雷剛（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京　100037）

地鐵鉆爆法隧道防排水選型雙層次綜合評價方法

雷剛
（北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京100037）

鉆爆法在很多地鐵工程中得到大量應(yīng)用，但其防排水形式的選擇仍然以傳統(tǒng)的定性判斷為主，缺少科學(xué)的量化分析方法。鑒于此，依托青島地鐵工程，通過調(diào)研將影響地鐵隧道防排水形式的因素分為2個層次，第1層5大類影響因素，第2層15個影響因素。首先建立起雙層次分析模型，由專家對2個層次中各因素的權(quán)重進(jìn)行打分，接著對各項(xiàng)因素對目標(biāo)層的效用值進(jìn)行評分，再結(jié)合雙層次各因素權(quán)重，計算出對于目標(biāo)層的綜合評價得分，進(jìn)而根據(jù)事先擬定好的評定標(biāo)準(zhǔn)來判斷隧道最終采用何種防排水形式。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以量化分析鉆爆法地鐵隧道的防排水選型。該方法已在青島地鐵工程應(yīng)用，效果良好。

鉆爆法；地鐵隧道；防排水形式；雙層次分析模型；綜合評價

長期以來土質(zhì)地層中以明挖法和盾構(gòu)法施工的隧道多采用防水型隧道。但是，最近幾年很多巖質(zhì)地層中以鉆爆法施工的隧道也選擇防水型隧道，其合理性值得探討。鉆爆法施工的地鐵隧道防排水形式的判定涉及諸多因素。目前，國內(nèi)外地鐵隧道防排水型式的選擇主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)和工程類比的方法，其主觀性太強(qiáng)，誤差極大。因此，亟需要一種能夠?qū)τ绊懰淼婪琅潘鱾€因素量化分析的科學(xué)的隧道防排水評價體系。本文以青島地鐵工程為例，研究鉆爆法地鐵隧道防排水型式評價方法，以期為類似工程提供借鑒。

1　評價原則及評價流程

在評價客觀事物之前，首要任務(wù)是確定評價指標(biāo)。評價指標(biāo)是評定和衡量各客觀對象質(zhì)量的標(biāo)尺。評價指標(biāo)的確定原則［1］：①科學(xué)現(xiàn)實(shí)原則；②可測可比原則；③綜合簡明原則。

為了能對各定性指標(biāo)量化分析，克服以往防排水模式判定時主觀性過強(qiáng)的缺點(diǎn)，本文將影響隧道防排水選型的因素分為2個層次，給出了鉆爆法地鐵隧道防排水選型雙層次綜合評價方法。

雙層次評價系統(tǒng)的評價流程：建立雙層次因素模型→推出雙層次評價指標(biāo)的權(quán)重體系→進(jìn)行廣泛的問卷調(diào)研→專家對各項(xiàng)評價指標(biāo)打分（Delphi法）→求出綜合評分結(jié)果→確定綜合評價結(jié)論［2］。

在這個過程中，采用雙層次模型分析法構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系和權(quán)重體系。在過程中由于引入帶有主觀性的 Delphi法，因此還需要引入模糊數(shù)學(xué)，量化處理定性指標(biāo)。

2　雙層次因素模型的建立

首先，要先建立起雙層次因素模型，然后經(jīng)由遞階化、邏輯判定、拆分綜合的過程，將定性的因素轉(zhuǎn)化為數(shù)值化的評估因子，使評估思路條理化，減少決策錯誤。

影響鉆爆法地鐵隧道防排水形式的因素較多，主要包括隧道所在區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、結(jié)構(gòu)受力性能、施工影響區(qū)的地面環(huán)境、政策、宗教信仰等因素，在這些大的因素下又可進(jìn)一步劃分出若干二級因素，如水文條件再進(jìn)一步細(xì)分，可劃分為涌水量、腐蝕性、隔水層及含水層情況［3-6］。對影響地鐵隧道防排水型式的若干因素進(jìn)行篩選、歸納、分類之后，建立起雙層次因素模型，見圖1。

3　確定各層次因素權(quán)重

在建立好雙層次模型之后，接下來就需要確定各個因素在影響防排水形式方面的權(quán)重。

3.1確定各影響因素的權(quán)重

采用此評價體系，需要將影響隧道防排水的各因素指標(biāo)數(shù)量化，因此引入 Delphi系統(tǒng)（專家打分系統(tǒng)），邀請有經(jīng)驗(yàn)的專家，對不同影響因素的各種指標(biāo)的權(quán)重及得分（即效用值）進(jìn)行分級評分，打分需要分2次進(jìn)行。

圖1　雙層次因素模型

選取在隧道防排水方面造詣較深的第一線的專家學(xué)者。為了盡可能在打分時獲得準(zhǔn)確結(jié)果，必須對不同專家的隱性知識能力及經(jīng)驗(yàn)豐富程度進(jìn)行有效區(qū)分，因此對專家的權(quán)威性進(jìn)行了層次劃分。

采用權(quán)威性指數(shù)來區(qū)分專家的權(quán)威性，見表1［1］。首先明確打分專家的總?cè)藬?shù) m，然后假設(shè)一類有 n1人、二類有n2人、三類有n3人。令E=5×n1+3×n2+2×n3。則權(quán)威指數(shù)參見表1［1-3］。

表1　專家類型及權(quán)威性指數(shù)

3.2建立相對比較矩陣

各因素相對于高一層次的某因素的相對重要性權(quán)重值的確定可簡化為一系列成對因素的判斷比較。為了將比較判斷的結(jié)果定量化，通過Delphi評分，引入1 ～9標(biāo)度法［1］。

構(gòu)造兩兩相對比較判斷矩陣，從層次結(jié)構(gòu)的B層（目標(biāo)層為A層）開始，對于影響到上一層某個因素的同層所有因素，用成對比較法和9個自然數(shù)比較尺度構(gòu)造成對比較矩陣，形成雙層次比較矩陣。相對比較法的標(biāo)度見表2。

表2　相對比較法的標(biāo)度

比較的前提是假定：每一影響因素的分值可用9個自然數(shù)標(biāo)度；1表示相對重要性程度相同，9表示相對重要性程度差異最大。

專家對同層各個影響因素以表2所示的分值進(jìn)行兩兩比較評分，可得到若干兩兩判斷矩陣。

判斷矩陣是以上層的某一因素作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，對下一層因素進(jìn)行兩兩比較確定的元素值。針對本研究的具體情況，按照上述流程，通過 Delphi系統(tǒng)可以得出B層次的判斷矩陣，見表3。同理，也可得出C層次的各判斷矩陣。

表3　A-Bi判斷矩陣（第1層矩陣）

分別計算各層次因素的權(quán)重，對于每一個成對比較矩陣，計算最大特征根及相應(yīng)特征向量。特征向量即為矩陣中各因素權(quán)重值。

3.3歸一化處理

求某因素相對總目標(biāo)A層（即防排水形式）的排序權(quán)重。首先需確定B和C層判斷矩陣的特征向量（以w表示），然后對其進(jìn)行歸一化處理，可求得各因素的相對權(quán)重。通常，計算判斷矩陣的特征向量與最大特征值，對精度的要求不是很高，所以本文的歸一化處理采用如下近似方法［1］。

以A-Bi判斷矩陣為例，歸一化計算過程如下：

1）求 A-Bi判斷矩陣每一行所有元素的幾何平均值。

W1。同理得：

W2=0.261，W3=0.207，W4=0.117，W5=0.043。

3.4進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

在利用Delphi系統(tǒng)確定各因素相對重要性時，主要運(yùn)用了專家的隱含性知識，存在一定主觀性，因此求出的Wi/Wj不精確，而只是近似的估計，所以必須進(jìn)行誤差和相容性分析。誤差估計必然會導(dǎo)致判斷矩陣特征值的偏差，可據(jù)此定義相容性指標(biāo)。如果矩陣A完全相容，則其最大特征根λmax=n（n為矩陣階數(shù)），如不相容，則λmax≥n。據(jù)此可采用λmax-n的關(guān)系來判定偏離相容性的程度。

設(shè)相容性指標(biāo)為CI，則有

式中：CR為一致性指標(biāo)；［AWi］為矩陣［AW］的第i個向量；RI為平均隨機(jī)性指標(biāo)。

1～7階重復(fù)計算1 000次的平均隨機(jī)性指標(biāo)見表4。

表4　1～7階重復(fù)計算1 000次的平均隨機(jī)性指標(biāo)

當(dāng)矩陣相容時CI=0；不相容時一般有λmax=n，因此CI＞0。通常，若 CR＜0.10，則認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受，權(quán)重向量W可以接受。

仍以A-Bi判斷矩陣為例，一致性檢驗(yàn)計算過程如下：

計算A-Bi判斷矩陣的最大特征根。記A-Bi判斷矩陣為A，則有

查表4得RI=1.12。

3.5計算綜合權(quán)重

從B層至C層從上而下求出雙層次各因素相對于體系總目標(biāo)A層的綜合重要度，即綜合權(quán)重；然后對雙層次所有因素進(jìn)行排序。結(jié)果見表5。

表5　綜合權(quán)重計算結(jié)果及Ci層次權(quán)重排序

4　綜合評定

4.1為各影響因素效用值打分

再次采用Delphi系統(tǒng)，以問卷調(diào)查的形式對影響隧道防排水各個因素的效用值逐一打分（百分制）。對Ci層中每一個單因素打分，并將其與相對應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)綜合，即可得出Bi因素的得分，接著再與Bi相對應(yīng)的權(quán)重加權(quán)得出最終的相對于目標(biāo)層（防排水形式）的總評分，即雙層次綜合評價體系最終得出的分值。打分過程見表6。

4.2隧道防排水形式評價準(zhǔn)則

根據(jù)表6的綜合得分，再根據(jù)表7即可判斷隧道應(yīng)該采用哪種防排水形式。

表6　防排水形式綜合評價打分

表7　鉆爆法地鐵隧道防排水形式的判別準(zhǔn)則

5　應(yīng)用實(shí)例

5.1工程概況

青島市軌道交通3號線人（民會堂站）—匯（泉廣場站）區(qū)間起點(diǎn)（里程K1+608.6）位于會堂站大里程端，終點(diǎn)（里程K2+744.3）位于匯泉廣場站小里程端，全長1.135 km。本區(qū)間沿線為坡地、建筑場地等。區(qū)間地質(zhì)條件較好，穿越地層大部分為微風(fēng)化花崗巖。

本段區(qū)間拱頂埋深12～56 m，區(qū)間兩端接車站處地質(zhì)條件較差，埋深較淺，其余區(qū)段均為深埋隧道，采用鉆爆法開挖施工。區(qū)間采用單線馬蹄形斷面。

5.2建立判斷矩陣

對人匯區(qū)間隧道各影響因素構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，從層次結(jié)構(gòu)的B層開始，對于影響到上一層某個因素的同層諸因素，用成對比較法和1～9比較尺度構(gòu)造成對比較矩陣，直至C層。以 B1-Ci判斷矩陣（表8）為例，其余略。

表8　人匯區(qū)間B1-Ci判斷矩陣（第2層矩陣）

5.3綜合評定

在確定了影響隧道防排水的各種影響因素的權(quán)重之后，根據(jù)專家對每一個影響因素的評分，得到綜合得分76分，見表9。

表9　人匯區(qū)間隧道排水形式綜合評價

查表7可知，人匯區(qū)間76分屬于適合排放的隧道，但是設(shè)計上要考慮限量排放。

由表9可以看出，人匯區(qū)間工程地質(zhì)和水文地質(zhì)項(xiàng)的得分均較高，甚至可以做開放式排水型隧道，但是隧道受力性能項(xiàng)得分較低。這是因?yàn)樵撍淼罏閱尉€隧道，且跨度較小，排水對隧道受力性能的改善不是很明顯，所以得分較低。綜合來講得76分，從而屬于限量排水型隧道。

5.4工程應(yīng)用情況

人匯區(qū)間排水等級為二級，屬于限量排水型隧道。基于此，對該區(qū)間進(jìn)行了相應(yīng)的排水系統(tǒng)設(shè)計：首先對部分地下基巖裂隙水進(jìn)行封堵，從而達(dá)到限量的目的。進(jìn)而再設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)化排水系統(tǒng)，有效排放殘余地下水。網(wǎng)絡(luò)化排水系統(tǒng)由環(huán)向主通道、縱向連接通道、隨機(jī)連接通道3部分組成。3部分全部采用預(yù)制的排水通道。

工程施作完畢后，經(jīng)過現(xiàn)場分期多次檢驗(yàn)，現(xiàn)場排水系統(tǒng)效果良好，水量很小，完全達(dá)到了限量排放要求。證明采用雙層次綜合評價方法判定人匯區(qū)間為限量排水型隧道科學(xué)合理。

6　結(jié)語

相對傳統(tǒng)的隧道防排水設(shè)計，地鐵隧道防排水選型雙層次綜合評價方法具有2大優(yōu)勢：①能全面考慮各個影響因素，克服了以往以單一因素作為防排水形式判定標(biāo)準(zhǔn)、主觀性過強(qiáng)的弱點(diǎn)；②通過專家打分，對各影響因素量化分析，較以往通過經(jīng)驗(yàn)、工程類比等判定方式更精細(xì)更科學(xué)。

雙層次綜合評價方法雖是新方法，但仍存在不足。建議從3方面完善：①評價方法中各主要因素的權(quán)重雖然經(jīng)過了數(shù)學(xué)方法的誤差處理，但是畢竟存在一定程度的主觀判斷，所以各權(quán)重仍需在日后大量工程應(yīng)用中檢驗(yàn)、修正；②評價方法中隧道涌水量是一個十分重要的影響因素，目前的預(yù)測方法均誤差較大；③評價方法中的各種影響因素是以青島地鐵為基礎(chǔ)而提出的，雖大部分影響因素具有較廣泛的適應(yīng)性，但對其他城市尚需對部分因素進(jìn)行重新選擇。

［1］張建國.基于層次分析法的地鐵隧道防排水型式及地鐵隧道涌水量預(yù)測研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2013.

［2］汪繼鋒.應(yīng)用層次分析法評價鐵路巖溶隧道選線水文地質(zhì)條件［J］.鐵道勘察，2011，37（6）：45-49.

［3］潘明明，黃濤，肖智興.長大隧道涌水量影響因素評價分析的模糊層析分析法［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2010，8（5）：132-134.

［4］李興高，劉維寧.公路隧道防排水的安全型綜合解決方案［J］.中國公路學(xué)報，2003，16（1）：68-73.

［5］葉守杰，嚴(yán)金秀.青島膠州灣隧道結(jié)構(gòu)防排水系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010（3）：18-23.

［6］王秀英，譚忠盛，王夢恕.廈門海底隧道結(jié)構(gòu)防排水原則研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（2）：3810-3815.

（責(zé)任審編葛全紅）

Two-Level Comprehensive Evaluation Method on Type Selection of Water-proof and Drainage for Metro Tunnel with Drill-blast Method

LEI Gang
（Beijing Urban Construction Design&Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China）

Drill-blast method has been widely used in many urban subway projects，but the traditional qualitative analysis is still applied to select the type of water-proof and drainage for tunnel，lack of scientific quantitative analysis method.In this paper，Qingdao subway construction was case-studied.There are two levels of factors affecting waterproof and drainage type，5 factors at the first level and the rest 15 factors at the second level.Firstly，a two-level analysis model is built.Secondly，experts are invited to quantify the weight values and utility values to the target layer of all the factors in the two levels，and these results are used to calculate the comprehensive score.Finally，according to the preestablished criteria of water-proof and drainage type decision，the corresponding type will be acquired.The advantage of the evaluation system is that it can make the type decision of drill-blast metro tunnels through quantifying analysis.It indicates that the system's engineering application effect is good in Qingdao subway.

Drill-blast method；M etrotunnel；W ater-proofanddrainagetype；T wo-levelanalysismodel；Comprehensive evaluation

U453.6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.19

1003-1995（2016）08-0077-06

2016-03-10；

2016-05-30

雷剛（1979— ），男，高級工程師，碩士。