基于改进层次分析法与模糊综合评价法的盾构适应性研究*

张 增，王志远，封 坤，王胤丞

(1.叙镇铁路有限责任公司，云南 昭通 657900；2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610036；3.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

随着我国高速铁路、机场交通、城市轨道交通的快速发展，越来越多的城市建设大型交通枢纽，从而形成多元化、立体化交通中心，方便旅客出行。为实现高效率换乘，须综合考虑地下空间开发与利用，建设高密度、便捷化的枢纽中心。目前，我国隧道工程建设采用的施工方法以明挖法、盾构法、矿山法为主，水下隧道工程也可采用沉管法。由于盾构法施工对周围环境的影响较小，且施工过程中自动化水平较高，逐渐发展为主流工法。因此，需利用合理的方法对盾构适应性进行分析，以确保施工安全、顺利进行。

适应性指某个事物在适应内、外部不同环境与客观条件时具备的能力。在系统科学中，适应性泛指某个系统主体具备适应各种外界环境的因素，并与之保持一致、协调发展的能力。系统由若干个既有区别又有联系的因素构成，可实现具有一定总体功能的有机集合。系统中某个重要因素发生变化时，既会直接受到系统中其他因素的影响和限制，又会反过来影响其他因素。因此，为保持系统总体功能，须要求重要因素之间相互适应。进行适应性评价，首先须确定评价指标体系。建立指标体系时，需视评估对象而定。一般而言，建立可用于评价的指标体系时，应遵循层次性、效度、简明性原则[1]。

我国学者针对地质条件、环境特点开展了多维度盾构适应性研究，如陈建福[2]以厦门地铁2号线海东区间工程为依托，分析不同掘进参数下孤石密集及基岩凸起段盾构适应性；万朝栋[3]基于成都地铁典型的富水砂卵石地层盾构隧道现场实践，通过分析掘进速度、刀盘扭矩、推力、刀盘转速，得到不同刀盘在富水砂卵石地层盾构隧道掘进时的适应性；冯振鲁等[4]依托北京地铁8号线王府井站—前门站工程，对泥水平衡盾构推力、刀盘扭矩等进行计算分析，总结泥水平衡盾构在高水压卵石地层中的适应性；王焰[5]以沿海广深港客运专线狮子洋隧道工程为依托，分析泥水平衡盾构在沿海复合地层中的适应性；彭康等[6]以环城北路—天目山路改造项目01标段工程为依托，分析长距离掘进时大直径泥水平衡盾构适应性；李杰华等[7]基于成都地铁17号线TJ05A标段工程，开展富水大粒径砂卵石地层盾构刀盘和螺旋机适应性设计；齐晓成[8]依托横琴隧道1号井湾仔北区间工程，着重分析土压平衡盾构在复合地层中的适应性；潘传宇等[9]以长沙地铁4号线工程为背景，基于盾构刀盘与刀具、渣土系统、渣土修复系统、注浆制动系统，全面阐述了盾构在强风化地层中的适应性；程池浩等[10]基于沈阳地铁10号线砂卵石地层盾构区间，研究泥水平衡盾构在富水砂卵石地层中的适应性。

已有研究多采用定性方法进行分析，由于盾构适应性分析并非由此及彼的工作，且土压平衡盾构适应性评价要求综合考虑多种不确定性指标，模糊综合评价法可对多因素影响的事物做出综合性评价。因此，本文依托重庆至昆明高速铁路长水机场隧道工程，选择改进层次分析法联合模糊综合评价法，进行盾构适应性定量与定性评价，提高评价结果可靠性与科学性。

1 工程概况

重庆至昆明高速铁路长水机场隧道位于云南省昆明市，全长8 240m。平面线路最小曲线半径为8 000m。轨面最小埋深约9.9m，轨面最大埋深约46.0m。单向下坡，最大坡度为7.6‰。

隧道沿线穿过多处重要建(构)筑物，包括长水机场T1，T2航站楼、机场下穿隧道、第一滑行道、云南省跨境电子商务园区、第八自来水厂等，工程地质条件及周边环境复杂，隧道上方地面无地层处理条件。

隧道采用单层圆形钢筋混凝土预制管片拼装结构，隧道内径10.9m，管片厚550mm，管片环宽1 800mm，封顶块管片共2块，圆心角均为20°，标准块管片共7块，圆心角均为40°，邻接块管片共2块，圆心角均为20°。

2 盾构适应性影响分析

土压平衡盾构适应性影响因素较多，在征求相关专家意见的基础上，将影响因素归类为机器参数和地层条件参数。机器参数包括盾构总推力、盾构总扭矩、刀盘开口率，地层条件参数包括软硬不均地层、地层渗透系数、地层颗粒级配。

2.1 改进层次分析法的应用

权重是以某种数量形式对比、权衡被评价事物总体中诸因素相对重要程度的量值。目前，权重确定方法主要包括层次分析法、专家调研法、统计法等。大量研究表明，利用层次分析法计算权重更符合实际情况，且层次分析法计算所用数据量较少，评分更快速，计算工作量较小，易于了解与掌握。在传统的层次分析法中，由决策者个人决定指标权重的两两比值数据，结果受决策者的主观影响较大。因此，本文引入基于群组决策的改进层次分析法[11]，利用多位决策者的数据，得出相对客观的数据。通过咨询业内10名专家，得到机器参数与地层条件参数权重比值估计值C=(0.5,2,0.5,1,1,1,0.5,1,1,0.5)，从而得到其几何平均值Cm和几何离散度σ：

(1)

(2)

表1 盾构适应性一致性检验结果

一致性检验结果如表1所示，由表1可知，专家给出的数据差异较小，Cm可代表所有专家的意见。可通过计算评价指标两两之间的比值，构造判断矩阵，并利用判断矩阵计算特征向量，进而得到每个评价指标的权重，如表2所示。

表2 盾构适应性评价指标权重

表3 盾构适应性计算依据与评价标准

由表2可知，对于穿越岩溶地区的盾构隧道；机器参数中，盾构总扭矩权重最高，盾构总推力次之，刀盘开口率权重最低，表明盾构总扭矩对盾构适应性的影响较大，而刀盘开口率的影响较小；地层条件参数中，软硬不均地层对盾构适应性的影响最大，地层渗透系数和地层颗粒级配的影响较小，可根据地层条件改善掘进方式。

2.2 模糊综合评价法的应用

盾构适应性判定边界模糊，为消除模糊性，构建隶属度函数，将定性问题转化为定量计算。计算依据与评价标准如表3所示，表3中D为盾构外径，PJ为单位开挖面积所需推力，β为经验系数，α为地层复合比，h为通过岩溶地区充填溶洞的高度。刀盘开口率取值如表4所示，构建的隶属度函数如表5所示。根据工程资料，得到盾构适应性各指标隶属度，如表6所示。

表4 刀盘开口率取值

由表6数据得到盾构适应性评价指标隶属度矩阵R为：

(3)

体系权重A为：

(4)

表5 盾构适应性隶属度函数

表6 盾构适应性评价指标隶属度

计算得到体系隶属度B为：

(5)

由以上分析可知，最大隶属度为0.716 5，根据最大隶属度原则，该土压平衡盾构适应程度为适应，但最大隶属度<1，说明未达到完全适应，仍有提高空间。为提高盾构适应性，应从改善地层条件着手。

3 盾构适应性增强措施

已有研究表明[12]，为提高盾构适应性，应尽量减少辅助施工。由于本工程软硬不均地层对于盾构掘进的影响最大，不适应程度最高，考虑工程地质条件复杂等因素，根据地层条件选取合适的刀具，在总结专家意见的基础上，结合调研结果，设计刀具类型为切刀、切刀+齿刀、双刃滚刀+镶齿刀圈滚刀、单刃滚刀+整体刀圈滚刀，针对岩石强度、岩石完整度、软硬不均地层、孤石直径、地层石英含量和地层黏性颗粒含量进行刀具选型，通过应用改进层次分析法和模糊综合评价法，得到不同指标权重，如表7所示，计算依据与评价标准如表8所示，隶属度函数如表9所示，隶属度计算结果如表10所示。

表7 刀具选型指标权重

表8 刀具选型计算依据与评价标准

表9 刀具选型隶属度函数

表10 刀具选型隶属度

为更好地判别4种刀具组合优先度，对各指标隶属度进行归一化处理，从而计算得到体系隶属度：

(6)

由以上分析可知，最大隶属度为0.346 4。根据最大隶属度原则，为提高盾构掘进对本工程的适应性，在该地层应采用的刀具为双刃滚刀+镶齿刀圈滚刀，可同时配置切刀。

4 结语

依托重庆至昆明高速铁路长水机场隧道工程，基于改进层次分析法和模糊综合评价法对盾构适应性进行研究，得出以下结论。

1)传统层次分析法受决策者主观偏好的影响较大，通过采用改进层次分析法和模糊综合评价法，结合定量与定性分析，使结果更科学有效。

2)对于穿越岩溶地区的盾构隧道，机器参数中，盾构总扭矩对盾构适应性的影响较大，刀盘开口率的影响较小；地层条件参数中，软硬不均地层对盾构适应性的影响最大，地层渗透系数和地层颗粒级配的影响较小，可根据地层条件改善掘进方式。

3)土压平衡盾构未达到完全适应水平，应从改善地层条件着手提高盾构适应性。

4)为进一步提高盾构掘进对本工程的适应程度，对刀具选型进行了分析，可知本工程应采用的刀具为双刃滚刀+镶齿刀圈滚刀，可同时配置切刀。

本文提出的盾构适应性评价及增强措施函数模型，可为类似工程提供参考。当分析特定工程案例时，需确定特定工程评价指标与权重，做到具体问题具体分析。