基于層次分析法的黃土區超小凈距隧道施工方案比選分析

黃炳球

摘要：文章基于層次分析法，綜合考慮不同施工工法力學指標和經濟指標、進度指標，建立層次分析評價體系，對黃土區超小凈距隧道施工工藝進行了優化比選分析，并通過實際工程運用，證明了基于層次分析法的黃土區隧道施工方案的可靠性與合理性。

關鍵詞：層次分析法;黃土;隧道;超小凈距;施工工藝優化

0 引言

受地形條件的限制，小凈距隧道成為當前公路、鐵路工程中較為常見的結構形式。在我國西北地區分布著廣袤的黃土層，由于黃土獨特的物理力學性質，在這些地區修建鐵路隧道所遇到的技術難點很多，特別是超小凈距黃土隧道的施工更加困難。因此，研究適合黃土區超小凈距隧道的施工工法，對于工程施工安全、進度和造價具有重要意義[1-5]。

王小林等采用數值分析方法，對斷面非對稱小凈距黃土地鐵隧道施工順序進行了對比分析，并認為先施工小斷面隧道的施工順序對于隧道的穩定性更加有利[6]。劉拓益等通過工程實踐，總結了一套黃土地區小凈距隧道施工技術，認為為了減小對圍巖的施工擾動，應盡可能早地封閉成環[7]。層次分析法（AHP）適用于復雜的多目標決策問題并得出最優解決方案，具有系統性、實用性和簡易性等優點，被廣泛應用于安全評價、生態環境評價等領域，在隧道開挖施工領域也已得到一定的應用。如楊海忠將層次分析法應用于隧道涌水突泥事故可能性評估[8];胡群芳等提出了基于模糊層次分析的公路隧道結構安全評估方法[9];李寶平等基于層次分析法，對隧道二次襯砌施作時機預測進行了探討[10]。

本文基于層次分析法，綜合考慮不同施工工法力學指標和經濟指標、進度指標，建立層次分析評價體系，對黃土區超小凈距隧道施工工藝進行了優化分析，并在實際工程中予以實踐應用，獲得了較好效果，可為類似地區超小凈距隧道施工工法的合理選擇提供借鑒。

1 層次分析理論

1.1 基本原理及指標體系

層次分析法（簡稱AHP）是將與決策有關的元素劃分為目標層、準則層以及指標層，通過分解多個目標、準則或者指標，將難以定量的、復雜的決策問題轉化為定量排序，以最終做出最佳的判斷和選擇。目標層為施工工法選擇;準則層（即施工工法各因素）包括最大位移與洞徑之比、最大拉壓應力比、單位長度內圍巖損傷體積、施工進度、工程造價五個;指標層則為所要研究的施工方案。根據當前黃土隧道施工的常用方法，選擇全斷面法、環形開挖留核心土法、三臺階七步開挖法、CD法、CBD法以及雙側壁導坑法等6種隧道施工方案作為指標層進行分析，建立如下層次分析指標模型（見圖1）。

1.2 分析步驟

利用層次分析法對隧道開挖施工方案進行決策，其分析流程主要包括以下四個方面：（1）建立層次分析指標模型;（2）構造判斷矩陣;（3）進行層次單排序和一致性檢驗計算;（4）進行層次總排序及一致性檢驗。

2 分析過程

2.1 計算工況

本文擬計算分析工況共包括六種（2×3=6）。其中：隧洞埋深分別為30m和100m，隧洞橫向間距分別為2m、16m和30m。每種工況下均用1.1小節中的6種施工方案進行計算分析。具體工況參數情況見表1。

2.2 準則層排序

首先需要對準則層的五個影響因素進行重要性排序計算，采用專家調查法獲得了各影響因素的評分情況（由于數據量太大，文中不再贅述）。通過各影響因素評分進行兩兩比較，得到如下判斷矩陣：

根據式（1）可以分別得到判斷矩陣的特征向量為：W=[0.29，0.06，0.26，0.16，0.23]，AW=[1.45，0.32，1.29，0.81，1.13]。從特征向量的值可以看到：最大位移與洞徑之比的特征向量值最大，最大拉應力與最大壓應力之比的特征向量值最小，影響因素層從大到小排序依次為最大位移與洞徑之比B1、單位長度內圍巖損傷體積B2、工程造價B3、施工進度B4以及最大拉應力與最大壓應力之比B5。最大位移與洞徑之比是首先需要考慮的因素，除此之外，工程造價因素排在第三，高于施工進度和最大拉應力與最大壓應力之比。由此可見，施工方案在滿足施工進度的前提下應最大可能實現工程的經濟效益。

為了驗證矩陣的有效性，計算得到矩陣的最大特征向量為：

故通過一致性檢驗，該矩陣有效。

2.3 指標層排序

以工況1為例，首先對指標層計算過程進行說明，同理，構造指標層的判斷矩陣。

從施工總排序結果可知：當在隧道埋深為100m、橫向間距為30m時，最適宜的施工方案為環形開挖留核心土法和三臺階七步開挖法。

2.4 不同工況施工方案優選

按照2.3小節所述方法，對不同工況下各施工方案的得分進行計算，結果見圖2。從圖中比較可以得到：當在工況1（埋深100m，間距30m）時，黃土隧道最適宜的施工方法為C2（環形開挖留核心土法）和C3（三臺階七步開挖法）;當在工況2（埋深100m，間距16m）時，黃土隧道最適宜的施工方法為C2（環形開挖留核心土法）;當在工況3（埋深100m，間距2m）時，黃土隧道最適宜的施工方法為C6（雙側壁導坑法）;當在工況4（埋深30m，間距30m）時，黃土隧道最適宜的施工方法為C2（環形開挖留核心土法）;當在工況5（埋深30m，間距16m）時，黃土隧道最適宜的施工方法也為C2（環形開挖留核心土法）;當在工況6（埋深30m，間距2m）時，黃土隧道最適宜的施工方法也為C2（環形開挖留核心土法）。從整體得分結果來講：當埋深較深、間距較大時，建議采用環形開挖留核心土法和三臺階七步開挖法進行施工;當埋深較深，間距較小時，建議采用雙側壁導坑法，不建議采用三臺階七步開挖法;當埋深較淺時，建議采用環形開挖留核心土法和CD法。

3 工程案例

3.1 工程背景

某隧道位于黃土梁茆區，隧道設計總長為367m，設計最大埋深為38.2m，平均埋深約為28.7m，隧道斷面分為三種不同結構尺寸，最大斷面跨度為11.56m，最大洞高為11.08m，標準洞段斷面尺寸為跨度6.5m、洞高9.75m。圍巖主要為黃土和粉質紅黏土。新建隧道與既有隧道的最小間距僅為1.1m，屬于黃土區超小凈距隧道施工工程。為了確保臨近隧道施工的安全性，在兩隧道較近一側設置40根1m、深為20m的隔離樁，隧道平面布置關系見圖3。

3.2 施工方案比選

方案初選：工程的平均埋深為28.7m，最小凈距為1.1m，與上述分析工況6極為接近。在工況6時，得分排名前三的方案依次為：環形開挖留核心土法、CD法和雙側壁導坑法。

方案篩選：新建隧道大部分為標準斷面，僅在靠近出口處存在較大斷面，在滿足施工進度的前提下，應該充分考慮隧道施工的整體難易度和經濟效益。雙側壁導坑法的每月施工進度僅為30～40m，且工程造價較高;CD法每月施工進度為50～70m，工程造價適中;環形開挖留核心土法在施工工藝上可以簡化為兩臺階施工法，不僅具有較快的施工進度（100～150m/月），還具有較好的工程造價（雖然與CD法和雙側壁導坑法相比，其施工圍巖穩定性略有降低，但對工程施工安全性不造成影響）。故從工程施工安全、進度和經濟性綜合考慮，決定采用環形開挖留核心土法進行施工。

3.3 施工結果分析

首先，采用數值分析方式，對不同洞段的開挖施工結果進行模擬，結果見表2。從表中可以看到：最大壓應力和拉應力分別為16.6MPa和3.3MPa，均出現在中間過渡段，最大位移出現在轉轍機擴挖段，變形量為11.6mm，圍巖損傷面積為2.8m2，也位于轉轍機擴挖段，而最大變形與洞徑比最大值出現在中間過渡段，值為0.00105。

為了驗證施工方案選擇的安全性、合理性及可靠性，在施工過程中對頂拱和水平的位移變形進行了監測（監測點位于標準洞段），結果見圖4。從圖中可以看到：隧道圍巖的最大變形出現在開挖施工1d后，頂拱和水平收斂變形最大值分別為7.3mm和7mm，之后，變形逐漸呈收斂變化，穩定性較好，最大變形量與模擬分析值（6.7mm）相差不大，符合程度高?？梢?，經層次分析法決策優選的環形開挖留核心土方案很好地適用于該隧道的開挖施工，能夠最大程度保證施工期間圍巖穩定性、施工進度和工程造價。

4 結語

（1）基于層次分析法，建立了考慮施工力學參數、工程進度以及工程造價的黃土區小凈距隧道的施工方案決策優選模型。

（2）根據層次分析模型結果得出：當埋深較深、間距較大時，建議采用環形開挖留核心土法和三臺階七步開挖法進行施工;當埋深較深，間距較小時，建議采用雙側壁導坑法，不建議采用三臺階七步開挖法;當埋深較淺時，建議采用環形開挖留核心土法和CD法。

（3）將分析理論應用于工程實踐，通過方案初選和篩選，得到隧道的施工方案，并通過數值模擬和現場工后監測結果，表明經層次分析法決策優選的可靠性與合理性。

參考文獻：

[1]李建林，吳金剛，畢 強.大跨度小凈距公路隧道設計與施工方法研究[J].現代隧道技術，2019，56（5）：157-162，227.

[2]段軍朝，吳賢國，李博文，等.某暗挖小凈距隧道施工方案優化及爆破施工安全研究[J].城市道橋與防洪，2019（10）：135-141，18-19.

[3]鄔建華.雙孔小凈距隧道不同開挖方法的有限元模擬[J].交通世界，2018（20）：83-85.

[4]陳 平.小凈距隧道開挖工法合理性研究[J].鐵道工程學報，2018，35（4）：65-69.

[5]徐學磊.地鐵淺埋小凈距隧道施工技術[J].國防交通工程與技術，2013，11（S1）：148-149，137.

[6]王小林，張 亮，李冀偉，等.斷面非對稱小凈距黃土地鐵隧道施工順序模擬對比研究[J].城市軌道交通研究，2015，18（9）：100-105.

[7]劉拓益，傅郁健，董景印，等.黃土地區小凈距隧道施工技術[J].交通世界，2017（10）：108-109.

[8]楊海忠，李云峰，蔡名都，等.基于檢查表法和層次分析法的隧道涌水突泥事故可能性指標體系研究[J].公路交通科技（應用技術版），2019，15（9）：234-236.

[9]胡群芳，周博文，王 飛，等.基于模糊層次分析的公路隧道結構安全評估技術[J].自然災害學報，2018，27（4）：41-49.

[10]李寶平，牛文榀，秦 威.層次分析法在隧道二次襯砌施作時機預測中的應用[J].鐵道建筑，2017，57（9）：92-95.