基于層次分析法的220 kV變電站進線非開挖電力排管工程施工方案分析

袁 奇，王 敏，寧 科，宋 喆

(1.國網上海市電力公司電纜分公司，上海 200072；2.國網上海市電力公司嘉定供電公司，上海 200072)

目前擁有更大可能的地下空間逐漸成為工程建設的關注焦點，尤其是電力電纜建設。電力電纜地下敷設方式主要有直埋敷設、淺槽敷設、電纜溝敷設、穿管敷設、電纜隧道敷設等方法，前3種敷設方法屬于明挖法，后2種屬于非開挖法。受地質水文、交通等因素影響，電力電纜敷設越來越多采用非開挖方法進行施工。

1 當前電力電纜非開挖施工特點

目前非開挖技術按用途可以分為鋪設新管線、修復置換老舊管線和探測管線管網3個方面。電力電纜非開挖施工主要為鋪設新管線和探測管線，根據施工方法，可分為水平導(定)向鉆進鋪管法、氣動矛鋪管法、頂管鋪管法、盾構鋪管法[1]。

(1)水平導(定)向鉆進鋪管法，需要在已有物探的基礎上，利用導向儀器控制鉆機鉆具，按預設計軌跡先打好導向孔，然后再回拉擴孔到預設尺寸，最后再完成管材鋪設等工作。水平導(定)向鉆進鋪管法具有開挖面小、工期短、工程成本低等優點，適用于地表管線復雜，許穿越河流、不能明挖的場合。

(2)氣動矛鋪管法利用壓縮空氣做動力，推進氣動矛在土壤中鉆進，按預設軌跡鉆出通道。氣動矛鋪管法具有設備簡單、操作方便的特點，適用于短距離(一般30 m內)、小直徑管道的鋪設，尤其適合于小空間施工作業。

(3)頂管鋪管法利用激光導向系統來控制管道頭部的鉆掘系統鉆進，通過管道的逐段追加向前鋪完成鋪管施工。頂管具有對周邊影響下、噪聲和震動可控等優點，可用于地下深處管道的敷設。

(4)盾構鋪管法需要依賴盾構機完成通道的掘進工作。電力電纜隧道一般為盾構法施工。盾構鋪管法具有施工速度快、施工質量穩定、對周邊影響小等優點，但成本比較高，適合于軟地基施工。

2 層次分析法

工程建設上某項目中多種施工方案的必選，從數學角度而言，屬于同一問題的多方案比選，并且各方案的具體內容方法已確定。在給定的評價準則框架下，對各個方案進行分析、綜合評價和排序，這些評價準則不止一個，往往包含多個，并且受主體影響而變化。

實踐證明，層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是解決此類問題的有效方法[2]。

2.1 層次分析法總體思想

層次分析法，將復雜的問題分解成組成要素，再進一步將這些要素按支配關系分解成層次結構因素，通過一定的數學比較方法確定諸多因素的重要性，再結合決策者的需求，最終確定總的方案排序。

層次分析法的總體基本思路具體如下。

(1)明確方案評價的目標、評價準則和評價指標體系，列舉待比較的各方案的具體內容。

(2)根據層次分析模型，對應建立評價模型。

(3)構造比較判斷矩陣。

圖1 層次分析法的評價模型

在圖1的評價模型里，下一層中的各元素均可以用上一層的一個元素作為準則進行比較，一般常采用兩兩比較的形式。以aij來表示某一層中第i個元素與第j個元素對上層某一準則的相對重要性，aij取值一般是數字1～9及其倒數。

由aij構成的矩陣稱為判斷矩陣A，其中A中元素aij的取值規則由表1所示。

表1 判斷矩陣中元素取值

當然，aij的取值也可以是2,4,6,8，同時aji=1/aij。若兩個因素之間有明確的計算結果，則aij取該計算值。

2.2 層次單排序和一致性檢驗

對于每一個判斷矩陣A，對應特征方程：

AW=λW

(1)

求解特征方程(1)，得特征向量并歸一化后，該向量即可認為是同一層次各因素以上次因素為準則時，作比較之后的重要性尺度。該過程即為層次單排序過程。鑒于主體的差異性，層次單排序結果也會不同，有時甚至前后差別較大。因此，對每一層的單排序結果再進行一致性檢驗就顯得很有必要。

一般通過計算一致性比例C.R.來進行一致性檢驗，定義：

(2)

(3)

式中C.I.——一致性比例；R.I.——平均隨機一致性指標；λmax——特征方程的最大特征根；n——判斷矩陣A的階數。

平均隨機一致性指標R.I.取值見表2。

表2 平均隨機一致性指標取值表

若計算結果C.R.<0.1，則可認為該層次單排序的結果獲得滿意的一致性評價，否則需要調整A的取值，重新驗算，直至滿足要求。

2.3 層次總排序和一致性檢驗

ak=Bkak-1

(4)

對于第k層中元素相對于總目標的排序向量ak，一般有：

ak=BkBk-1…B3a2，3≤k≤h

(5)

式中α2——第二層因素相對于總目標的排序向量；h——層數。

(6)

一般認為當C.Rk<0.1時，該評價模型在第k層通過了局部一致性檢驗。若檢驗過程一直進行到第h層，均有C.Rh<0.1，則可認為該模型總體滿足了一致性檢驗，所采用的A矩陣合理，層次總排序向量W=ah可信，可以用來作為排序使用。

3 應用層次分析法決策上海新澤220 kV變電站非開挖進線工程

3.1 工程概述

220 kV新澤站進線非開挖段地理示意圖如圖2所示。

圖2 220 kV新澤站進線非開挖段地理示意圖

220 kV新澤站進線沿滬青平公路路南側敷設，在薛家橋段，路徑夏陽徐家浜河，進線AB點直線距離196 m，河深3.8 m。

3.2 建立評價方案的層次結構模型

結合該工程實際和圖1所示的層次結構模型，定義上海新澤220 kV變電站非開挖電力排管工程施工方案為目標層。

考慮到地形地貌地質情況、水文以及當地的經濟交通社會等方面因素，準則層由非開挖長度、埋深、地質水文條件、后期運維、施工成本和施工工期這6個因素組成[3-4]。

方案層由水平定向鉆進法、土壓平衡式機械頂管法、土壓平衡盾構法這3個因素構成。

因此，建立上海新澤220 kV變電站非開挖進線(電纜)工程的層次結構模型如圖3所示。

圖3 220 kV新澤站進線非開挖層次結構模型

3.3 構造判斷矩陣

根據圖2的層次模型構建判斷矩陣。已目標層A為準則，B層各因素在準則A之下的重要性以B1，B2，B3，B4，B5，B6表示相對應權重，可得到一個6×6的判斷矩陣P。再以B層中每一個元素為準則，可得到方案層C層的判斷矩陣，對應方案層由3個元素構成，上一層B層包含6個元素，可以得到6個3×3的判斷矩陣Q,Q=(Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6)。

首先對于判斷矩陣P，對非開挖長度、埋深、地質水文條件、后期運維、施工成本和施工工期這6個因素進行分析。地質水文條件和后期運維這兩個因素對于方案的選擇權重大，因為這兩個條件直接決定了方案的可行性；非開挖長度、埋深對方案的選擇影響一般，當前技術水平以及現場條件都可以實現，代價是時間和經濟成本；施工成本和施工工期在合理范圍內可以適當調整以滿足方案要求，故屬于較小的影響。因此，判斷矩陣P可列寫為

考慮到該工程非開挖段要穿越河流，結合3種施工方案的技術路線，經過兩兩比較的判斷矩陣定義：

(8)

通過對河床底部淤泥的初步勘察，土質層深：

(9)

再對及河岸規劃區域土層的取樣分析，發現該區域土質屬于粉質粘土，非開挖區域上方有天然景景觀河，從生態角度和文化、環境角度對方案進行兩兩對比，得到判斷矩陣：

(10)

按照《規程》規定，電力電纜敷設必須滿足運維檢修，根據這一要求對方案進行兩兩對比，得到判斷矩陣：

(11)

根據該工程段實際情況，結合3種施工方案具體施工方法，兩兩比較得到判斷矩陣：

(12)

結合工期要求及3種方案的施工方法、進度和受外界影響程度，兩兩比較得到判斷矩陣：

(13)

至此，用于層次分析法的所有判斷矩陣均以得到。

3.4 層次排序與一致性檢驗

建立完判斷矩陣，需要對層次結構進行排序和一致性檢驗。目前層次分析法的求解方法主要有特征向量法、最小二乘法、對數最小二乘法、最小偏差法等。

本文運用特征向量法進行層次分析法求解。首先進行層次單排序和一致性檢驗，判斷矩陣P、Q的計算結果見表3。

通過表3可以看出，所有矩陣的單層次排序C.R.值均小于0.1，滿足一致性檢驗。

根據式(5)計算方案層相對于總目標層的排序向量：

表3 準則層一致性檢驗結果

(14)

再根據式(6)對層次總排序進行一致性檢驗，經計算，得到第3層總排序的一致性檢驗：

C.I.3=0.008

(15)

最終得到3個方案的最終排序(見表4)。

表4 三種非開挖方法的排序和權重

分層分析法的最后結果表明，考慮非開挖長度、埋深、地質水文條件、后期運維、施工成本和施工工期這6個因素，上海新澤220 kV變電站非開挖電力排管工程施工采用最優施工方案依次是水平定向鉆進法、水平平衡盾構法和土壓平衡式機械頂管法。

4 結語

上海新澤220 kV變電站進線非開挖電力排管工程于2020年4月正式開始施工，采用水平定向鉆進法進行施工，并于2020年10月順利完工。由此可以看到，最終施工方案的選取和本文采用層次分析法得到的結論一致。

由于層次分析法受主體影響，不同的主體，即使同一的層次結構圖，構建的判斷矩陣也會有區別。因此制定矩陣的專家要集思廣益，力求做到準確、全面。