地下商场施工方案的优化研究

黄 鑫

（湖南交通职业技术学院，湖南长沙 410004）

1 优化原则

在深圳市中信广场地下工程B区的施工方案优化研究中，把整个优化工作分为如下几部分：超前支护方案的优选，施工方法的优化分析，稳定掌子面的方案优选，台阶长度的优化分析，控制地层松弛加固地层方法的优选等。方案优化的原则主要有

(1) 确保地面主干道行车速度和地下管线的正常运营，保证城市的正常生活，对地面灵敏目标处的沉降进行观测和控制；

(2) 有较强的操作性，充分考虑我们现阶段的施工技术水平以及本工程的具体特点；

(3) 灵活性好，应变能力强，根据断面形状和地质条件因地制宜的选择施工方案，一旦出现施工灾害，能迅速采取措施；

(4) 具有可连续性，兼顾前后施工工序的衔接；

(5) 具有较好的社会效益与经济效益，在保证工期、确保结构和环境安全的条件下降低工程造价。

2 施工方案的比选

近年来，国内外在隧道及地下工程施工技术方面发展十分迅速，传统的施工方法得到了改进，新的施工技术不断出现。每一种施工方案都有其特点，对于工程建设来说，根据工程的实际情况，充分利用各种施工方法，合理把握它们之间的内在联系，从几个拟选的方案中选择一个相对最优的方案。在这里，引入模糊控制原理，并以此建立技术经济分析模型，对施工方法进行比较。所谓技术经济分析，即通过一定的理论模型在施工方案比选时把技术与经济有机结合，侧重考虑施工方案的各个约束条件，并对各个约束条件的内在联系进行全面分析，从而使设计方案达到综合最优。

(1) 模糊逻辑控制系统的组成

模糊逻辑控制系统主要由模糊化、知识库(含数据库和规则库)、推理决策和精确化计算四部分组成，完成模糊化、模糊推理(利用知识库)和精确化三个过程的任务。

① 模糊化

模糊化就是把精确数字转化为模糊数的过程。为了实现这个转化，首先应该把观测值论域上的语言变量表示成模糊集，其次要确定相应的隶属函数。

② 模糊推理

模糊推理是根据知识库中的知识来进行推理的过程。

③ 反模糊化

这是将模糊数精确化的过程，因为在控制中往往需要的是精确的输出控制量。反模糊化的方法很多，如最大隶属度函数法、加权平均法、重心法等。

(2) 施工方案优化设计算法

在隧道施工方案的选择过程中，每一种方案都有各自的特点，如有的工期短，有的造价低，有的安全性好，有的对环境影响小等，因此，它是一个多目标决策过程。设考虑的目标数为n，拟定的可行方案数为m，由m个决策方案组成的方案集A＝{A1，A2，…，An}，其决策矩阵阵可表示为D＝[D]＝(dij)m×n.。

① 评价指标的确定

对隧道施工技术方案进行指标估测，是一个涉及多方面的复杂问题。因为对于任何一个施工方案来说，其施工环境要求、安全性与与造价等因素都有其特别的一面；另外，由于地下工程的特殊性，工程施工时不可预测的因素也占一定的比例，因此，为在设计阶段控制好各项设计指标，就必须对所有情况进行综合分析，并控制好不可预见因素的比例。具体来说，隧道施工影响因素有以下几个方面：

1) 安全因素：众所周知，安全施工是隧道与地下工程施工首要考虑的因素，确保地下结构的稳定性和避免施工灾害的发生。

2) 环境因素：随着我国社会的不断发展，人们的环保意识不断增强，总的来说，隧道开挖对环境的影响程度与周边情况、地质条件有关，为了对不同施工方案的工程效应进行评价，环境影响因素也成为工程总的评判因素之一。

3) 造价因素：造价估测主要包括支护结构的施工费（人工费、设备费）、支护结构的材料费、材料运输费、土方开挖及运输费、环境保护费、试验观测费等。整个费用计算可采用国家(部)定额与地方有关法规相结合的原则。

4) 施工速度因素：施工速度关系着工期，总的来说施工速度与施工方法相对应，但同时也应看到，即使是同一施工方案，它也随着外部因素（天气变化、突发性事件、地层突变）和内部因素（施工组织设计）的变化而存在着差异。总的来说，在保证施工质量的前提下，施工速度越快，该工程项目的效益愈好，因此施工速度也作为一个评判因素。

5) 不可见因素：如前所属，为了更科学地反映地基处理的设计与施工间的联系，在对设计进行评价是必然要加上不可见因素这项指标。

因此，常选择上述因素作为地下工程施工方案的评价指标。

② 用模糊控制原理进行方案优化

1) 定性变量的模糊化。一般对于定性变量，可以通过一些语言变量进行描述，如“差”、“中”、“好”等等，这些语言变量又都可以用不同的模糊集来表示。这里用三角形隶属函数来表示一个模糊集，于是各定性目标和定性权重可分别记为及 Rij(rlij，r2ij，r3ij)和 Wi(w1i，w2i，w3i)(i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n)，其中 Rij代表第i个方案中第j个定性目标的模糊数，Wi指第i个目标权重的模糊数。

2) 将各定量值转换成相对隶属度值。设在决策子矩阵D＝(dij)m×n中，dij是方案j(j=1，2，…，n)的第 i(i＝1，2，…，m)个定量目标值。为增加目标可比性，需对目标作归一化，对效益型目标(即目标值越大越好)和成本型目标(即目标值越小越好)，分别用公式(7)和(8)转化成相对隶属度矩阵R=(Rij)m×n

3) 利用各语言变量的隶属函数，求出 Rij对于某语言变量 k的隶属度其中 Ak为语言变量 k的模糊集，写成三角形分量式是

若设对于Rij，隶属度不为零的模糊集个数为l，此时，Rij也可看作一个定性值Rij，它由l个模糊数乘以各自的相对隶属度组成，即

其中，⊕仅表示入由2个模糊数组成，不具有任何运算功能。

设权重为Wi(w1i，w2i，w3i), 则由公式(2)和(4)，模糊评价Fij的结果为

4) 利用重心法，求出精确输出值uij

5) 于是方案j的定量目标综合评价值为

由vj根据增大隶属度原则，即可得到最优方案。

3 . 施工方案优化

在选定了超前支护方案施工方法后，就可在目前国内外常用的施工方法中，根据施工经验和施工效应研究的结论，并考虑地下结构的稳定性、管线沉降的控制值，施工条件等因素，分别选用不同的施工方法。应用平面弹塑性有限元程序，以结构西侧的煤气管线的沉降和最大地表沉降为控制目标，模拟分析了图 1中五种不同施工方法的施工效应，计算结果及各种施工方法的比较见表1。

图1 施工方案的开挖有平面限元图示

评价支护方案优劣的主要依据是造价、工期、环境影响、安全性及不可见因素等。其中环境影响为定量指标，其余为定性指标，可按其相对重要程度用0～1间的数值进行量化，这种量化需有经验的专家才能确定较精确的数值。按上述方法，5种支护方案的量化指标见表 1,。现将权重以定性值给出，即(“一般”、“一般”、“重要”、“重要”、“不重要”)，用模糊数表示为 W＝(ZE，ZE，PⅠ，PⅠ，NⅠ)，各语言变量的隶属函数见图4-7。

表1 支护方案的量化指标

利用式(1-1)、(1-2)对表中的数据进行归一化处理，求得相对隶属度矩阵为：

然后，求出 R中各定量值对于各模糊集{NV, NⅠ, ZE, PⅠ, PV}的相对隶属度按公式求出j方案中i目标的评价指标uij。最后，由公式(1-1)得到方案j的最终综合评价值vj，vj从大到小排列的顺序也就是方案的优选顺序。按上述方法得到vj=(2.475，1.513，1.965，2.027，2.334)，则优劣排序为A＞E＞D＞C＞B，方案A为最满意方案。

4 方案实施

根据上述的施工方案的优化分析，制订如下施工路线：首先，在主体通道的两端开挖1＃和2＃竖井，同时进行竖井的支护；第二，以竖井为工作基地，向北开挖横通道；第三，待横通道的支护达到设计强度后，在主体通道的两端对打Φ159的大管棚，然后按照优选的施工方案进行主体结构的开挖、初期支护；最后，在主体开挖完成后，再分段分部进行二次衬砌，拆除临时支护。

[1]王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论. 北京: 科学出版社, 2004

[2]钱家欢, 殷宗泽. 土工原理与计算. 北京: 中国水利水电出版社, 1996

[3]王暖堂 大断面渡线隧道浅埋暗挖施工技术剖析. 铁道建筑，2000年第11期