基于模糊评价法的抽水蓄能电站施工机械设备选型方法研究

宁向可 于庆增

摘要：抽水蓄能电站大型施工机械设备选型存在影响因素复杂、评价标准单一等问题。通过调研机械设备适用的地质条件、施工条件等因素，采用关键成功因素法制定了抽水蓄能电站地下隧洞机械设备选型评判指标体系，利用层次分析法确定指标权重，建立了基于模糊综合评判法的抽水蓄能电站地下隧洞开挖机械施工设备选型方法，对抽水蓄能電站交通洞、尾水洞、排水廊道、泄洪排沙洞、施工支洞、引水上平洞分别进行设备选型。选型结果表明：硬岩隧道掘进机适用于抽水蓄能电站地下洞室施工，进一步验证了选型方法的可靠性。

关键词：抽水蓄能电站; 施工机械设备; 模糊综合评判法; 硬岩隧道掘进机

中图法分类号：TV743文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.017

文章编号：1006 - 0081（2022）05 - 0094 - 05

0 引 言

随着中国新能源的迅速发展，需要加速抽水蓄能电站建设[1]。中国国内从20世纪60年代末开始抽水蓄能电站建设，经过五六十年的发展，装机功率达到60 000 MW左右，预计2025年将达到约90 000 MW。抽水蓄能电站地下隧洞群规模大、项目多，其相应的开挖机械设备种类复杂。总体来说，抽水蓄能电站地下隧洞开挖机械设备先后经历了风动钻机、潜孔钻机、多臂台车等阶段[2-3]。在其他地下施工领域，悬臂掘进机、盾构机、硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine以下简称“TBM”）等设备应用广泛，特别是TBM在铁路、公路、水利、城市地铁等工程建设中广泛应用[4-6]。

面对多种地下隧洞开挖机械设备，抽水蓄能电站地下隧洞开挖不仅要考虑地下隧洞开挖主要机械设备的特征，还要综合考虑抽水蓄能电站地下隧洞地质条件、施工条件、工程条件、施工管理以及社会效益等指标。很多指标量化困难，无法形成有效、可靠的适用于抽水蓄能电站地下隧洞开挖的主要机械设备选型方法[7-8]。

模糊综合评价法是采用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体评价，能较好地解决难以量化的问题。刘洋等[9]针对采空区频繁出现大规模失稳难以量化的问题，提出了一种模糊评价的失稳预测模型;王雪等[10]针对浙江省大中型水库标准化管理创建验收中存在的难以量化的问题，建立了水库标准化管理模糊综合评判决策的数学模型;田松峰等[11]选用模糊综合评判法对发电设备的可靠性状态进行评价;实践证明模糊综合评判法适合解决影响因素复杂、评价标准模糊的工程问题。

在抽水蓄能电站地下隧洞开挖主要机械设备的选型中，由于影响因素的复杂性、评价标准的模糊性等一系列问题，很多影响大型机械设备选型的因素之间不能很好地进行量化，其描述也多用模糊性语言来表达，很难用经典数学模型统一量度。为了解决此问题，本文建立了基于模糊综合评价法的抽水蓄能电站地下隧洞开挖主要机械设备的选型方法。

1 模糊评价数学模型

1.1 评判因素集

根据影响单个事件的影响因素，组成因素集U={u1，u2，u3，…，un}，这些因素集分别对应抽水蓄能电站地质条件、施工条件、工程条件、施工管理和社会效益等指标集，然后根据实际情况，确定这些类别各自的因素集。

1.2 评判集

根据被评判的综合指标体系，建立合适的评判集。如果被评判的因素u有v1，v2，v3，…，vm种评判（m为有限值），则可确定评判集V={v1，v2，v3，…，vm}，其中每种评判对应一个模糊子集。

1.3 单因素评判方式

在给定的评判集基础上建立U→V的模糊映射f：

1.4 评判因素权重

在抽水蓄能电站地质条件、施工条件、工程条件、施工管理和社会效益等被评价的指标集合中，如u1，u2，u3，…，un，其排名不同，不同类别因子对总体的影响也各不相同。在这种情况下，需要确定每个因子对总体的影响程度，即权重。

根据所构建指标体系中各指标的重要程度，结合抽水蓄能电站地下隧洞地质条件、施工条件、工程条件、施工管理以及社会效益，构建模块层和指标层判断矩阵，以此为基础计算各个指标权重，并进行检验，各指标总权重计算公式为

在对抽水蓄能电站地下隧洞开挖主要机械设备与限制性条件综合分析后，对地下隧洞开挖主要机械设备选型结果进行划分。采用模糊评判指数B定量描述抽水蓄能电站地下隧洞开挖主要机械设备选型评价结果及分类情况，可分为不适宜（B<0.5）、基本适宜（0.5≤B<0.8）、适宜（0.8≤ B ≤1.0）3类。

2 模糊综合评判指标体系和指标权重

要实现抽水蓄能电站机械设备的科学合理选型就需要建立1套完备的指标体系。根据抽水蓄能电站机械设备指标体系的构建原则，结合工程技术人员、专家的意见和现有研究的分析，建立了比较完善的选型指标体系，选型指标的选取必须能够切实反映机械设备的选型过程。

（1） 建立了抽水蓄能电站地下隧洞机械设备选型指标的层次结构。一级模块为5项，分别是地质条件、施工条件、工程条件、施工管理和社会效益;二级指标为围岩类别、岩石单轴饱和抗压强度、岩石磨蚀指数、岩石质量指标等24项。

（2） 采用专家打分法对构建的判断矩阵进行打分，先后邀请了10名水利水电工程专家、5名地质工程专家、5名机械工程专家、15名中国水利水电第三工程局管理人员、35名中国水利水电第三工程局施工人员，共70人填写了专家打分表。为消除各行业人员因专业背景不同产生的主观倾向性，根据其对抽水蓄能电站地下隧洞机械设备的了解程度，进行了不同权重系数的设定，并采用尽量扩大样本数量的方式来消除专家主观倾向性。抽水蓄能电站地下隧洞机械设备选型指标的5项一级模块和24项二级模块的权重值见表1，更适用于多个抽蓄电站接续施工的情况。

3 工程应用

山东文登抽水蓄能电站地下洞室群包括进厂交通洞、通风安全洞、引水隧洞、排水廊道、尾水隧洞、自流排水洞、泄洪排沙洞和施工支洞等，数量多达近百条;各洞室长度不一，开挖横断面3～12 m不等，隧洞长度相对较短，一般在1～2 km。抽水蓄能电站主要洞室特性见表2。抽水蓄能电站地下洞室群开挖设备方面，风动钻机、悬臂掘进机、多臂台车、TBM掘进机等地下隧洞开挖设备特性见表3。

本文对文登抽水蓄能电站地下洞室群开挖设备进行选型。该电站发电水头高，输水发电系统洞室群深埋于地下，地下洞室总长度约30 km。依据模糊综合评判法对机械设备进行打分评判，评判结果见表4。由表4可知，TBM掘进机非常适宜排水廊道工程，较适宜交通洞、尾水洞和自流排水洞工程。

文登抽水蓄能电站上、中、下3层排水廊道总长2.4 km，围岩以Ⅱ～Ⅲ类花岗岩为主，单轴饱和抗压强度为140～200 MPa，采用模糊评价法对风动钻机、多臂凿岩台车、悬臂掘进机、TBM掘进机进行综合评价，TBM掘进机评价结果为适宜。该项目首次采用?3 530 mm的超小半径转弯TBM施工，TBM掘进过程中平均进尺每月约300 m，施工人员减少10人，工期节省两个月以上，施工管理难度降低。同时，TBM法施工洞壁光滑，扰动小，成洞质量远高于钻爆法。TBM法与传统风动钻机/多臂台车在施工管理方面的对比见表5，TBM工法在施工进度、安全、质量、工期、作业环境等方面具有优势。

4 结 语

抽水蓄能电站地下洞室开挖机械设备选型结果直接关系到电站运营的安全和投产效率，建立适应抽水蓄能电站地下洞室开挖机械设备选型方法至关重要。抽水蓄能电站机械设备的科学合理选型是一个点多面广、结构复杂、联系紧密的复杂过程，采用模糊综合评判法能够对抽水蓄能电站不同洞室进行科学选型。

本文通过采用模糊综合评价法对山东文登抽水蓄能电站排水廊道机械设备进行选型，结果表明：TBM掘进机模糊综合评价得分最高，TBM工法在施工进度、安全、质量、工期、作业环境等方面具有优势。基于模糊综合评价法的抽水蓄能电站地下隧洞开挖主要机械设备的选型方法具有结果清晰、系统性强的特点，把传统定性评价转化为定量评价，较好地解决了选型标准模糊、难以量化的问题。

参考文献：

[1] 吕永航.抽水蓄能电站TBM开挖解决方案研究[J].建设监理，2020（3）：80-82.

[2] C.斯托克斯，刘建龙.智利等国部分地下工程建设的最新进展[J].水利水电快报，2014，35（12）：11-12，16.

[3] 张军，李守巨，宁忠立，等.抽水蓄能电站引水斜井开挖采用TBM施工的研究[J].水电与抽水蓄能，2018，4（2）：1-7.

[4] 荆留杰，张娜，杨晨. TBM及其施工技术在中国的发展及趋势[J]. 隧道建设，2016，36 （3）：331-337.

[5] 严金秀.大埋深特长山岭隧道技术挑战及对策[J]. 现代隧道技术，2018，55（3）：1-5.

[6] 李建斌.TBM构造与应用[M].北京：人民交通出版社，2019.

[7] 黄俊阁.高磨蚀性硬岩地段敞开式TBM掘进参数优化和适应性研究[J].水利水电技术，2017，48（8）：90-95

[8] 王洪玉，刘金祥，荆岫岩，等.抽水蓄能电站地下洞室开挖设备选型及TBM技术研究[J].中国农村水利水电，2021（6）：148-152，158.

[9] 刘洋，李克钢，李明亮，等.基于AHP-模糊评价的采空区稳定性研究[J].有色金属工程，2020，10（11）：114-119.

[10] 王雪，方春晖.基于模糊理论的浙江省水库标准化管理综合评判[J].水电能源科学，2020，38（11）：90-93.

[11] 田松峰，魏言，王傲男，等.基于改进LSSVM和模糊综合评判法的设备可靠性状态评价[J].武汉大学学报（工学版），2020，53（3）：255-260.

（编辑：李 晗）

Research on selection method of construction machinery for pumped storage power station based on Fuzzy Evaluation Method

NING Xiangke，YU Qingzeng

（China Railway Engineering Equipment Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： To solve the complexity of influencing factors and single evaluation standard in reasonable selection of large mechanical equipment for construction pumped storage power station， by investigating the geological conditions and construction conditions suitable for construction machinery equipment， the key success factor method is used to establish the evaluation index system of constructio machinery selection for underground tunnel of pumped storage power station. Analytic hierarchy process method is used to determine the index weight. The machinery selection method for underground tunnel excavation of pumped storage power station is established based on fuzzy comprehensive evaluation method and the construction equipment for access tunnel， tailrace tunnel， drainage gallery， flood and sediment discharge tunnel， construction adit and upper horizontal tunnel is selected respectively. The results show that hard rock TBM is suitable for the construction of underground cavern of pumped storage power station. The reliability of the selection method is further verified.

Key words： pumped storage power station; construction machinery; fuzzy comprehensive evaluation method; hard rock TBM

收稿日期：2021-11-01

作者簡介：宁向可，高级工程师，硕士，主要从事隧道工程装备开发工作。E-mail：ningxiangke@crectbm.com