基于模糊評價法的抽水蓄能電站施工機械設備選型方法研究

寧向可 于慶增

摘要：抽水蓄能電站大型施工機械設備選型存在影響因素復雜、評價標準單一等問題。通過調研機械設備適用的地質條件、施工條件等因素，采用關鍵成功因素法制定了抽水蓄能電站地下隧洞機械設備選型評判指標體系，利用層次分析法確定指標權重，建立了基于模糊綜合評判法的抽水蓄能電站地下隧洞開挖機械施工設備選型方法，對抽水蓄能電站交通洞、尾水洞、排水廊道、泄洪排沙洞、施工支洞、引水上平洞分別進行設備選型。選型結果表明：硬巖隧道掘進機適用于抽水蓄能電站地下洞室施工，進一步驗證了選型方法的可靠性。

關鍵詞：抽水蓄能電站; 施工機械設備; 模糊綜合評判法; 硬巖隧道掘進機

中圖法分類號：TV743文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.017

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0094 - 05

0 引 言

隨著中國新能源的迅速發展，需要加速抽水蓄能電站建設[1]。中國國內從20世紀60年代末開始抽水蓄能電站建設，經過五六十年的發展，裝機功率達到60 000 MW左右，預計2025年將達到約90 000 MW。抽水蓄能電站地下隧洞群規模大、項目多，其相應的開挖機械設備種類復雜。總體來說，抽水蓄能電站地下隧洞開挖機械設備先后經歷了風動鉆機、潛孔鉆機、多臂臺車等階段[2-3]。在其他地下施工領域，懸臂掘進機、盾構機、硬巖隧道掘進機（Tunnel Boring Machine以下簡稱“TBM”）等設備應用廣泛，特別是TBM在鐵路、公路、水利、城市地鐵等工程建設中廣泛應用[4-6]。

面對多種地下隧洞開挖機械設備，抽水蓄能電站地下隧洞開挖不僅要考慮地下隧洞開挖主要機械設備的特征，還要綜合考慮抽水蓄能電站地下隧洞地質條件、施工條件、工程條件、施工管理以及社會效益等指標。很多指標量化困難，無法形成有效、可靠的適用于抽水蓄能電站地下隧洞開挖的主要機械設備選型方法[7-8]。

模糊綜合評價法是采用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體評價，能較好地解決難以量化的問題。劉洋等[9]針對采空區頻繁出現大規模失穩難以量化的問題，提出了一種模糊評價的失穩預測模型;王雪等[10]針對浙江省大中型水庫標準化管理創建驗收中存在的難以量化的問題，建立了水庫標準化管理模糊綜合評判決策的數學模型;田松峰等[11]選用模糊綜合評判法對發電設備的可靠性狀態進行評價;實踐證明模糊綜合評判法適合解決影響因素復雜、評價標準模糊的工程問題。

在抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設備的選型中，由于影響因素的復雜性、評價標準的模糊性等一系列問題，很多影響大型機械設備選型的因素之間不能很好地進行量化，其描述也多用模糊性語言來表達，很難用經典數學模型統一量度。為了解決此問題，本文建立了基于模糊綜合評價法的抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設備的選型方法。

1 模糊評價數學模型

1.1 評判因素集

根據影響單個事件的影響因素，組成因素集U={u1，u2，u3，…，un}，這些因素集分別對應抽水蓄能電站地質條件、施工條件、工程條件、施工管理和社會效益等指標集，然后根據實際情況，確定這些類別各自的因素集。

1.2 評判集

根據被評判的綜合指標體系，建立合適的評判集。如果被評判的因素u有v1，v2，v3，…，vm種評判（m為有限值），則可確定評判集V={v1，v2，v3，…，vm}，其中每種評判對應一個模糊子集。

1.3 單因素評判方式

在給定的評判集基礎上建立U→V的模糊映射f：

1.4 評判因素權重

在抽水蓄能電站地質條件、施工條件、工程條件、施工管理和社會效益等被評價的指標集合中，如u1，u2，u3，…，un，其排名不同，不同類別因子對總體的影響也各不相同。在這種情況下，需要確定每個因子對總體的影響程度，即權重。

根據所構建指標體系中各指標的重要程度，結合抽水蓄能電站地下隧洞地質條件、施工條件、工程條件、施工管理以及社會效益，構建模塊層和指標層判斷矩陣，以此為基礎計算各個指標權重，并進行檢驗，各指標總權重計算公式為

在對抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設備與限制性條件綜合分析后，對地下隧洞開挖主要機械設備選型結果進行劃分。采用模糊評判指數B定量描述抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設備選型評價結果及分類情況，可分為不適宜（B<0.5）、基本適宜（0.5≤B<0.8）、適宜（0.8≤ B ≤1.0）3類。

2 模糊綜合評判指標體系和指標權重

要實現抽水蓄能電站機械設備的科學合理選型就需要建立1套完備的指標體系。根據抽水蓄能電站機械設備指標體系的構建原則，結合工程技術人員、專家的意見和現有研究的分析，建立了比較完善的選型指標體系，選型指標的選取必須能夠切實反映機械設備的選型過程。

（1） 建立了抽水蓄能電站地下隧洞機械設備選型指標的層次結構。一級模塊為5項，分別是地質條件、施工條件、工程條件、施工管理和社會效益;二級指標為圍巖類別、巖石單軸飽和抗壓強度、巖石磨蝕指數、巖石質量指標等24項。

（2） 采用專家打分法對構建的判斷矩陣進行打分，先后邀請了10名水利水電工程專家、5名地質工程專家、5名機械工程專家、15名中國水利水電第三工程局管理人員、35名中國水利水電第三工程局施工人員，共70人填寫了專家打分表。為消除各行業人員因專業背景不同產生的主觀傾向性，根據其對抽水蓄能電站地下隧洞機械設備的了解程度，進行了不同權重系數的設定，并采用盡量擴大樣本數量的方式來消除專家主觀傾向性。抽水蓄能電站地下隧洞機械設備選型指標的5項一級模塊和24項二級模塊的權重值見表1，更適用于多個抽蓄電站接續施工的情況。

3 工程應用

山東文登抽水蓄能電站地下洞室群包括進廠交通洞、通風安全洞、引水隧洞、排水廊道、尾水隧洞、自流排水洞、泄洪排沙洞和施工支洞等，數量多達近百條;各洞室長度不一，開挖橫斷面3～12 m不等，隧洞長度相對較短，一般在1～2 km。抽水蓄能電站主要洞室特性見表2。抽水蓄能電站地下洞室群開挖設備方面，風動鉆機、懸臂掘進機、多臂臺車、TBM掘進機等地下隧洞開挖設備特性見表3。

本文對文登抽水蓄能電站地下洞室群開挖設備進行選型。該電站發電水頭高，輸水發電系統洞室群深埋于地下，地下洞室總長度約30 km。依據模糊綜合評判法對機械設備進行打分評判，評判結果見表4。由表4可知，TBM掘進機非常適宜排水廊道工程，較適宜交通洞、尾水洞和自流排水洞工程。

文登抽水蓄能電站上、中、下3層排水廊道總長2.4 km，圍巖以Ⅱ～Ⅲ類花崗巖為主，單軸飽和抗壓強度為140～200 MPa，采用模糊評價法對風動鉆機、多臂鑿巖臺車、懸臂掘進機、TBM掘進機進行綜合評價，TBM掘進機評價結果為適宜。該項目首次采用?3 530 mm的超小半徑轉彎TBM施工，TBM掘進過程中平均進尺每月約300 m，施工人員減少10人，工期節省兩個月以上，施工管理難度降低。同時，TBM法施工洞壁光滑，擾動小，成洞質量遠高于鉆爆法。TBM法與傳統風動鉆機/多臂臺車在施工管理方面的對比見表5，TBM工法在施工進度、安全、質量、工期、作業環境等方面具有優勢。

4 結 語

抽水蓄能電站地下洞室開挖機械設備選型結果直接關系到電站運營的安全和投產效率，建立適應抽水蓄能電站地下洞室開挖機械設備選型方法至關重要。抽水蓄能電站機械設備的科學合理選型是一個點多面廣、結構復雜、聯系緊密的復雜過程，采用模糊綜合評判法能夠對抽水蓄能電站不同洞室進行科學選型。

本文通過采用模糊綜合評價法對山東文登抽水蓄能電站排水廊道機械設備進行選型，結果表明：TBM掘進機模糊綜合評價得分最高，TBM工法在施工進度、安全、質量、工期、作業環境等方面具有優勢。基于模糊綜合評價法的抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設備的選型方法具有結果清晰、系統性強的特點，把傳統定性評價轉化為定量評價，較好地解決了選型標準模糊、難以量化的問題。

參考文獻：

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（編輯：李 晗）

Research on selection method of construction machinery for pumped storage power station based on Fuzzy Evaluation Method

NING Xiangke，YU Qingzeng

（China Railway Engineering Equipment Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： To solve the complexity of influencing factors and single evaluation standard in reasonable selection of large mechanical equipment for construction pumped storage power station， by investigating the geological conditions and construction conditions suitable for construction machinery equipment， the key success factor method is used to establish the evaluation index system of constructio machinery selection for underground tunnel of pumped storage power station. Analytic hierarchy process method is used to determine the index weight. The machinery selection method for underground tunnel excavation of pumped storage power station is established based on fuzzy comprehensive evaluation method and the construction equipment for access tunnel， tailrace tunnel， drainage gallery， flood and sediment discharge tunnel， construction adit and upper horizontal tunnel is selected respectively. The results show that hard rock TBM is suitable for the construction of underground cavern of pumped storage power station. The reliability of the selection method is further verified.

Key words： pumped storage power station; construction machinery; fuzzy comprehensive evaluation method; hard rock TBM

收稿日期：2021-11-01

作者簡介：寧向可，高級工程師，碩士，主要從事隧道工程裝備開發工作。E-mail：ningxiangke@crectbm.com