基于改進(jìn)層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法的盾構(gòu)適應(yīng)性研究*

張 增，王志遠(yuǎn)，封 坤，王胤丞

(1.敘鎮(zhèn)鐵路有限責(zé)任公司，云南 昭通 657900；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610036；3.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路、機(jī)場(chǎng)交通、城市軌道交通的快速發(fā)展，越來(lái)越多的城市建設(shè)大型交通樞紐，從而形成多元化、立體化交通中心，方便旅客出行。為實(shí)現(xiàn)高效率換乘，須綜合考慮地下空間開(kāi)發(fā)與利用，建設(shè)高密度、便捷化的樞紐中心。目前，我國(guó)隧道工程建設(shè)采用的施工方法以明挖法、盾構(gòu)法、礦山法為主，水下隧道工程也可采用沉管法。由于盾構(gòu)法施工對(duì)周圍環(huán)境的影響較小，且施工過(guò)程中自動(dòng)化水平較高，逐漸發(fā)展為主流工法。因此，需利用合理的方法對(duì)盾構(gòu)適應(yīng)性進(jìn)行分析，以確保施工安全、順利進(jìn)行。

適應(yīng)性指某個(gè)事物在適應(yīng)內(nèi)、外部不同環(huán)境與客觀條件時(shí)具備的能力。在系統(tǒng)科學(xué)中，適應(yīng)性泛指某個(gè)系統(tǒng)主體具備適應(yīng)各種外界環(huán)境的因素，并與之保持一致、協(xié)調(diào)發(fā)展的能力。系統(tǒng)由若干個(gè)既有區(qū)別又有聯(lián)系的因素構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)具有一定總體功能的有機(jī)集合。系統(tǒng)中某個(gè)重要因素發(fā)生變化時(shí)，既會(huì)直接受到系統(tǒng)中其他因素的影響和限制，又會(huì)反過(guò)來(lái)影響其他因素。因此，為保持系統(tǒng)總體功能，須要求重要因素之間相互適應(yīng)。進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)，首先須確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。建立指標(biāo)體系時(shí)，需視評(píng)估對(duì)象而定。一般而言，建立可用于評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系時(shí)，應(yīng)遵循層次性、效度、簡(jiǎn)明性原則[1]。

我國(guó)學(xué)者針對(duì)地質(zhì)條件、環(huán)境特點(diǎn)開(kāi)展了多維度盾構(gòu)適應(yīng)性研究，如陳建福[2]以廈門地鐵2號(hào)線海東區(qū)間工程為依托，分析不同掘進(jìn)參數(shù)下孤石密集及基巖凸起段盾構(gòu)適應(yīng)性；萬(wàn)朝棟[3]基于成都地鐵典型的富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，通過(guò)分析掘進(jìn)速度、刀盤扭矩、推力、刀盤轉(zhuǎn)速，得到不同刀盤在富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時(shí)的適應(yīng)性；馮振魯?shù)萚4]依托北京地鐵8號(hào)線王府井站—前門站工程，對(duì)泥水平衡盾構(gòu)推力、刀盤扭矩等進(jìn)行計(jì)算分析，總結(jié)泥水平衡盾構(gòu)在高水壓卵石地層中的適應(yīng)性；王焰[5]以沿海廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道工程為依托，分析泥水平衡盾構(gòu)在沿海復(fù)合地層中的適應(yīng)性；彭康等[6]以環(huán)城北路—天目山路改造項(xiàng)目01標(biāo)段工程為依托，分析長(zhǎng)距離掘進(jìn)時(shí)大直徑泥水平衡盾構(gòu)適應(yīng)性；李杰華等[7]基于成都地鐵17號(hào)線TJ05A標(biāo)段工程，開(kāi)展富水大粒徑砂卵石地層盾構(gòu)刀盤和螺旋機(jī)適應(yīng)性設(shè)計(jì)；齊曉成[8]依托橫琴隧道1號(hào)井灣仔北區(qū)間工程，著重分析土壓平衡盾構(gòu)在復(fù)合地層中的適應(yīng)性；潘傳宇等[9]以長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線工程為背景，基于盾構(gòu)刀盤與刀具、渣土系統(tǒng)、渣土修復(fù)系統(tǒng)、注漿制動(dòng)系統(tǒng)，全面闡述了盾構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)化地層中的適應(yīng)性；程池浩等[10]基于沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線砂卵石地層盾構(gòu)區(qū)間，研究泥水平衡盾構(gòu)在富水砂卵石地層中的適應(yīng)性。

已有研究多采用定性方法進(jìn)行分析，由于盾構(gòu)適應(yīng)性分析并非由此及彼的工作，且土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)要求綜合考慮多種不確定性指標(biāo)，模糊綜合評(píng)價(jià)法可對(duì)多因素影響的事物做出綜合性評(píng)價(jià)。因此，本文依托重慶至昆明高速鐵路長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)隧道工程，選擇改進(jìn)層次分析法聯(lián)合模糊綜合評(píng)價(jià)法，進(jìn)行盾構(gòu)適應(yīng)性定量與定性評(píng)價(jià)，提高評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性與科學(xué)性。

1 工程概況

重慶至昆明高速鐵路長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)隧道位于云南省昆明市，全長(zhǎng)8 240m。平面線路最小曲線半徑為8 000m。軌面最小埋深約9.9m，軌面最大埋深約46.0m。單向下坡，最大坡度為7.6‰。

隧道沿線穿過(guò)多處重要建(構(gòu))筑物，包括長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)T1，T2航站樓、機(jī)場(chǎng)下穿隧道、第一滑行道、云南省跨境電子商務(wù)園區(qū)、第八自來(lái)水廠等，工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境復(fù)雜，隧道上方地面無(wú)地層處理?xiàng)l件。

隧道采用單層圓形鋼筋混凝土預(yù)制管片拼裝結(jié)構(gòu)，隧道內(nèi)徑10.9m，管片厚550mm，管片環(huán)寬1 800mm，封頂塊管片共2塊，圓心角均為20°，標(biāo)準(zhǔn)塊管片共7塊，圓心角均為40°，鄰接塊管片共2塊，圓心角均為20°。

2 盾構(gòu)適應(yīng)性影響分析

土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)性影響因素較多，在征求相關(guān)專家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，將影響因素歸類為機(jī)器參數(shù)和地層條件參數(shù)。機(jī)器參數(shù)包括盾構(gòu)總推力、盾構(gòu)總扭矩、刀盤開(kāi)口率，地層條件參數(shù)包括軟硬不均地層、地層滲透系數(shù)、地層顆粒級(jí)配。

2.1 改進(jìn)層次分析法的應(yīng)用

權(quán)重是以某種數(shù)量形式對(duì)比、權(quán)衡被評(píng)價(jià)事物總體中諸因素相對(duì)重要程度的量值。目前，權(quán)重確定方法主要包括層次分析法、專家調(diào)研法、統(tǒng)計(jì)法等。大量研究表明，利用層次分析法計(jì)算權(quán)重更符合實(shí)際情況，且層次分析法計(jì)算所用數(shù)據(jù)量較少，評(píng)分更快速，計(jì)算工作量較小，易于了解與掌握。在傳統(tǒng)的層次分析法中，由決策者個(gè)人決定指標(biāo)權(quán)重的兩兩比值數(shù)據(jù)，結(jié)果受決策者的主觀影響較大。因此，本文引入基于群組決策的改進(jìn)層次分析法[11]，利用多位決策者的數(shù)據(jù)，得出相對(duì)客觀的數(shù)據(jù)。通過(guò)咨詢業(yè)內(nèi)10名專家，得到機(jī)器參數(shù)與地層條件參數(shù)權(quán)重比值估計(jì)值C=(0.5,2,0.5,1,1,1,0.5,1,1,0.5)，從而得到其幾何平均值Cm和幾何離散度σ：

(1)

(2)

表1 盾構(gòu)適應(yīng)性一致性檢驗(yàn)結(jié)果

一致性檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由表1可知，專家給出的數(shù)據(jù)差異較小，Cm可代表所有專家的意見(jiàn)?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩之間的比值，構(gòu)造判斷矩陣，并利用判斷矩陣計(jì)算特征向量，進(jìn)而得到每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，如表2所示。

表2 盾構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

表3 盾構(gòu)適應(yīng)性計(jì)算依據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由表2可知，對(duì)于穿越巖溶地區(qū)的盾構(gòu)隧道；機(jī)器參數(shù)中，盾構(gòu)總扭矩權(quán)重最高，盾構(gòu)總推力次之，刀盤開(kāi)口率權(quán)重最低，表明盾構(gòu)總扭矩對(duì)盾構(gòu)適應(yīng)性的影響較大，而刀盤開(kāi)口率的影響較小；地層條件參數(shù)中，軟硬不均地層對(duì)盾構(gòu)適應(yīng)性的影響最大，地層滲透系數(shù)和地層顆粒級(jí)配的影響較小，可根據(jù)地層條件改善掘進(jìn)方式。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法的應(yīng)用

盾構(gòu)適應(yīng)性判定邊界模糊，為消除模糊性，構(gòu)建隸屬度函數(shù)，將定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為定量計(jì)算。計(jì)算依據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示，表3中D為盾構(gòu)外徑，PJ為單位開(kāi)挖面積所需推力，β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，α為地層復(fù)合比，h為通過(guò)巖溶地區(qū)充填溶洞的高度。刀盤開(kāi)口率取值如表4所示，構(gòu)建的隸屬度函數(shù)如表5所示。根據(jù)工程資料，得到盾構(gòu)適應(yīng)性各指標(biāo)隸屬度，如表6所示。

表4 刀盤開(kāi)口率取值

由表6數(shù)據(jù)得到盾構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度矩陣R為：

(3)

體系權(quán)重A為：

(4)

表5 盾構(gòu)適應(yīng)性隸屬度函數(shù)

表6 盾構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

計(jì)算得到體系隸屬度B為：

(5)

由以上分析可知，最大隸屬度為0.716 5，根據(jù)最大隸屬度原則，該土壓平衡盾構(gòu)適應(yīng)程度為適應(yīng)，但最大隸屬度<1，說(shuō)明未達(dá)到完全適應(yīng)，仍有提高空間。為提高盾構(gòu)適應(yīng)性，應(yīng)從改善地層條件著手。

3 盾構(gòu)適應(yīng)性增強(qiáng)措施

已有研究表明[12]，為提高盾構(gòu)適應(yīng)性，應(yīng)盡量減少輔助施工。由于本工程軟硬不均地層對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)的影響最大，不適應(yīng)程度最高，考慮工程地質(zhì)條件復(fù)雜等因素，根據(jù)地層條件選取合適的刀具，在總結(jié)專家意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合調(diào)研結(jié)果，設(shè)計(jì)刀具類型為切刀、切刀+齒刀、雙刃滾刀+鑲齒刀圈滾刀、單刃滾刀+整體刀圈滾刀，針對(duì)巖石強(qiáng)度、巖石完整度、軟硬不均地層、孤石直徑、地層石英含量和地層黏性顆粒含量進(jìn)行刀具選型，通過(guò)應(yīng)用改進(jìn)層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，得到不同指標(biāo)權(quán)重，如表7所示，計(jì)算依據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表8所示，隸屬度函數(shù)如表9所示，隸屬度計(jì)算結(jié)果如表10所示。

表7 刀具選型指標(biāo)權(quán)重

表8 刀具選型計(jì)算依據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表9 刀具選型隸屬度函數(shù)

表10 刀具選型隸屬度

為更好地判別4種刀具組合優(yōu)先度，對(duì)各指標(biāo)隸屬度進(jìn)行歸一化處理，從而計(jì)算得到體系隸屬度：

(6)

由以上分析可知，最大隸屬度為0.346 4。根據(jù)最大隸屬度原則，為提高盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)本工程的適應(yīng)性，在該地層應(yīng)采用的刀具為雙刃滾刀+鑲齒刀圈滾刀，可同時(shí)配置切刀。

4 結(jié)語(yǔ)

依托重慶至昆明高速鐵路長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)隧道工程，基于改進(jìn)層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)盾構(gòu)適應(yīng)性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論。

1)傳統(tǒng)層次分析法受決策者主觀偏好的影響較大，通過(guò)采用改進(jìn)層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，結(jié)合定量與定性分析，使結(jié)果更科學(xué)有效。

2)對(duì)于穿越巖溶地區(qū)的盾構(gòu)隧道，機(jī)器參數(shù)中，盾構(gòu)總扭矩對(duì)盾構(gòu)適應(yīng)性的影響較大，刀盤開(kāi)口率的影響較??；地層條件參數(shù)中，軟硬不均地層對(duì)盾構(gòu)適應(yīng)性的影響最大，地層滲透系數(shù)和地層顆粒級(jí)配的影響較小，可根據(jù)地層條件改善掘進(jìn)方式。

3)土壓平衡盾構(gòu)未達(dá)到完全適應(yīng)水平，應(yīng)從改善地層條件著手提高盾構(gòu)適應(yīng)性。

4)為進(jìn)一步提高盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)本工程的適應(yīng)程度，對(duì)刀具選型進(jìn)行了分析，可知本工程應(yīng)采用的刀具為雙刃滾刀+鑲齒刀圈滾刀，可同時(shí)配置切刀。

本文提出的盾構(gòu)適應(yīng)性評(píng)價(jià)及增強(qiáng)措施函數(shù)模型，可為類似工程提供參考。當(dāng)分析特定工程案例時(shí)，需確定特定工程評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重，做到具體問(wèn)題具體分析。