基于AHP法的长大隧道施工方案优化研究

赵朋辉, 孙斌, 林亚星, 刘海燕

(1.上海海科工程咨询有限公司, 上海 200231; 2.西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031;3.中国石油四川销售分公司, 四川 成都 610015)

基于AHP法的长大隧道施工方案优化研究

赵朋辉1, 孙斌1, 林亚星2, 刘海燕3

(1.上海海科工程咨询有限公司, 上海 200231; 2.西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031;3.中国石油四川销售分公司, 四川 成都 610015)

以佛山市汾江路南延线沉管隧道工程前期隧道选型为背景, 为了找出综合效益最高的隧道施工方法, 为决策者提供支持.应用AHP层次分析法, 结合工程实际情况, 从施工难度、施工风险、地质适用性、工期造价、城市规划等方面对沉管法和盾构法两种隧道修建工法进行了多因素、全方位、定性和定量相结合的综合比较.建立了层次结构模型,判断矩阵,进行了一致性检验并给出了定量的方案比对结果, 最终认为沉管法修建隧道更具优势, 为今后类似问题的思考提供了新的角度, 有一定的参考价值.

沉管法; 盾构法; AHP法;最优施工方案

引言

随着我国现代化进程的不断推进, 内河及远洋航运事业也蓬勃发展, 江河、海峡的通行要求越来越高, 人们对桥梁的跨度、净空要求越来越大[1], 使其修建难度及造价大增, 更加安全、环保的水底隧道越来越受到重视.

隧道工程作为大型的工程建设项目, 需要消耗大量人和物的资源, 影响重大.不同的工法在很大程度上决定了工程项目的成本、质量、效益, 因此在工法选择时应对施工方法进行深入的分析, 应用科学的方法选择出综合效益最高的方案, 切忌盲目上马.我国目前关于施工工法的研究主要集中在解决局部技术问题的最优化方案比选, 如文献[2]为了减少隧道开挖引起的地层沉降和围岩变形, 对 4种施工工法进行了分析比选, 文献[3]结合港珠澳大桥隧道工程, 从多方面对2种工法进行了定性对比, 文献[4]以宁波象山港海底隧道方案的比选为背景,对钻爆发、盾构法、沉管法三种隧道方案进行了综合的比选, 而从决策层面综合考虑的相关研究不多.

本文结合具体工程, 从决策层面出发, 考虑整个工程综合效益, 应用在各行各业已经得到广泛应用及认可的定性与定量相结合[5]的AHP法(层次分析法), 对长大隧道工程施工方案进行了优化比选, 使方案更加科学, 取得了较好的效益.

1 施工方案优化模型

目前, 长大隧道施工方案主要有两种: 盾构法施工方案和沉管法施工方案.

盾构法作为目前较为主流的隧道工法之一, 从 1874年在英国发明至今, 技术已经十分成熟, 因其安全、高效、对环境影响小和抗干扰能力强等优势[6], 在我国的隧道修建中广泛的应用, 其缺点在于断面形状选择性小,对于复杂地层表现不佳等.虽然近年来我国在盾构技术上取得了重大突破, 但实际建设施工中还是主要依赖进口, 文献[6]介绍了盾构技术的发展历程以及我国近年来自主研发、创新的盾构关键技术, 并展望了未来盾构技术的发展方向.

沉管法作为20世纪发展起来的新工法, 到现在世界上已经修建了一百多座, 在步入21世纪后, 在我国呈现出井喷式发展的趋势, 目前我国正在规划沉管隧道项目达十余座之多[7].具有埋深浅, 接线短[8]; 断面形状选择性大; 隧道管节施工环境好, 施工工期短等诸多优势;其缺点在于浮运沉放技术要求高, 炸礁时对周围建筑有一定影响, 施工占用资源多以及成本较高等.

1.1 工程概况

佛山市汾江路南延线隧道工程位于佛山市南部, 为佛山市重点建设项目, 是连接佛山市老城区与新城区的城市主干道之一, 并与同址穿越东平水道的地铁广佛线二期工程合建.线路呈南北走向, 起点位于澜石路与汾江路交汇点以北 250m处, 经前进路、东平路、向南穿过东平水道, 再经天虹路至东平新城裕和路[5], 线路全长约2.41km, 共分为南岸护岸, 南岸主体, 北岸护岸和北岸主体四个标段.隧址范围主要是强、中风化粉砂质泥岩或泥质粉砂岩, 南岸部分为填土层、粘土层和淤泥质砂层, 北岸部分为填土层、残积层和风化岩层.东平水道隧址河道水面宽度约250米, 洪水期最大流速达3m/s以上, 枯水期断面最大流速在1.0m/s以上.工程按城市Ⅰ级主干道、双向六车道标准设计, 设计行车速度为50km/h.

1.2 建立层次结构模型

为了对两种工法进行比对, 根据隧道工程修建考量的主要因素, 建立了三层结构的层次模型, 处于相同层的因素从隶属于其上一层的某一个因素, 其改变将会对上层因素产生影响, 而该层的各因素也会受到下一层多个因素的影响.目标集合A为最优隧道工法; 集合表示影响隧道工法选择的主要因素, 分别为施工难度、施工风险、地质适用性、工期造价和城市规划; 底层因素即为备选的两种工法, 设为集合, 层次结构如图1所示.

图1 隧道修建主要影响因素层次结构图

1.3 构造成对判断矩阵

1.3.1 中间层因素对比

为了了解中间层每个因素相对于目标层的重要性, 利用 1-9标度法对沉管法和盾构法从施工难度、施工风险、地址适用性、工期造价、城市规划五个方面进行两两对比, 按照其相对重要性给予评分, 最后得到判断矩阵.1-9标度法相对重要性标准如表1所示.

表1 1-9标度法

对中间层因素集合B={B1,B2,B3,B4,B5}的两两对比判断矩阵B=(bij)5×5如下:

其中bij表示Bj因素和Bj因素之间对于最优施工工法的相对重要度,bij和bij互为倒数,bii=1, (i,j=1,2,3,4,5),计算其最大特征值λmax(B)和特征向量, 并将特征向量进行归一化处理后得到其权重向量ωb, 结果如下:

1.3.2 中间层一致性检验

对于n≥3的判断矩阵, 为了避免在建立成对判断矩阵时出现矛盾和严重的逻辑错误, 需要对得出的判断阵进行一致性检验, 矩阵的不一致程度指标CI:

上式n为判断矩阵阶数, 对于阶数在1-9之间的判断矩阵, 其随机一致性指标RI值如表2所示, 超过9个因素, 也就是超过9阶的矩阵则应考虑细分因素, 增加模型层数.然后计算随机一致性比率CR=CI/RI, 当CR＜0.1时, 认为矩阵拥有满意的一致性, 否则重新进行判断, 写出新的判断矩阵, 直到一致性满意为止.

表2 1-9阶随机一致性指标RI值

经计算, 本文中中间层判断阵随机一致性比率:CR=0.035＜0.1, 认为中间层具有满意的一致性.

1.3.3 底层因素对比

为了了解底层因素对中间层因素的相对重要性, 建立判断矩阵Ck=(Cij)2×2, 其中K=1,2,3,4,5;i,j=1, 2.按照1-9标度法进行对比和评分, 两种工法的各因素评判理由和得分如表3所示.

表3 两种工法各因素对比及得分

地质适用性基槽开挖深度达23m,不利于防止基槽坍塌和泥沙回淤隧道进入风化岩层, 可能遇到孤石, 不易施工 1/1工期造价工期短, 计划工期为3年, 造价高 工期相对较长, 造价低 1/4城市规划技术含量高, 有利于提升新城城市形象, 与周围桥梁, 公路融合较好盾构技术使用频繁, 且需要依赖进口设备,对体现佛山新城“智慧”的城市概念贡献不大 3/1

根据上表数据, 建立成对判断阵Ci, 其中i=1, 2, 3, 4, 5, 表示沉管法和盾构法在第i个因素方面的相对重要性,得分越高说明越合理.计算各矩阵的最大特征值λmax(Ci)和特征向量, 将特征向量进行归一化处理后得到其权重向量ωi。如下:

1.4 层次总排序和总体一致性检验

通过计算获得沉管法和盾构法对于总目标的最后权重, 公式如下:

由最后得分可知, 选择沉管法修建此隧道综合效益较高, 应选择沉管法.

2 结语

利用AHP法将主观上难以清楚评判、难以定量分析的因素量化, 把每一个影响隧道修建的因素从全局、长远的角度科学的考虑, 弥补了传统经验估计的方法解决此类问题时容易产生偏差, 得出的结果不令人信服的缺点, 得到如下结论:

(1)佛山市汾江路南延线隧道工程选择沉管法或盾构法修建水底隧道都是可实现的.

(2)两者各有优缺点, 沉管法施工难度稍大,工程造价较高, 完工后长远效益高; 盾构法技术成熟,施工风险较大, 节约造价.但采用沉管法更符合当地发展要求, 综合效益更高.

此外, 还可以对该评价方法做出改进, 即加入工程参与各方, 如业主、设计、施工方, 以及各层次人群, 如专家、工程师、设计人员等对两种工法选择的意见, 按一定权重平衡, 使结果更加接近符合各方要求, 更加科学.

[1]陈韶章.沉管隧道设计与施工[M].北京: 科学出版社, 2002.

[2]王伟锋, 毕俊丽.软岩浅埋隧道施工工法比选[J].岩土力学,2007,28:430-436.

[3]卢普伟, 梁邦炎, 资利军.港珠澳大桥隧道工程沉管法于盾构法比选分析[J].施工技术,2012,41:89-91.

[4]王延伯.宁波象山港海底隧道方案比选研究[D].西安: 长安大学, 2007.

[5]蒙超豪.基于AHP和模糊综合评价的工程项目风险分析研究[J].广西师范学院学报,2007,28:38-41.

[6]洪开荣, 陈馈, 冯欢欢.中国盾构技术的创新与突破[J].隧道建设, 2013, 33(10): 801-808.

[7]邱峰.沉管隧道施工与管理研究[D].广州: 华南理工大学, 2009.

[8]周华贵, 邢永辉, 王丽.浅谈佛山市汾江路南延线工程沉管隧道特点及关键技术[J].现代隧道技术, 2012, 49(5): 85-90.

Study on optimization of construction scheme of tunnel based on AHP method

ZHAO Peng-hui1, SUN Bin1,LIN Ya-xing2, LIU Hai-yan3
(1.Shanghai Haike Engineering Consulting Limited Company, Shanghai 200231, P.R.C.; 2.Department of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, P.R.C.; 3.Sichuan Sales Branch of Petrochina, chengdu 610051, P.R.C.)

This paper sets the early phase scheme comparison of tunnel construction method of Foshan’sFenjiang road immersed tunnel project as background, in order to find the most efficient and valuable method of tunnel construction to provide supports for decision makers.By using AHP(Analytic Hierarchy Process) and considering actual situations of the project and various factors in tunneling and comprehensive methods, comparison between immersed tunneling method and shield method were made in different aspects such as construction difficulties, construction risks, geological applicability,project cost and time limit and city planning.Hierarchical structure model and judgment matrix were set, then consistency check was done.The final quantitative result of method comparison showed that it was better to choose immersed tunneling method for this project.This paper provides a new perspective for the future similar problems and has some certain reference value.

immersed tunneling method; shield method; AHP; Optimal construction scheme

U45

A

1003-4271(2014)02-0316-05

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.02.28

2014-01-20

赵朋辉(1981-), 男, 工程师.

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