地鐵鉆爆法隧道防排水選型雙層次綜合評價方法

雷剛（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京　100037）

地鐵鉆爆法隧道防排水選型雙層次綜合評價方法

雷剛
（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100037）

鉆爆法在很多地鐵工程中得到大量應用，但其防排水形式的選擇仍然以傳統的定性判斷為主，缺少科學的量化分析方法。鑒于此，依托青島地鐵工程，通過調研將影響地鐵隧道防排水形式的因素分為2個層次，第1層5大類影響因素，第2層15個影響因素。首先建立起雙層次分析模型，由專家對2個層次中各因素的權重進行打分，接著對各項因素對目標層的效用值進行評分，再結合雙層次各因素權重，計算出對于目標層的綜合評價得分，進而根據事先擬定好的評定標準來判斷隧道最終采用何種防排水形式。該方法的優點是可以量化分析鉆爆法地鐵隧道的防排水選型。該方法已在青島地鐵工程應用，效果良好。

鉆爆法；地鐵隧道；防排水形式；雙層次分析模型；綜合評價

長期以來土質地層中以明挖法和盾構法施工的隧道多采用防水型隧道。但是，最近幾年很多巖質地層中以鉆爆法施工的隧道也選擇防水型隧道，其合理性值得探討。鉆爆法施工的地鐵隧道防排水形式的判定涉及諸多因素。目前，國內外地鐵隧道防排水型式的選擇主要還是依靠經驗和工程類比的方法，其主觀性太強，誤差極大。因此，亟需要一種能夠對影響隧道防排水各個因素量化分析的科學的隧道防排水評價體系。本文以青島地鐵工程為例，研究鉆爆法地鐵隧道防排水型式評價方法，以期為類似工程提供借鑒。

1　評價原則及評價流程

在評價客觀事物之前，首要任務是確定評價指標。評價指標是評定和衡量各客觀對象質量的標尺。評價指標的確定原則［1］：①科學現實原則；②可測可比原則；③綜合簡明原則。

為了能對各定性指標量化分析，克服以往防排水模式判定時主觀性過強的缺點，本文將影響隧道防排水選型的因素分為2個層次，給出了鉆爆法地鐵隧道防排水選型雙層次綜合評價方法。

雙層次評價系統的評價流程：建立雙層次因素模型→推出雙層次評價指標的權重體系→進行廣泛的問卷調研→專家對各項評價指標打分（Delphi法）→求出綜合評分結果→確定綜合評價結論［2］。

在這個過程中，采用雙層次模型分析法構建綜合評價指標體系和權重體系。在過程中由于引入帶有主觀性的 Delphi法，因此還需要引入模糊數學，量化處理定性指標。

2　雙層次因素模型的建立

首先，要先建立起雙層次因素模型，然后經由遞階化、邏輯判定、拆分綜合的過程，將定性的因素轉化為數值化的評估因子，使評估思路條理化，減少決策錯誤。

影響鉆爆法地鐵隧道防排水形式的因素較多，主要包括隧道所在區域的工程地質、水文地質、結構受力性能、施工影響區的地面環境、政策、宗教信仰等因素，在這些大的因素下又可進一步劃分出若干二級因素，如水文條件再進一步細分，可劃分為涌水量、腐蝕性、隔水層及含水層情況［3-6］。對影響地鐵隧道防排水型式的若干因素進行篩選、歸納、分類之后，建立起雙層次因素模型，見圖1。

3　確定各層次因素權重

在建立好雙層次模型之后，接下來就需要確定各個因素在影響防排水形式方面的權重。

3.1確定各影響因素的權重

采用此評價體系，需要將影響隧道防排水的各因素指標數量化，因此引入 Delphi系統（專家打分系統），邀請有經驗的專家，對不同影響因素的各種指標的權重及得分（即效用值）進行分級評分，打分需要分2次進行。

圖1　雙層次因素模型

選取在隧道防排水方面造詣較深的第一線的專家學者。為了盡可能在打分時獲得準確結果，必須對不同專家的隱性知識能力及經驗豐富程度進行有效區分，因此對專家的權威性進行了層次劃分。

采用權威性指數來區分專家的權威性，見表1［1］。首先明確打分專家的總人數 m，然后假設一類有 n1人、二類有n2人、三類有n3人。令E=5×n1+3×n2+2×n3。則權威指數參見表1［1-3］。

表1　專家類型及權威性指數

3.2建立相對比較矩陣

各因素相對于高一層次的某因素的相對重要性權重值的確定可簡化為一系列成對因素的判斷比較。為了將比較判斷的結果定量化，通過Delphi評分，引入1 ～9標度法［1］。

構造兩兩相對比較判斷矩陣，從層次結構的B層（目標層為A層）開始，對于影響到上一層某個因素的同層所有因素，用成對比較法和9個自然數比較尺度構造成對比較矩陣，形成雙層次比較矩陣。相對比較法的標度見表2。

表2　相對比較法的標度

比較的前提是假定：每一影響因素的分值可用9個自然數標度；1表示相對重要性程度相同，9表示相對重要性程度差異最大。

專家對同層各個影響因素以表2所示的分值進行兩兩比較評分，可得到若干兩兩判斷矩陣。

判斷矩陣是以上層的某一因素作為判斷標準，對下一層因素進行兩兩比較確定的元素值。針對本研究的具體情況，按照上述流程，通過 Delphi系統可以得出B層次的判斷矩陣，見表3。同理，也可得出C層次的各判斷矩陣。

表3　A-Bi判斷矩陣（第1層矩陣）

分別計算各層次因素的權重，對于每一個成對比較矩陣，計算最大特征根及相應特征向量。特征向量即為矩陣中各因素權重值。

3.3歸一化處理

求某因素相對總目標A層（即防排水形式）的排序權重。首先需確定B和C層判斷矩陣的特征向量（以w表示），然后對其進行歸一化處理，可求得各因素的相對權重。通常，計算判斷矩陣的特征向量與最大特征值，對精度的要求不是很高，所以本文的歸一化處理采用如下近似方法［1］。

以A-Bi判斷矩陣為例，歸一化計算過程如下：

1）求 A-Bi判斷矩陣每一行所有元素的幾何平均值。

W1。同理得：

W2=0.261，W3=0.207，W4=0.117，W5=0.043。

3.4進行一致性檢驗

在利用Delphi系統確定各因素相對重要性時，主要運用了專家的隱含性知識，存在一定主觀性，因此求出的Wi/Wj不精確，而只是近似的估計，所以必須進行誤差和相容性分析。誤差估計必然會導致判斷矩陣特征值的偏差，可據此定義相容性指標。如果矩陣A完全相容，則其最大特征根λmax=n（n為矩陣階數），如不相容，則λmax≥n。據此可采用λmax-n的關系來判定偏離相容性的程度。

設相容性指標為CI，則有

式中：CR為一致性指標；［AWi］為矩陣［AW］的第i個向量；RI為平均隨機性指標。

1～7階重復計算1 000次的平均隨機性指標見表4。

表4　1～7階重復計算1 000次的平均隨機性指標

當矩陣相容時CI=0；不相容時一般有λmax=n，因此CI＞0。通常，若 CR＜0.10，則認為判斷矩陣的一致性可以接受，權重向量W可以接受。

仍以A-Bi判斷矩陣為例，一致性檢驗計算過程如下：

計算A-Bi判斷矩陣的最大特征根。記A-Bi判斷矩陣為A，則有

查表4得RI=1.12。

3.5計算綜合權重

從B層至C層從上而下求出雙層次各因素相對于體系總目標A層的綜合重要度，即綜合權重；然后對雙層次所有因素進行排序。結果見表5。

表5　綜合權重計算結果及Ci層次權重排序

4　綜合評定

4.1為各影響因素效用值打分

再次采用Delphi系統，以問卷調查的形式對影響隧道防排水各個因素的效用值逐一打分（百分制）。對Ci層中每一個單因素打分，并將其與相對應的權重進行加權綜合，即可得出Bi因素的得分，接著再與Bi相對應的權重加權得出最終的相對于目標層（防排水形式）的總評分，即雙層次綜合評價體系最終得出的分值。打分過程見表6。

4.2隧道防排水形式評價準則

根據表6的綜合得分，再根據表7即可判斷隧道應該采用哪種防排水形式。

表6　防排水形式綜合評價打分

表7　鉆爆法地鐵隧道防排水形式的判別準則

5　應用實例

5.1工程概況

青島市軌道交通3號線人（民會堂站）—匯（泉廣場站）區間起點（里程K1+608.6）位于會堂站大里程端，終點（里程K2+744.3）位于匯泉廣場站小里程端，全長1.135 km。本區間沿線為坡地、建筑場地等。區間地質條件較好，穿越地層大部分為微風化花崗巖。

本段區間拱頂埋深12～56 m，區間兩端接車站處地質條件較差，埋深較淺，其余區段均為深埋隧道，采用鉆爆法開挖施工。區間采用單線馬蹄形斷面。

5.2建立判斷矩陣

對人匯區間隧道各影響因素構造兩兩比較判斷矩陣，從層次結構的B層開始，對于影響到上一層某個因素的同層諸因素，用成對比較法和1～9比較尺度構造成對比較矩陣，直至C層。以 B1-Ci判斷矩陣（表8）為例，其余略。

表8　人匯區間B1-Ci判斷矩陣（第2層矩陣）

5.3綜合評定

在確定了影響隧道防排水的各種影響因素的權重之后，根據專家對每一個影響因素的評分，得到綜合得分76分，見表9。

表9　人匯區間隧道排水形式綜合評價

查表7可知，人匯區間76分屬于適合排放的隧道，但是設計上要考慮限量排放。

由表9可以看出，人匯區間工程地質和水文地質項的得分均較高，甚至可以做開放式排水型隧道，但是隧道受力性能項得分較低。這是因為該隧道為單線隧道，且跨度較小，排水對隧道受力性能的改善不是很明顯，所以得分較低。綜合來講得76分，從而屬于限量排水型隧道。

5.4工程應用情況

人匯區間排水等級為二級，屬于限量排水型隧道。基于此，對該區間進行了相應的排水系統設計：首先對部分地下基巖裂隙水進行封堵，從而達到限量的目的。進而再設計一個網絡化排水系統，有效排放殘余地下水。網絡化排水系統由環向主通道、縱向連接通道、隨機連接通道3部分組成。3部分全部采用預制的排水通道。

工程施作完畢后，經過現場分期多次檢驗，現場排水系統效果良好，水量很小，完全達到了限量排放要求。證明采用雙層次綜合評價方法判定人匯區間為限量排水型隧道科學合理。

6　結語

相對傳統的隧道防排水設計，地鐵隧道防排水選型雙層次綜合評價方法具有2大優勢：①能全面考慮各個影響因素，克服了以往以單一因素作為防排水形式判定標準、主觀性過強的弱點；②通過專家打分，對各影響因素量化分析，較以往通過經驗、工程類比等判定方式更精細更科學。

雙層次綜合評價方法雖是新方法，但仍存在不足。建議從3方面完善：①評價方法中各主要因素的權重雖然經過了數學方法的誤差處理，但是畢竟存在一定程度的主觀判斷，所以各權重仍需在日后大量工程應用中檢驗、修正；②評價方法中隧道涌水量是一個十分重要的影響因素，目前的預測方法均誤差較大；③評價方法中的各種影響因素是以青島地鐵為基礎而提出的，雖大部分影響因素具有較廣泛的適應性，但對其他城市尚需對部分因素進行重新選擇。

［1］張建國.基于層次分析法的地鐵隧道防排水型式及地鐵隧道涌水量預測研究［D］.北京：北京交通大學，2013.

［2］汪繼鋒.應用層次分析法評價鐵路巖溶隧道選線水文地質條件［J］.鐵道勘察，2011，37（6）：45-49.

［3］潘明明，黃濤，肖智興.長大隧道涌水量影響因素評價分析的模糊層析分析法［J］.水利與建筑工程學報，2010，8（5）：132-134.

［4］李興高，劉維寧.公路隧道防排水的安全型綜合解決方案［J］.中國公路學報，2003，16（1）：68-73.

［5］葉守杰，嚴金秀.青島膠州灣隧道結構防排水系統研究［J］.現代隧道技術，2010（3）：18-23.

［6］王秀英，譚忠盛，王夢恕.廈門海底隧道結構防排水原則研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（2）：3810-3815.

（責任審編葛全紅）

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

雷剛（1979— ），男，高級工程師，碩士。