模糊層次分析法在盾構機型優(yōu)選中的應用

蔡亮學,何利民,呂宇玲,張德橋,陳雪華

(1.中國石油大學油氣儲運與建筑工程學院,山東青島 266555;2.中國石化集團管道儲運公司,江蘇徐州 221000)

模糊層次分析法在盾構機型優(yōu)選中的應用

蔡亮學1,何利民1,呂宇玲1,張德橋2,陳雪華2

(1.中國石油大學油氣儲運與建筑工程學院,山東青島 266555;2.中國石化集團管道儲運公司,江蘇徐州 221000)

盾構穿越工程中,選用合適的盾構機型以適應復雜多變的地質(zhì)條件與施工要求至關重要,但目前多依靠施工經(jīng)驗定性判斷。引入定性評價與定量分析相結(jié)合的模糊層次分析法(FAHP),通過建立遞階層次模型、確定模糊一致矩陣、計算指標權重 3個步驟進行盾構機型的優(yōu)選。該方法在宜昌長江盾構穿越中的成功應用表明,建立遞階層次模型是 FAHP的關鍵環(huán)節(jié);指標權重僅具有相對意義,用于對比排序,其數(shù)值沒有實際的物理意義。

模糊層次分析法;盾構;優(yōu)選;矩陣;權重

0 引言

與傳統(tǒng)隧道開挖方式相比,盾構法在掘進速度、工程質(zhì)量、環(huán)境保護以及安全性等方面具有獨到的優(yōu)勢,在地下空間的工程建設中得到越來越廣泛的應用。為適應復雜多變的地質(zhì)條件與施工要求,大量新型盾構技術應運而生,如擴徑盾構施工法、球體盾構施工法、H&V盾構施工法、變形斷面盾構施工法等等,各方法均有特定的盾構機型配合使用。按結(jié)構特點與開挖方法,盾構機型可分為 2大類:閉胸式與敞胸式,進一步可細分為 6種機型[1],如圖 1所示。面對多樣的盾構機型,針對特定工程條件選用最優(yōu)機型成為建設中的首要問題,當前多依靠施工經(jīng)驗定性判斷[2～4],其準確性與普適性均受到較大限制。為此,引入在工程決策中應用日益廣泛的模糊層次分析法 (FAHP)[5,6]進行盾構機型優(yōu)選,建立一種科學合理的定量評價方法,并以“川氣東送”管道宜昌長江盾構穿越工程為例,詳細給出 FAHP優(yōu)選盾構機型的分析步驟。

圖1 盾構機型的分類

1 模糊層次分析法

1.1 FAHP概述

20世紀 70年代,為解決“根據(jù)各工業(yè)部門對國家福利貢獻大小進行電力分配”課題,美國運籌學家 Saaty應用網(wǎng)絡系統(tǒng)理論與多目標綜合評價方法提出了定性分析與定量分析相結(jié)合的層次分析法(AHP),通過明確問題、建立層次分析結(jié)構模型、構造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序 5個步驟求解各層次構成要素對總目標的組合權重,進而計算不同可行方案的綜合評價值,為評選最優(yōu)方案提供依據(jù)。AHP法的概念清晰易懂,在現(xiàn)代管理決策領域得到大量應用。然而,AHP也有自身難以克服的不足:(1)檢驗、調(diào)整判斷矩陣是否具有一致性難度大;(2)檢驗判斷矩陣一致性的標準 CR<0.1缺乏科學依據(jù);(3)判斷矩陣的一致性與人類思維的一致性有顯著差異。為解決上述問題,模糊層次分析法(FAHP)應運而生,通過引入模糊一致矩陣有效解決了判斷矩陣一致性的相關缺陷,近年來在各種決策領域得到越來越廣泛的應用。

1.2 FAHP的主要分析步驟

1.2.1 建立遞階層次結(jié)構模型

針對特定的實際問題,深入分析各影響因素及其相互之間的聯(lián)系,按照不同屬性將其自上而下分解成若干層次,同一層的因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊?且同時支配下一層的因素或受到下層因素的作用。通常情況下層次結(jié)構模型自上而下可分為 3個層次:目標層、準則層與方案層。一般目標層只有 1個因素,準則層與方案層包含多項因素,當準則層的因素過多時可進一步分解出子準則層。

1.2.2 確定優(yōu)先關系矩陣

優(yōu)先關系矩陣 F表示針對上一層某因素,本層次與之有關因素之間相對重要性的比較。將由等待進行重要性比較的因素構成的指標集記為 F0={f1, f2,…,fn},所針對上層某因素 A的優(yōu)先關系矩陣 F =(fij)n×n:

式中:s(i)、s(j)——分別表示指標 fi與 fj的相對重要性程度。

1.2.3 將優(yōu)先關系矩陣改造為模糊一致矩陣

優(yōu)先關系矩陣 F為模糊互補矩陣,為保證與人類決策思維的一致性相協(xié)調(diào),需將其改造為模糊一致矩陣,按照文獻[7]的定義,若矩陣 R=(rij)n×n滿足:rij=rik-rjk+0.5,則為模糊一致矩陣。可按下述步驟改造矩陣:

據(jù)此建立的判斷矩陣可保證模糊一致性,證明詳見文獻[8]。

1.2.4 計算指標權重

文獻[9]總結(jié)了 3種模糊一致矩陣排序的方法,并從運算復雜度與分辨率大小的角度進行了對比分析,認為文獻[10]給出的排序方法科學合理,但文獻[11]研究認為將運算復雜度作為評價依據(jù)不合適,且通過引入?yún)?shù)實現(xiàn)了分辨率大小可調(diào)。在模糊層次分析法中,分析目的是通過對比評價得出最優(yōu)方案,所得指標權重僅具有相對意義,其數(shù)值沒有實際的物理意義。此外,文獻[9]的研究表明 3種排序方法得出的排序結(jié)果是相同的。故此處選用按行求和歸一化法[12]計算指標權重。

指標 fi對上層因素A的指標權重為:

通過層次單排序得出準則層、方案層中各指標對上層因素的指標權重后,將方案層因素的指標權重分別與準則層諸因素的指標權重相乘、再求和即可得到各方案的綜合指標權重。綜合指標權重最大者對應方案為最優(yōu)方案。

2 宜昌長江盾構穿越的機型優(yōu)選

2.1 穿越工程概況

宜昌長江盾構穿越地處“川氣東送”管道宜昌云池江段,工程主要由北岸始發(fā)井、南岸接收井與盾構隧道 3部分組成。北岸始發(fā)井位于湖北省宜昌市猇亭區(qū)方家崗村,南岸接收井位于宜都市紅花套鎮(zhèn)光明村。隧道總長 1405 m,掘進地層由粘土質(zhì)粉砂巖、砂卵礫石層及少量粉砂層構成(見圖 2),地質(zhì)條件復雜,刀具磨損嚴重、刀具被粘土包裹、掘進地層失穩(wěn)坍塌等是此類地層掘進中易出現(xiàn)的難點問題。為順利克服這些困難,針對工程條件選用最優(yōu)盾構機型成為工程建設的首要問題。

圖2 宜昌盾構施工中從江底取出的卵石

2.2 建立遞階層次模型

根據(jù)圖 1中的盾構機型分類,方案層應包括 6項因素,分別記為土壓平衡式盾構機 (C1)、泥水平衡式盾構機 (C2)、擠壓式盾構機 (C3)、全敞胸機械式盾構機 (C4)、全敞胸半機械式盾構機 (C5)、全敞胸手掘式盾構機(C6)。依據(jù)宜昌穿越的工程特點,結(jié)合文獻[2]～[4]中介紹的盾構選型實踐經(jīng)驗,確定土層適應性 (B1)、挖掘面穩(wěn)定性 (B2)、推進速度(B3)、環(huán)境影響 (B4)、工程投資 (B5)五項評價標準作為準則層的組成因素。目標層為適應宜昌盾構穿越工程的最優(yōu)盾構機型 (A)。根據(jù)上述分析,圖 3給出了所建立的遞階層次模型。

表1 A-Bi優(yōu)先關系矩陣

表 2 B1-Ci優(yōu)先關系矩陣

圖3 盾構機型優(yōu)選的遞階層次模型

表 3 B2-Ci優(yōu)先關系矩陣

2.3 得出優(yōu)先關系矩陣

首先看準則層諸因素對目標層的優(yōu)先關系。在宜昌穿越工程中,土層適應性與挖掘面穩(wěn)定性直接關系到穿越工程的成敗,屬最優(yōu)先考慮的第一梯次因素;考慮到工期要求與節(jié)省工程開支,將推進速度與工程投資列為第二梯次因素;在保證施工措施正常進行的情況下,穿越工程對環(huán)境影響較小,將環(huán)境影響作為第三梯次因素。根據(jù)上述分析得出準則層對目標層A的優(yōu)先關系矩陣(表 1)。表 2～表 6給出了方案層諸因素對準則層的優(yōu)先關系矩陣,以方案層對上層因素 B1的優(yōu)先關系矩陣為例說明優(yōu)先關系的確定方法。宜昌穿越地層主要由粘土質(zhì)粉砂巖與砂卵礫石層構成,隧道斷面巖性分布不均勻且有明顯差異,掘進處地下水壓大,最高達 0.36 MPa。結(jié)合盾構機型的工作原理與結(jié)構特點[1],土壓平衡盾構機與泥水平衡盾構機對宜昌穿越地層有良好的適應性,可作為第一梯次因素;擠壓式盾構機可適應高含水地層,但穿越地層的流塑性較差、地下水壓高,將其定位于第二梯次因素;由于穿越處無法采取降排水措施,故難以采用 3種全敞胸式盾構機,列為第三梯次因素。根據(jù)上述優(yōu)先關系確定方案層對B1的優(yōu)先關系矩陣如表 2所示。

表 4 B3-Ci優(yōu)先關系矩陣

表 5 B4-Ci優(yōu)先關系矩陣

表 6 B3-Ci優(yōu)先關系矩陣

2.4 計算指標權重

2.4.1 層次單排序

根據(jù)公式(2)、(3)將 A-Bi優(yōu)先關系矩陣改造為模糊一致矩陣 RA-Bi(表 7),再通過公式 (4)可求得準則層諸因素Bi對A的指標權重:

WA-Bi={0.26,0.26,0.18,0.12,0.18}

表7 A-Bi模糊一致矩陣

按照同樣步驟可得方案層諸因素 Ci對準則層的指標權重。匯總各指標權重如表 8所示。

表8 各層次指標權重與綜合指標權重

2.4.2 層次總排序

方案層 C1的綜合指標權重為:

按照同樣計算方法得出其他方案的綜合指標權重,如表8中所示。

根據(jù)表 8中綜合指標權重的計算結(jié)果,C2的綜合指標權重最大,宜昌盾構穿越采用泥水平衡盾構機最優(yōu)。工程實際中使用德國海瑞克公司制造的AVND3080AH復合式泥水平衡盾構機(該套設備剛成功完成廣東LNG珠江穿越的隧道施工[13]),刀盤外徑 3809 mm,工作性能穩(wěn)定,按質(zhì)按期完成了宜昌盾構隧道工程的掘進工作,且創(chuàng)造了連續(xù)掘進 635 m卵石層的國內(nèi)最長記錄。

3 結(jié)論

本文總結(jié)給出了模糊層次分析法的分析步驟,并將其應用于盾構機型的優(yōu)選。通過宜昌長江盾構穿越的盾構機型優(yōu)選應用實例,詳細給出了分析中所需參數(shù)的確定方法及優(yōu)選結(jié)果的計算過程,研究中得出以下結(jié)論:

(1)建立遞階層次模型是模糊層次分析法的關鍵環(huán)節(jié),模型中準則層諸因素的提煉是否不漏不多不偏直接影響方案層的排序結(jié)果。

(2)指標權重僅具有相對意義,用于對比排序,其數(shù)值沒有實際的物理意義。文獻[2]總結(jié)的 3種排序方法所得排序結(jié)果相同,分析中均可采用。

(3)宜昌長江盾構穿越的盾構機型優(yōu)選實例表明將模糊層次分析法應用于盾構機型優(yōu)選可行有效,可在盾構穿越工程中推廣應用。

[1] 王夢恕.不同地層條件下的盾構與 TBM選型[J].隧道建設, 2006,26(2):1-3,8.

[2] 宋克志,朱建德,王夢恕,等.無水砂卵石地層盾構機的選型[J].鐵道標準設計,2004,(11):51-54.

[3] 陶建勛,段浩,孫鳳革,等.對富水砂卵石地層盾構機選型的思考[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2009,(3):70-72.

[4] 張松杰.淺談盾構的選型與關鍵參數(shù)的選擇[J].山西建筑, 2009,35(10):140-141.

[5] 陳營,汪玉春,陳燕彬,等.模糊層次分析法在管道線路優(yōu)選中的應用[J].油氣儲運,2009,28(5):28-31.

[6] 沈華,馬保松,吳浪輝,等.水平定向鉆穿越工程的項目風險評價[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(3):62-65,81.

[7] 姚敏,張森.模糊一致矩陣及其在軟科學中的應用[J].系統(tǒng)工程,1997,15(2):54-57.

[8] 姚敏,黃燕君.模糊決策方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐, 1999,(11):61-64,70.

[9] 張吉軍.模糊一致判斷矩陣 3種排序方法的比較研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術,2003,25(11):1370-1372.

[10] 呂躍進.基于模糊一致矩陣的模糊層次分析法的排序[J].模糊系統(tǒng)與數(shù)學,2002,16(2):79-85.

[11] 蘭繼斌,徐揚,霍良安,等.模糊層次分析法權重研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2006,(9):107-112.

[12] 徐澤水.模糊互補判斷矩陣排序的一種算法[J].系統(tǒng)工程學報,2001,16(4):311-314.

[13] 李勇成,張志鵬,陳紹友.泥水平衡盾構在粘土層中的掘進技術[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2008,35(2):75-76,71.

Application of Fuzzy Analytical Hierarchy Process(FAHP) in the Opt imum Selection of Shield Machine

CA I Li2 ang2xue1,HE Li2m in1,LV Yu2ling1,ZHANG De2qiao2,CHEN Xue2hua2(1.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum,Qingdao Shandong 266555,China;2.Sinopec Pipeline Storage and Transportation Compa2 ny,Xuzhou Jiangsu 221000,China)

Selection of the appropriate shield machine to fit complex layers and construction requirements is critical for shield crossing projectswhile it is finished qualitatively according to construction experience at present.The paper presents that the fuzzy analytical hierarchy process(FAHP)and the optimum selection of shield is done in terms of qualitative eval2 uation and quantitative calculation by 3 stepswhich include establishing the hierarchicalmodel,determining the fuzzy con2 sistentmatrix and calculating indexweights.The successful application of FAHP in Yangtze River shield crossing project in Yichang shows that the essential part of FAHP is the establishment of hierarchicalmodel.The comprehensive indexweight whose value has no real physicalmeaning is only used for comparing and sorting.

FAHP;shield;optimization;matrix;weight

TE973.9;U455.43

A

1672-7428(2011)05-0070-04

2010-12-02

蔡亮學(1984-),男(漢族),山東臨朐人,中國石油大學(華東)博士研究生,油氣儲運工程專業(yè),主要從事非開挖施工技術研究,山東省青島市黃島區(qū)長江西路 66號中國石油大學儲建學院博 08,cailiangxue-184@163.com。