黃 鑫

（湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

1 優(yōu)化原則

在深圳市中信廣場(chǎng)地下工程B區(qū)的施工方案優(yōu)化研究中，把整個(gè)優(yōu)化工作分為如下幾部分：超前支護(hù)方案的優(yōu)選，施工方法的優(yōu)化分析，穩(wěn)定掌子面的方案優(yōu)選，臺(tái)階長(zhǎng)度的優(yōu)化分析，控制地層松弛加固地層方法的優(yōu)選等。方案優(yōu)化的原則主要有

(1) 確保地面主干道行車速度和地下管線的正常運(yùn)營(yíng)，保證城市的正常生活，對(duì)地面靈敏目標(biāo)處的沉降進(jìn)行觀測(cè)和控制；

(2) 有較強(qiáng)的操作性，充分考慮我們現(xiàn)階段的施工技術(shù)水平以及本工程的具體特點(diǎn)；

(3) 靈活性好，應(yīng)變能力強(qiáng)，根據(jù)斷面形狀和地質(zhì)條件因地制宜的選擇施工方案，一旦出現(xiàn)施工災(zāi)害，能迅速采取措施；

(4) 具有可連續(xù)性，兼顧前后施工工序的銜接；

(5) 具有較好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，在保證工期、確保結(jié)構(gòu)和環(huán)境安全的條件下降低工程造價(jià)。

2 施工方案的比選

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在隧道及地下工程施工技術(shù)方面發(fā)展十分迅速，傳統(tǒng)的施工方法得到了改進(jìn)，新的施工技術(shù)不斷出現(xiàn)。每一種施工方案都有其特點(diǎn)，對(duì)于工程建設(shè)來(lái)說(shuō)，根據(jù)工程的實(shí)際情況，充分利用各種施工方法，合理把握它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，從幾個(gè)擬選的方案中選擇一個(gè)相對(duì)最優(yōu)的方案。在這里，引入模糊控制原理，并以此建立技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型，對(duì)施工方法進(jìn)行比較。所謂技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，即通過(guò)一定的理論模型在施工方案比選時(shí)把技術(shù)與經(jīng)濟(jì)有機(jī)結(jié)合，側(cè)重考慮施工方案的各個(gè)約束條件，并對(duì)各個(gè)約束條件的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行全面分析，從而使設(shè)計(jì)方案達(dá)到綜合最優(yōu)。

(1) 模糊邏輯控制系統(tǒng)的組成

模糊邏輯控制系統(tǒng)主要由模糊化、知識(shí)庫(kù)(含數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù))、推理決策和精確化計(jì)算四部分組成，完成模糊化、模糊推理(利用知識(shí)庫(kù))和精確化三個(gè)過(guò)程的任務(wù)。

① 模糊化

模糊化就是把精確數(shù)字轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)化，首先應(yīng)該把觀測(cè)值論域上的語(yǔ)言變量表示成模糊集，其次要確定相應(yīng)的隸屬函數(shù)。

② 模糊推理

模糊推理是根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)來(lái)進(jìn)行推理的過(guò)程。

③ 反模糊化

這是將模糊數(shù)精確化的過(guò)程，因?yàn)樵诳刂浦型枰氖蔷_的輸出控制量。反模糊化的方法很多，如最大隸屬度函數(shù)法、加權(quán)平均法、重心法等。

(2) 施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)算法

在隧道施工方案的選擇過(guò)程中，每一種方案都有各自的特點(diǎn)，如有的工期短，有的造價(jià)低，有的安全性好，有的對(duì)環(huán)境影響小等，因此，它是一個(gè)多目標(biāo)決策過(guò)程。設(shè)考慮的目標(biāo)數(shù)為n，擬定的可行方案數(shù)為m，由m個(gè)決策方案組成的方案集A＝{A1，A2，…，An}，其決策矩陣陣可表示為D＝[D]＝(dij)m×n.。

① 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

對(duì)隧道施工技術(shù)方案進(jìn)行指標(biāo)估測(cè)，是一個(gè)涉及多方面的復(fù)雜問(wèn)題。因?yàn)閷?duì)于任何一個(gè)施工方案來(lái)說(shuō)，其施工環(huán)境要求、安全性與與造價(jià)等因素都有其特別的一面；另外，由于地下工程的特殊性，工程施工時(shí)不可預(yù)測(cè)的因素也占一定的比例，因此，為在設(shè)計(jì)階段控制好各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，就必須對(duì)所有情況進(jìn)行綜合分析，并控制好不可預(yù)見(jiàn)因素的比例。具體來(lái)說(shuō)，隧道施工影響因素有以下幾個(gè)方面：

1) 安全因素：眾所周知，安全施工是隧道與地下工程施工首要考慮的因素，確保地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和避免施工災(zāi)害的發(fā)生。

2) 環(huán)境因素：隨著我國(guó)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，總的來(lái)說(shuō)，隧道開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響程度與周邊情況、地質(zhì)條件有關(guān)，為了對(duì)不同施工方案的工程效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，環(huán)境影響因素也成為工程總的評(píng)判因素之一。

3) 造價(jià)因素：造價(jià)估測(cè)主要包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工費(fèi)（人工費(fèi)、設(shè)備費(fèi)）、支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料費(fèi)、材料運(yùn)輸費(fèi)、土方開(kāi)挖及運(yùn)輸費(fèi)、環(huán)境保護(hù)費(fèi)、試驗(yàn)觀測(cè)費(fèi)等。整個(gè)費(fèi)用計(jì)算可采用國(guó)家(部)定額與地方有關(guān)法規(guī)相結(jié)合的原則。

4) 施工速度因素：施工速度關(guān)系著工期，總的來(lái)說(shuō)施工速度與施工方法相對(duì)應(yīng)，但同時(shí)也應(yīng)看到，即使是同一施工方案，它也隨著外部因素（天氣變化、突發(fā)性事件、地層突變）和內(nèi)部因素（施工組織設(shè)計(jì)）的變化而存在著差異?？偟膩?lái)說(shuō)，在保證施工質(zhì)量的前提下，施工速度越快，該工程項(xiàng)目的效益愈好，因此施工速度也作為一個(gè)評(píng)判因素。

5) 不可見(jiàn)因素：如前所屬，為了更科學(xué)地反映地基處理的設(shè)計(jì)與施工間的聯(lián)系，在對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)是必然要加上不可見(jiàn)因素這項(xiàng)指標(biāo)。

因此，常選擇上述因素作為地下工程施工方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

② 用模糊控制原理進(jìn)行方案優(yōu)化

1) 定性變量的模糊化。一般對(duì)于定性變量，可以通過(guò)一些語(yǔ)言變量進(jìn)行描述，如“差”、“中”、“好”等等，這些語(yǔ)言變量又都可以用不同的模糊集來(lái)表示。這里用三角形隸屬函數(shù)來(lái)表示一個(gè)模糊集，于是各定性目標(biāo)和定性權(quán)重可分別記為及 Rij(rlij，r2ij，r3ij)和 Wi(w1i，w2i，w3i)(i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n)，其中 Rij代表第i個(gè)方案中第j個(gè)定性目標(biāo)的模糊數(shù)，Wi指第i個(gè)目標(biāo)權(quán)重的模糊數(shù)。

2) 將各定量值轉(zhuǎn)換成相對(duì)隸屬度值。設(shè)在決策子矩陣D＝(dij)m×n中，dij是方案j(j=1，2，…，n)的第 i(i＝1，2，…，m)個(gè)定量目標(biāo)值。為增加目標(biāo)可比性，需對(duì)目標(biāo)作歸一化，對(duì)效益型目標(biāo)(即目標(biāo)值越大越好)和成本型目標(biāo)(即目標(biāo)值越小越好)，分別用公式(7)和(8)轉(zhuǎn)化成相對(duì)隸屬度矩陣R=(Rij)m×n

3) 利用各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)，求出 Rij對(duì)于某語(yǔ)言變量 k的隸屬度其中 Ak為語(yǔ)言變量 k的模糊集，寫(xiě)成三角形分量式是

若設(shè)對(duì)于Rij，隸屬度不為零的模糊集個(gè)數(shù)為l，此時(shí)，Rij也可看作一個(gè)定性值Rij，它由l個(gè)模糊數(shù)乘以各自的相對(duì)隸屬度組成，即

其中，⊕僅表示入由2個(gè)模糊數(shù)組成，不具有任何運(yùn)算功能。

設(shè)權(quán)重為Wi(w1i，w2i，w3i), 則由公式(2)和(4)，模糊評(píng)價(jià)Fij的結(jié)果為

4) 利用重心法，求出精確輸出值uij

5) 于是方案j的定量目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)值為

由vj根據(jù)增大隸屬度原則，即可得到最優(yōu)方案。

3 . 施工方案優(yōu)化

在選定了超前支護(hù)方案施工方法后，就可在目前國(guó)內(nèi)外常用的施工方法中，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和施工效應(yīng)研究的結(jié)論，并考慮地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、管線沉降的控制值，施工條件等因素，分別選用不同的施工方法。應(yīng)用平面彈塑性有限元程序，以結(jié)構(gòu)西側(cè)的煤氣管線的沉降和最大地表沉降為控制目標(biāo)，模擬分析了圖 1中五種不同施工方法的施工效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果及各種施工方法的比較見(jiàn)表1。

圖1 施工方案的開(kāi)挖有平面限元圖示

評(píng)價(jià)支護(hù)方案優(yōu)劣的主要依據(jù)是造價(jià)、工期、環(huán)境影響、安全性及不可見(jiàn)因素等。其中環(huán)境影響為定量指標(biāo)，其余為定性指標(biāo)，可按其相對(duì)重要程度用0～1間的數(shù)值進(jìn)行量化，這種量化需有經(jīng)驗(yàn)的專家才能確定較精確的數(shù)值。按上述方法，5種支護(hù)方案的量化指標(biāo)見(jiàn)表 1,?，F(xiàn)將權(quán)重以定性值給出，即(“一般”、“一般”、“重要”、“重要”、“不重要”)，用模糊數(shù)表示為 W＝(ZE，ZE，PⅠ，PⅠ，NⅠ)，各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)見(jiàn)圖4-7。

表1 支護(hù)方案的量化指標(biāo)

利用式(1-1)、(1-2)對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，求得相對(duì)隸屬度矩陣為：

然后，求出 R中各定量值對(duì)于各模糊集{NV, NⅠ, ZE, PⅠ, PV}的相對(duì)隸屬度按公式求出j方案中i目標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)uij。最后，由公式(1-1)得到方案j的最終綜合評(píng)價(jià)值vj，vj從大到小排列的順序也就是方案的優(yōu)選順序。按上述方法得到vj=(2.475，1.513，1.965，2.027，2.334)，則優(yōu)劣排序?yàn)锳＞E＞D＞C＞B，方案A為最滿意方案。

4 方案實(shí)施

根據(jù)上述的施工方案的優(yōu)化分析，制訂如下施工路線：首先，在主體通道的兩端開(kāi)挖1＃和2＃豎井，同時(shí)進(jìn)行豎井的支護(hù)；第二，以豎井為工作基地，向北開(kāi)挖橫通道；第三，待橫通道的支護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在主體通道的兩端對(duì)打Φ159的大管棚，然后按照優(yōu)選的施工方案進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖、初期支護(hù)；最后，在主體開(kāi)挖完成后，再分段分部進(jìn)行二次襯砌，拆除臨時(shí)支護(hù)。

[1]王夢(mèng)恕. 地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論. 北京: 科學(xué)出版社, 2004

[2]錢(qián)家歡, 殷宗澤. 土工原理與計(jì)算. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 1996

[3]王暖堂 大斷面渡線隧道淺埋暗挖施工技術(shù)剖析. 鐵道建筑，2000年第11期