基于改進層次分析法與模糊綜合評價法的盾構適應性研究*

張 增，王志遠，封 坤，王胤丞

(1.敘鎮鐵路有限責任公司，云南 昭通 657900；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610036；3.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國高速鐵路、機場交通、城市軌道交通的快速發展，越來越多的城市建設大型交通樞紐，從而形成多元化、立體化交通中心，方便旅客出行。為實現高效率換乘，須綜合考慮地下空間開發與利用，建設高密度、便捷化的樞紐中心。目前，我國隧道工程建設采用的施工方法以明挖法、盾構法、礦山法為主，水下隧道工程也可采用沉管法。由于盾構法施工對周圍環境的影響較小，且施工過程中自動化水平較高，逐漸發展為主流工法。因此，需利用合理的方法對盾構適應性進行分析，以確保施工安全、順利進行。

適應性指某個事物在適應內、外部不同環境與客觀條件時具備的能力。在系統科學中，適應性泛指某個系統主體具備適應各種外界環境的因素，并與之保持一致、協調發展的能力。系統由若干個既有區別又有聯系的因素構成，可實現具有一定總體功能的有機集合。系統中某個重要因素發生變化時，既會直接受到系統中其他因素的影響和限制，又會反過來影響其他因素。因此，為保持系統總體功能，須要求重要因素之間相互適應。進行適應性評價，首先須確定評價指標體系。建立指標體系時，需視評估對象而定。一般而言，建立可用于評價的指標體系時，應遵循層次性、效度、簡明性原則[1]。

我國學者針對地質條件、環境特點開展了多維度盾構適應性研究，如陳建福[2]以廈門地鐵2號線海東區間工程為依托，分析不同掘進參數下孤石密集及基巖凸起段盾構適應性；萬朝棟[3]基于成都地鐵典型的富水砂卵石地層盾構隧道現場實踐，通過分析掘進速度、刀盤扭矩、推力、刀盤轉速，得到不同刀盤在富水砂卵石地層盾構隧道掘進時的適應性；馮振魯等[4]依托北京地鐵8號線王府井站—前門站工程，對泥水平衡盾構推力、刀盤扭矩等進行計算分析，總結泥水平衡盾構在高水壓卵石地層中的適應性；王焰[5]以沿海廣深港客運專線獅子洋隧道工程為依托，分析泥水平衡盾構在沿海復合地層中的適應性；彭康等[6]以環城北路—天目山路改造項目01標段工程為依托，分析長距離掘進時大直徑泥水平衡盾構適應性；李杰華等[7]基于成都地鐵17號線TJ05A標段工程，開展富水大粒徑砂卵石地層盾構刀盤和螺旋機適應性設計；齊曉成[8]依托橫琴隧道1號井灣仔北區間工程，著重分析土壓平衡盾構在復合地層中的適應性；潘傳宇等[9]以長沙地鐵4號線工程為背景，基于盾構刀盤與刀具、渣土系統、渣土修復系統、注漿制動系統，全面闡述了盾構在強風化地層中的適應性；程池浩等[10]基于沈陽地鐵10號線砂卵石地層盾構區間，研究泥水平衡盾構在富水砂卵石地層中的適應性。

已有研究多采用定性方法進行分析，由于盾構適應性分析并非由此及彼的工作，且土壓平衡盾構適應性評價要求綜合考慮多種不確定性指標，模糊綜合評價法可對多因素影響的事物做出綜合性評價。因此，本文依托重慶至昆明高速鐵路長水機場隧道工程，選擇改進層次分析法聯合模糊綜合評價法，進行盾構適應性定量與定性評價，提高評價結果可靠性與科學性。

1 工程概況

重慶至昆明高速鐵路長水機場隧道位于云南省昆明市，全長8 240m。平面線路最小曲線半徑為8 000m。軌面最小埋深約9.9m，軌面最大埋深約46.0m。單向下坡，最大坡度為7.6‰。

隧道沿線穿過多處重要建(構)筑物，包括長水機場T1，T2航站樓、機場下穿隧道、第一滑行道、云南省跨境電子商務園區、第八自來水廠等，工程地質條件及周邊環境復雜，隧道上方地面無地層處理條件。

隧道采用單層圓形鋼筋混凝土預制管片拼裝結構，隧道內徑10.9m，管片厚550mm，管片環寬1 800mm，封頂塊管片共2塊，圓心角均為20°，標準塊管片共7塊，圓心角均為40°，鄰接塊管片共2塊，圓心角均為20°。

2 盾構適應性影響分析

土壓平衡盾構適應性影響因素較多，在征求相關專家意見的基礎上，將影響因素歸類為機器參數和地層條件參數。機器參數包括盾構總推力、盾構總扭矩、刀盤開口率，地層條件參數包括軟硬不均地層、地層滲透系數、地層顆粒級配。

2.1 改進層次分析法的應用

權重是以某種數量形式對比、權衡被評價事物總體中諸因素相對重要程度的量值。目前，權重確定方法主要包括層次分析法、專家調研法、統計法等。大量研究表明，利用層次分析法計算權重更符合實際情況，且層次分析法計算所用數據量較少，評分更快速，計算工作量較小，易于了解與掌握。在傳統的層次分析法中，由決策者個人決定指標權重的兩兩比值數據，結果受決策者的主觀影響較大。因此，本文引入基于群組決策的改進層次分析法[11]，利用多位決策者的數據，得出相對客觀的數據。通過咨詢業內10名專家，得到機器參數與地層條件參數權重比值估計值C=(0.5,2,0.5,1,1,1,0.5,1,1,0.5)，從而得到其幾何平均值Cm和幾何離散度σ：

(1)

(2)

表1 盾構適應性一致性檢驗結果

一致性檢驗結果如表1所示，由表1可知，專家給出的數據差異較小，Cm可代表所有專家的意見?？赏ㄟ^計算評價指標兩兩之間的比值，構造判斷矩陣，并利用判斷矩陣計算特征向量，進而得到每個評價指標的權重，如表2所示。

表2 盾構適應性評價指標權重

表3 盾構適應性計算依據與評價標準

由表2可知，對于穿越巖溶地區的盾構隧道；機器參數中，盾構總扭矩權重最高，盾構總推力次之，刀盤開口率權重最低，表明盾構總扭矩對盾構適應性的影響較大，而刀盤開口率的影響較小；地層條件參數中，軟硬不均地層對盾構適應性的影響最大，地層滲透系數和地層顆粒級配的影響較小，可根據地層條件改善掘進方式。

2.2 模糊綜合評價法的應用

盾構適應性判定邊界模糊，為消除模糊性，構建隸屬度函數，將定性問題轉化為定量計算。計算依據與評價標準如表3所示，表3中D為盾構外徑，PJ為單位開挖面積所需推力，β為經驗系數，α為地層復合比，h為通過巖溶地區充填溶洞的高度。刀盤開口率取值如表4所示，構建的隸屬度函數如表5所示。根據工程資料，得到盾構適應性各指標隸屬度，如表6所示。

表4 刀盤開口率取值

由表6數據得到盾構適應性評價指標隸屬度矩陣R為：

(3)

體系權重A為：

(4)

表5 盾構適應性隸屬度函數

表6 盾構適應性評價指標隸屬度

計算得到體系隸屬度B為：

(5)

由以上分析可知，最大隸屬度為0.716 5，根據最大隸屬度原則，該土壓平衡盾構適應程度為適應，但最大隸屬度<1，說明未達到完全適應，仍有提高空間。為提高盾構適應性，應從改善地層條件著手。

3 盾構適應性增強措施

已有研究表明[12]，為提高盾構適應性，應盡量減少輔助施工。由于本工程軟硬不均地層對于盾構掘進的影響最大，不適應程度最高，考慮工程地質條件復雜等因素，根據地層條件選取合適的刀具，在總結專家意見的基礎上，結合調研結果，設計刀具類型為切刀、切刀+齒刀、雙刃滾刀+鑲齒刀圈滾刀、單刃滾刀+整體刀圈滾刀，針對巖石強度、巖石完整度、軟硬不均地層、孤石直徑、地層石英含量和地層黏性顆粒含量進行刀具選型，通過應用改進層次分析法和模糊綜合評價法，得到不同指標權重，如表7所示，計算依據與評價標準如表8所示，隸屬度函數如表9所示，隸屬度計算結果如表10所示。

表7 刀具選型指標權重

表8 刀具選型計算依據與評價標準

表9 刀具選型隸屬度函數

表10 刀具選型隸屬度

為更好地判別4種刀具組合優先度，對各指標隸屬度進行歸一化處理，從而計算得到體系隸屬度：

(6)

由以上分析可知，最大隸屬度為0.346 4。根據最大隸屬度原則，為提高盾構掘進對本工程的適應性，在該地層應采用的刀具為雙刃滾刀+鑲齒刀圈滾刀，可同時配置切刀。

4 結語

依托重慶至昆明高速鐵路長水機場隧道工程，基于改進層次分析法和模糊綜合評價法對盾構適應性進行研究，得出以下結論。

1)傳統層次分析法受決策者主觀偏好的影響較大，通過采用改進層次分析法和模糊綜合評價法，結合定量與定性分析，使結果更科學有效。

2)對于穿越巖溶地區的盾構隧道，機器參數中，盾構總扭矩對盾構適應性的影響較大，刀盤開口率的影響較小；地層條件參數中，軟硬不均地層對盾構適應性的影響最大，地層滲透系數和地層顆粒級配的影響較小，可根據地層條件改善掘進方式。

3)土壓平衡盾構未達到完全適應水平，應從改善地層條件著手提高盾構適應性。

4)為進一步提高盾構掘進對本工程的適應程度，對刀具選型進行了分析，可知本工程應采用的刀具為雙刃滾刀+鑲齒刀圈滾刀，可同時配置切刀。

本文提出的盾構適應性評價及增強措施函數模型，可為類似工程提供參考。當分析特定工程案例時，需確定特定工程評價指標與權重，做到具體問題具體分析。