地铁钻爆法隧道防排水选型双层次综合评价方法

雷刚（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京　100037）

地铁钻爆法隧道防排水选型双层次综合评价方法

雷刚
（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）

钻爆法在很多地铁工程中得到大量应用，但其防排水形式的选择仍然以传统的定性判断为主，缺少科学的量化分析方法。鉴于此，依托青岛地铁工程，通过调研将影响地铁隧道防排水形式的因素分为2个层次，第1层5大类影响因素，第2层15个影响因素。首先建立起双层次分析模型，由专家对2个层次中各因素的权重进行打分，接着对各项因素对目标层的效用值进行评分，再结合双层次各因素权重，计算出对于目标层的综合评价得分，进而根据事先拟定好的评定标准来判断隧道最终采用何种防排水形式。该方法的优点是可以量化分析钻爆法地铁隧道的防排水选型。该方法已在青岛地铁工程应用，效果良好。

钻爆法；地铁隧道；防排水形式；双层次分析模型；综合评价

长期以来土质地层中以明挖法和盾构法施工的隧道多采用防水型隧道。但是，最近几年很多岩质地层中以钻爆法施工的隧道也选择防水型隧道，其合理性值得探讨。钻爆法施工的地铁隧道防排水形式的判定涉及诸多因素。目前，国内外地铁隧道防排水型式的选择主要还是依靠经验和工程类比的方法，其主观性太强，误差极大。因此，亟需要一种能够对影响隧道防排水各个因素量化分析的科学的隧道防排水评价体系。本文以青岛地铁工程为例，研究钻爆法地铁隧道防排水型式评价方法，以期为类似工程提供借鉴。

1　评价原则及评价流程

在评价客观事物之前，首要任务是确定评价指标。评价指标是评定和衡量各客观对象质量的标尺。评价指标的确定原则［1］：①科学现实原则；②可测可比原则；③综合简明原则。

为了能对各定性指标量化分析，克服以往防排水模式判定时主观性过强的缺点，本文将影响隧道防排水选型的因素分为2个层次，给出了钻爆法地铁隧道防排水选型双层次综合评价方法。

双层次评价系统的评价流程：建立双层次因素模型→推出双层次评价指标的权重体系→进行广泛的问卷调研→专家对各项评价指标打分（Delphi法）→求出综合评分结果→确定综合评价结论［2］。

在这个过程中，采用双层次模型分析法构建综合评价指标体系和权重体系。在过程中由于引入带有主观性的 Delphi法，因此还需要引入模糊数学，量化处理定性指标。

2　双层次因素模型的建立

首先，要先建立起双层次因素模型，然后经由递阶化、逻辑判定、拆分综合的过程，将定性的因素转化为数值化的评估因子，使评估思路条理化，减少决策错误。

影响钻爆法地铁隧道防排水形式的因素较多，主要包括隧道所在区域的工程地质、水文地质、结构受力性能、施工影响区的地面环境、政策、宗教信仰等因素，在这些大的因素下又可进一步划分出若干二级因素，如水文条件再进一步细分，可划分为涌水量、腐蚀性、隔水层及含水层情况［3-6］。对影响地铁隧道防排水型式的若干因素进行筛选、归纳、分类之后，建立起双层次因素模型，见图1。

3　确定各层次因素权重

在建立好双层次模型之后，接下来就需要确定各个因素在影响防排水形式方面的权重。

3.1确定各影响因素的权重

采用此评价体系，需要将影响隧道防排水的各因素指标数量化，因此引入 Delphi系统（专家打分系统），邀请有经验的专家，对不同影响因素的各种指标的权重及得分（即效用值）进行分级评分，打分需要分2次进行。

图1　双层次因素模型

选取在隧道防排水方面造诣较深的第一线的专家学者。为了尽可能在打分时获得准确结果，必须对不同专家的隐性知识能力及经验丰富程度进行有效区分，因此对专家的权威性进行了层次划分。

采用权威性指数来区分专家的权威性，见表1［1］。首先明确打分专家的总人数 m，然后假设一类有 n1人、二类有n2人、三类有n3人。令E=5×n1+3×n2+2×n3。则权威指数参见表1［1-3］。

表1　专家类型及权威性指数

3.2建立相对比较矩阵

各因素相对于高一层次的某因素的相对重要性权重值的确定可简化为一系列成对因素的判断比较。为了将比较判断的结果定量化，通过Delphi评分，引入1 ～9标度法［1］。

构造两两相对比较判断矩阵，从层次结构的B层（目标层为A层）开始，对于影响到上一层某个因素的同层所有因素，用成对比较法和9个自然数比较尺度构造成对比较矩阵，形成双层次比较矩阵。相对比较法的标度见表2。

表2　相对比较法的标度

比较的前提是假定：每一影响因素的分值可用9个自然数标度；1表示相对重要性程度相同，9表示相对重要性程度差异最大。

专家对同层各个影响因素以表2所示的分值进行两两比较评分，可得到若干两两判断矩阵。

判断矩阵是以上层的某一因素作为判断标准，对下一层因素进行两两比较确定的元素值。针对本研究的具体情况，按照上述流程，通过 Delphi系统可以得出B层次的判断矩阵，见表3。同理，也可得出C层次的各判断矩阵。

表3　A-Bi判断矩阵（第1层矩阵）

分别计算各层次因素的权重，对于每一个成对比较矩阵，计算最大特征根及相应特征向量。特征向量即为矩阵中各因素权重值。

3.3归一化处理

求某因素相对总目标A层（即防排水形式）的排序权重。首先需确定B和C层判断矩阵的特征向量（以w表示），然后对其进行归一化处理，可求得各因素的相对权重。通常，计算判断矩阵的特征向量与最大特征值，对精度的要求不是很高，所以本文的归一化处理采用如下近似方法［1］。

以A-Bi判断矩阵为例，归一化计算过程如下：

1）求 A-Bi判断矩阵每一行所有元素的几何平均值。

W1。同理得：

W2=0.261，W3=0.207，W4=0.117，W5=0.043。

3.4进行一致性检验

在利用Delphi系统确定各因素相对重要性时，主要运用了专家的隐含性知识，存在一定主观性，因此求出的Wi/Wj不精确，而只是近似的估计，所以必须进行误差和相容性分析。误差估计必然会导致判断矩阵特征值的偏差，可据此定义相容性指标。如果矩阵A完全相容，则其最大特征根λmax=n（n为矩阵阶数），如不相容，则λmax≥n。据此可采用λmax-n的关系来判定偏离相容性的程度。

设相容性指标为CI，则有

式中：CR为一致性指标；［AWi］为矩阵［AW］的第i个向量；RI为平均随机性指标。

1～7阶重复计算1 000次的平均随机性指标见表4。

表4　1～7阶重复计算1 000次的平均随机性指标

当矩阵相容时CI=0；不相容时一般有λmax=n，因此CI＞0。通常，若 CR＜0.10，则认为判断矩阵的一致性可以接受，权重向量W可以接受。

仍以A-Bi判断矩阵为例，一致性检验计算过程如下：

计算A-Bi判断矩阵的最大特征根。记A-Bi判断矩阵为A，则有

查表4得RI=1.12。

3.5计算综合权重

从B层至C层从上而下求出双层次各因素相对于体系总目标A层的综合重要度，即综合权重；然后对双层次所有因素进行排序。结果见表5。

表5　综合权重计算结果及Ci层次权重排序

4　综合评定

4.1为各影响因素效用值打分

再次采用Delphi系统，以问卷调查的形式对影响隧道防排水各个因素的效用值逐一打分（百分制）。对Ci层中每一个单因素打分，并将其与相对应的权重进行加权综合，即可得出Bi因素的得分，接着再与Bi相对应的权重加权得出最终的相对于目标层（防排水形式）的总评分，即双层次综合评价体系最终得出的分值。打分过程见表6。

4.2隧道防排水形式评价准则

根据表6的综合得分，再根据表7即可判断隧道应该采用哪种防排水形式。

表6　防排水形式综合评价打分

表7　钻爆法地铁隧道防排水形式的判别准则

5　应用实例

5.1工程概况

青岛市轨道交通3号线人（民会堂站）—汇（泉广场站）区间起点（里程K1+608.6）位于会堂站大里程端，终点（里程K2+744.3）位于汇泉广场站小里程端，全长1.135 km。本区间沿线为坡地、建筑场地等。区间地质条件较好，穿越地层大部分为微风化花岗岩。

本段区间拱顶埋深12～56 m，区间两端接车站处地质条件较差，埋深较浅，其余区段均为深埋隧道，采用钻爆法开挖施工。区间采用单线马蹄形断面。

5.2建立判断矩阵

对人汇区间隧道各影响因素构造两两比较判断矩阵，从层次结构的B层开始，对于影响到上一层某个因素的同层诸因素，用成对比较法和1～9比较尺度构造成对比较矩阵，直至C层。以 B1-Ci判断矩阵（表8）为例，其余略。

表8　人汇区间B1-Ci判断矩阵（第2层矩阵）

5.3综合评定

在确定了影响隧道防排水的各种影响因素的权重之后，根据专家对每一个影响因素的评分，得到综合得分76分，见表9。

表9　人汇区间隧道排水形式综合评价

查表7可知，人汇区间76分属于适合排放的隧道，但是设计上要考虑限量排放。

由表9可以看出，人汇区间工程地质和水文地质项的得分均较高，甚至可以做开放式排水型隧道，但是隧道受力性能项得分较低。这是因为该隧道为单线隧道，且跨度较小，排水对隧道受力性能的改善不是很明显，所以得分较低。综合来讲得76分，从而属于限量排水型隧道。

5.4工程应用情况

人汇区间排水等级为二级，属于限量排水型隧道。基于此，对该区间进行了相应的排水系统设计：首先对部分地下基岩裂隙水进行封堵，从而达到限量的目的。进而再设计一个网络化排水系统，有效排放残余地下水。网络化排水系统由环向主通道、纵向连接通道、随机连接通道3部分组成。3部分全部采用预制的排水通道。

工程施作完毕后，经过现场分期多次检验，现场排水系统效果良好，水量很小，完全达到了限量排放要求。证明采用双层次综合评价方法判定人汇区间为限量排水型隧道科学合理。

6　结语

相对传统的隧道防排水设计，地铁隧道防排水选型双层次综合评价方法具有2大优势：①能全面考虑各个影响因素，克服了以往以单一因素作为防排水形式判定标准、主观性过强的弱点；②通过专家打分，对各影响因素量化分析，较以往通过经验、工程类比等判定方式更精细更科学。

双层次综合评价方法虽是新方法，但仍存在不足。建议从3方面完善：①评价方法中各主要因素的权重虽然经过了数学方法的误差处理，但是毕竟存在一定程度的主观判断，所以各权重仍需在日后大量工程应用中检验、修正；②评价方法中隧道涌水量是一个十分重要的影响因素，目前的预测方法均误差较大；③评价方法中的各种影响因素是以青岛地铁为基础而提出的，虽大部分影响因素具有较广泛的适应性，但对其他城市尚需对部分因素进行重新选择。

［1］张建国.基于层次分析法的地铁隧道防排水型式及地铁隧道涌水量预测研究［D］.北京：北京交通大学，2013.

［2］汪继锋.应用层次分析法评价铁路岩溶隧道选线水文地质条件［J］.铁道勘察，2011，37（6）：45-49.

［3］潘明明，黄涛，肖智兴.长大隧道涌水量影响因素评价分析的模糊层析分析法［J］.水利与建筑工程学报，2010，8（5）：132-134.

［4］李兴高，刘维宁.公路隧道防排水的安全型综合解决方案［J］.中国公路学报，2003，16（1）：68-73.

［5］叶守杰，严金秀.青岛胶州湾隧道结构防排水系统研究［J］.现代隧道技术，2010（3）：18-23.

［6］王秀英，谭忠盛，王梦恕.厦门海底隧道结构防排水原则研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（2）：3810-3815.

（责任审编葛全红）

Two-Level Comprehensive Evaluation Method on Type Selection of Water-proof and Drainage for Metro Tunnel with Drill-blast Method

LEI Gang
（Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China）

Drill-blast method has been widely used in many urban subway projects，but the traditional qualitative analysis is still applied to select the type of water-proof and drainage for tunnel，lack of scientific quantitative analysis method.In this paper，Qingdao subway construction was case-studied.There are two levels of factors affecting waterproof and drainage type，5 factors at the first level and the rest 15 factors at the second level.Firstly，a two-level analysis model is built.Secondly，experts are invited to quantify the weight values and utility values to the target layer of all the factors in the two levels，and these results are used to calculate the comprehensive score.Finally，according to the preestablished criteria of water-proof and drainage type decision，the corresponding type will be acquired.The advantage of the evaluation system is that it can make the type decision of drill-blast metro tunnels through quantifying analysis.It indicates that the system's engineering application effect is good in Qingdao subway.

Drill-blast method；M etrotunnel；W ater-proofanddrainagetype；T wo-levelanalysismodel；Comprehensive evaluation

U453.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.19

1003-1995（2016）08-0077-06

2016-03-10；

2016-05-30

雷刚（1979— ），男，高级工程师，硕士。