穿越中的成功應(yīng)用表明,建立遞階層次模型是 FAHP的關(guān)鍵環(huán)節(jié);指標(biāo)權(quán)重僅具有相對(duì)意義,用于對(duì)比排序,其數(shù)值沒(méi)有實(shí)際的物理意義。

模糊層次分析法;盾構(gòu);優(yōu)選;矩陣;權(quán)重

0 引言

與傳統(tǒng)隧道開(kāi)挖方式相比,盾構(gòu)法在掘進(jìn)速度、工程質(zhì)量、環(huán)境保護(hù)以及安全性等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),在地下空間的工程建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件與施工要求,大量新型盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,如擴(kuò)徑盾構(gòu)施工法、球體盾構(gòu)施工法、H&V盾構(gòu)施工法、變形斷面盾構(gòu)施工法等等,各方法均有特定的盾構(gòu)機(jī)型配合使用。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與開(kāi)挖方法,盾構(gòu)機(jī)型可分為 2大類(lèi):閉胸式與敞胸式,進(jìn)一步可細(xì)分為 6種機(jī)型[1],如圖 1所示。面對(duì)多樣的盾構(gòu)機(jī)型,針對(duì)特定工程條件選用最優(yōu)機(jī)型成為建設(shè)中的首要問(wèn)題,當(dāng)前多依靠施工經(jīng)驗(yàn)定性判斷[2～4],其準(zhǔn)確性與普適性均受到較大限制。為此,引入在工程決策中應(yīng)用日益廣泛的模糊層次分析法 (FAHP)[5,6]進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選,建立一種科學(xué)合理的定量評(píng)價(jià)方法,并以“川氣東送”管道宜昌長(zhǎng)江盾構(gòu)穿越工程為例,詳細(xì)給出 FAHP優(yōu)選盾構(gòu)機(jī)型的分析步驟。

圖1 盾構(gòu)機(jī)型的分類(lèi)

1 模糊層次分析法

1.1 FAHP概述

20世紀(jì) 70年代,為解決“根據(jù)各工業(yè)部門(mén)對(duì)國(guó)家福利貢獻(xiàn)大小進(jìn)行電力分配”課題,美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家 Saaty應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論與多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法提出了定性分析與定量分析相結(jié)合的層次分析法(AHP),通過(guò)明確問(wèn)題、建立層次分析結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序 5個(gè)步驟求解各層次構(gòu)成要素對(duì)總目標(biāo)的組合權(quán)重,進(jìn)而計(jì)算不同可行方案的綜合評(píng)價(jià)值,為評(píng)選最優(yōu)方案提供依據(jù)。AHP法的概念清晰易懂,在現(xiàn)代管理決策領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。然而,AHP也有自身難以克服的不足:(1)檢驗(yàn)、調(diào)整判斷矩陣是否具有一致性難度大;(2)檢驗(yàn)判斷矩陣一致性的標(biāo)準(zhǔn) CR<0.1缺乏科學(xué)依據(jù);(3)判斷矩陣的一致性與人類(lèi)思維的一致性有顯著差異。為解決上述問(wèn)題,模糊層次分析法(FAHP)應(yīng)運(yùn)而生,通過(guò)引入模糊一致矩陣有效解決了判斷矩陣一致性的相關(guān)缺陷,近年來(lái)在各種決策領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1.2 FAHP的主要分析步驟

1.2.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

針對(duì)特定的實(shí)際問(wèn)題,深入分析各影響因素及其相互之間的聯(lián)系,按照不同屬性將其自上而下分解成若干層次,同一層的因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊?且同時(shí)支配下一層的因素或受到下層因素的作用。通常情況下層次結(jié)構(gòu)模型自上而下可分為 3個(gè)層次:目標(biāo)層、準(zhǔn)則層與方案層。一般目標(biāo)層只有 1個(gè)因素,準(zhǔn)則層與方案層包含多項(xiàng)因素,當(dāng)準(zhǔn)則層的因素過(guò)多時(shí)可進(jìn)一步分解出子準(zhǔn)則層。

1.2.2 確定優(yōu)先關(guān)系矩陣

優(yōu)先關(guān)系矩陣 F表示針對(duì)上一層某因素,本層次與之有關(guān)因素之間相對(duì)重要性的比較。將由等待進(jìn)行重要性比較的因素構(gòu)成的指標(biāo)集記為 F0={f1, f2,…,fn},所針對(duì)上層某因素 A的優(yōu)先關(guān)系矩陣 F =(fij)n×n:

式中:s(i)、s(j)——分別表示指標(biāo) fi與 fj的相對(duì)重要性程度。

1.2.3 將優(yōu)先關(guān)系矩陣改造為模糊一致矩陣

優(yōu)先關(guān)系矩陣 F為模糊互補(bǔ)矩陣,為保證與人類(lèi)決策思維的一致性相協(xié)調(diào),需將其改造為模糊一致矩陣,按照文獻(xiàn)[7]的定義,若矩陣 R=(rij)n×n滿足:rij=rik-rjk+0.5,則為模糊一致矩陣?？砂聪率霾襟E改造矩陣:

據(jù)此建立的判斷矩陣可保證模糊一致性,證明詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。

1.2.4 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

文獻(xiàn)[9]總結(jié)了 3種模糊一致矩陣排序的方法,并從運(yùn)算復(fù)雜度與分辨率大小的角度進(jìn)行了對(duì)比分析,認(rèn)為文獻(xiàn)[10]給出的排序方法科學(xué)合理,但文獻(xiàn)[11]研究認(rèn)為將運(yùn)算復(fù)雜度作為評(píng)價(jià)依據(jù)不合適,且通過(guò)引入?yún)?shù)實(shí)現(xiàn)了分辨率大小可調(diào)。在模糊層次分析法中,分析目的是通過(guò)對(duì)比評(píng)價(jià)得出最優(yōu)方案,所得指標(biāo)權(quán)重僅具有相對(duì)意義,其數(shù)值沒(méi)有實(shí)際的物理意義。此外,文獻(xiàn)[9]的研究表明 3種排序方法得出的排序結(jié)果是相同的。故此處選用按行求和歸一化法[12]計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。

指標(biāo) fi對(duì)上層因素A的指標(biāo)權(quán)重為:

通過(guò)層次單排序得出準(zhǔn)則層、方案層中各指標(biāo)對(duì)上層因素的指標(biāo)權(quán)重后,將方案層因素的指標(biāo)權(quán)重分別與準(zhǔn)則層諸因素的指標(biāo)權(quán)重相乘、再求和即可得到各方案的綜合指標(biāo)權(quán)重。綜合指標(biāo)權(quán)重最大者對(duì)應(yīng)方案為最優(yōu)方案。

2 宜昌長(zhǎng)江盾構(gòu)穿越的機(jī)型優(yōu)選

2.1 穿越工程概況

宜昌長(zhǎng)江盾構(gòu)穿越地處“川氣東送”管道宜昌云池江段,工程主要由北岸始發(fā)井、南岸接收井與盾構(gòu)隧道 3部分組成。北岸始發(fā)井位于湖北省宜昌市猇亭區(qū)方家崗村,南岸接收井位于宜都市紅花套鎮(zhèn)光明村。隧道總長(zhǎng) 1405 m,掘進(jìn)地層由粘土質(zhì)粉砂巖、砂卵礫石層及少量粉砂層構(gòu)成(見(jiàn)圖 2),地質(zhì)條件復(fù)雜,刀具磨損嚴(yán)重、刀具被粘土包裹、掘進(jìn)地層失穩(wěn)坍塌等是此類(lèi)地層掘進(jìn)中易出現(xiàn)的難點(diǎn)問(wèn)題。為順利克服這些困難,針對(duì)工程條件選用最優(yōu)盾構(gòu)機(jī)型成為工程建設(shè)的首要問(wèn)題。

圖2 宜昌盾構(gòu)施工中從江底取出的卵石

2.2 建立遞階層次模型

根據(jù)圖 1中的盾構(gòu)機(jī)型分類(lèi),方案層應(yīng)包括 6項(xiàng)因素,分別記為土壓平衡式盾構(gòu)機(jī) (C1)、泥水平衡式盾構(gòu)機(jī) (C2)、擠壓式盾構(gòu)機(jī) (C3)、全敞胸機(jī)械式盾構(gòu)機(jī) (C4)、全敞胸半機(jī)械式盾構(gòu)機(jī) (C5)、全敞胸手掘式盾構(gòu)機(jī)(C6)。依據(jù)宜昌穿越的工程特點(diǎn),結(jié)合文獻(xiàn)[2]～[4]中介紹的盾構(gòu)選型實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),確定土層適應(yīng)性 (B1)、挖掘面穩(wěn)定性 (B2)、推進(jìn)速度(B3)、環(huán)境影響 (B4)、工程投資 (B5)五項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為準(zhǔn)則層的組成因素。目標(biāo)層為適應(yīng)宜昌盾構(gòu)穿越工程的最優(yōu)盾構(gòu)機(jī)型 (A)。根據(jù)上述分析,圖 3給出了所建立的遞階層次模型。

表1 A-Bi優(yōu)先關(guān)系矩陣

表 2 B1-Ci優(yōu)先關(guān)系矩陣

圖3 盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選的遞階層次模型

表 3 B2-Ci優(yōu)先關(guān)系矩陣

2.3 得出優(yōu)先關(guān)系矩陣

首先看準(zhǔn)則層諸因素對(duì)目標(biāo)層的優(yōu)先關(guān)系。在宜昌穿越工程中,土層適應(yīng)性與挖掘面穩(wěn)定性直接關(guān)系到穿越工程的成敗,屬最優(yōu)先考慮的第一梯次因素;考慮到工期要求與節(jié)省工程開(kāi)支,將推進(jìn)速度與工程投資列為第二梯次因素;在保證施工措施正常進(jìn)行的情況下,穿越工程對(duì)環(huán)境影響較小,將環(huán)境影響作為第三梯次因素。根據(jù)上述分析得出準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層A的優(yōu)先關(guān)系矩陣(表 1)。表 2～表 6給出了方案層諸因素對(duì)準(zhǔn)則層的優(yōu)先關(guān)系矩陣,以方案層對(duì)上層因素 B1的優(yōu)先關(guān)系矩陣為例說(shuō)明優(yōu)先關(guān)系的確定方法。宜昌穿越地層主要由粘土質(zhì)粉砂巖與砂卵礫石層構(gòu)成,隧道斷面巖性分布不均勻且有明顯差異,掘進(jìn)處地下水壓大,最高達(dá) 0.36 MPa。結(jié)合盾構(gòu)機(jī)型的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1],土壓平衡盾構(gòu)機(jī)與泥水平衡盾構(gòu)機(jī)對(duì)宜昌穿越地層有良好的適應(yīng)性,可作為第一梯次因素;擠壓式盾構(gòu)機(jī)可適應(yīng)高含水地層,但穿越地層的流塑性較差、地下水壓高,將其定位于第二梯次因素;由于穿越處無(wú)法采取降排水措施,故難以采用 3種全敞胸式盾構(gòu)機(jī),列為第三梯次因素。根據(jù)上述優(yōu)先關(guān)系確定方案層對(duì)B1的優(yōu)先關(guān)系矩陣如表 2所示。

表 4 B3-Ci優(yōu)先關(guān)系矩陣

表 5 B4-Ci優(yōu)先關(guān)系矩陣

表 6 B3-Ci優(yōu)先關(guān)系矩陣

2.4 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

2.4.1 層次單排序

根據(jù)公式(2)、(3)將 A-Bi優(yōu)先關(guān)系矩陣改造為模糊一致矩陣 RA-Bi(表 7),再通過(guò)公式 (4)可求得準(zhǔn)則層諸因素Bi對(duì)A的指標(biāo)權(quán)重:

WA-Bi={0.26,0.26,0.18,0.12,0.18}

表7 A-Bi模糊一致矩陣

按照同樣步驟可得方案層諸因素 Ci對(duì)準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重。匯總各指標(biāo)權(quán)重如表 8所示。

表8 各層次指標(biāo)權(quán)重與綜合指標(biāo)權(quán)重

2.4.2 層次總排序

方案層 C1的綜合指標(biāo)權(quán)重為:

按照同樣計(jì)算方法得出其他方案的綜合指標(biāo)權(quán)重,如表8中所示。

根據(jù)表 8中綜合指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算結(jié)果,C2的綜合指標(biāo)權(quán)重最大,宜昌盾構(gòu)穿越采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)最優(yōu)。工程實(shí)際中使用德國(guó)海瑞克公司制造的AVND3080AH復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)(該套設(shè)備剛成功完成廣東LNG珠江穿越的隧道施工[13]),刀盤(pán)外徑 3809 mm,工作性能穩(wěn)定,按質(zhì)按期完成了宜昌盾構(gòu)隧道工程的掘進(jìn)工作,且創(chuàng)造了連續(xù)掘進(jìn) 635 m卵石層的國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)記錄。

3 結(jié)論

本文總結(jié)給出了模糊層次分析法的分析步驟,并將其應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)型的優(yōu)選。通過(guò)宜昌長(zhǎng)江盾構(gòu)穿越的盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選應(yīng)用實(shí)例,詳細(xì)給出了分析中所需參數(shù)的確定方法及優(yōu)選結(jié)果的計(jì)算過(guò)程,研究中得出以下結(jié)論:

(1)建立遞階層次模型是模糊層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié),模型中準(zhǔn)則層諸因素的提煉是否不漏不多不偏直接影響方案層的排序結(jié)果。

(2)指標(biāo)權(quán)重僅具有相對(duì)意義,用于對(duì)比排序,其數(shù)值沒(méi)有實(shí)際的物理意義。文獻(xiàn)[2]總結(jié)的 3種排序方法所得排序結(jié)果相同,分析中均可采用。

(3)宜昌長(zhǎng)江盾構(gòu)穿越的盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選實(shí)例表明將模糊層次分析法應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)型優(yōu)選可行有效,可在盾構(gòu)穿越工程中推廣應(yīng)用。

[1] 王夢(mèng)恕.不同地層條件下的盾構(gòu)與 TBM選型[J].隧道建設(shè), 2006,26(2):1-3,8.

[2] 宋克志,朱建德,王夢(mèng)恕,等.無(wú)水砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)的選型[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2004,(11):51-54.

[3] 陶建勛,段浩,孫鳳革,等.對(duì)富水砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)選型的思考[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2009,(3):70-72.

[4] 張松杰.淺談盾構(gòu)的選型與關(guān)鍵參數(shù)的選擇[J].山西建筑, 2009,35(10):140-141.

[5] 陳營(yíng),汪玉春,陳燕彬,等.模糊層次分析法在管道線路優(yōu)選中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2009,28(5):28-31.

[6] 沈華,馬保松,吳浪輝,等.水平定向鉆穿越工程的項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(3):62-65,81.

[7] 姚敏,張森.模糊一致矩陣及其在軟科學(xué)中的應(yīng)用[J].系統(tǒng)工程,1997,15(2):54-57.

[8] 姚敏,黃燕君.模糊決策方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐, 1999,(11):61-64,70.

[9] 張吉軍.模糊一致判斷矩陣 3種排序方法的比較研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2003,25(11):1370-1372.

[10] 呂躍進(jìn).基于模糊一致矩陣的模糊層次分析法的排序[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué),2002,16(2):79-85.

[11] 蘭繼斌,徐揚(yáng),霍良安,等.模糊層次分析法權(quán)重研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,2006,(9):107-112.

[12] 徐澤水.模糊互補(bǔ)判斷矩陣排序的一種算法[J].系統(tǒng)工程學(xué)報(bào),2001,16(4):311-314.

[13] 李勇成,張志鵬,陳紹友.泥水平衡盾構(gòu)在粘土層中的掘進(jìn)技術(shù)[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(2):75-76,71.

Application of Fuzzy Analytical Hierarchy Process(FAHP) in the Opt imum Selection of Shield Machine

CA I Li2 ang2xue1,HE Li2m in1,LV Yu2ling1,ZHANG De2qiao2,CHEN Xue2hua2(1.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum,Qingdao Shandong 266555,China;2.Sinopec Pipeline Storage and Transportation Compa2 ny,Xuzhou Jiangsu 221000,China)

Selection of the appropriate shield machine to fit complex layers and construction requirements is critical for shield crossing projectswhile it is finished qualitatively according to construction experience at present.The paper presents that the fuzzy analytical hierarchy process(FAHP)and the optimum selection of shield is done in terms of qualitative eval2 uation and quantitative calculation by 3 stepswhich include establishing the hierarchicalmodel,determining the fuzzy con2 sistentmatrix and calculating indexweights.The successful application of FAHP in Yangtze River shield crossing project in Yichang shows that the essential part of FAHP is the establishment of hierarchicalmodel.The comprehensive indexweight whose value has no real physicalmeaning is only used for comparing and sorting.

FAHP;shield;optimization;matrix;weight

TE973.9;U455.43

A

1672-7428(2011)05-0070-04

2010-12-02

蔡亮學(xué)(1984-),男(漢族),山東臨朐人,中國(guó)石油大學(xué)(華東)博士研究生,油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專(zhuān)業(yè),主要從事非開(kāi)挖施工技術(shù)研究,山東省青島市黃島區(qū)長(zhǎng)江西路 66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)建學(xué)院博 08,cailiangxue-184@163.com。