摘要：針對隧道區(qū)域的巖土情況、復(fù)雜的地質(zhì)條件、縱斷面形狀、雙線隧道凈距小、埋深變化大和水壓大等問題，以長江小斷面大陡坡越江輸氣隧道項目為例，系統(tǒng)分析影響隧道選線與施工方法的多種因素?；趯哟畏治龇?gòu)建決策指標(biāo)體系，綜合運用標(biāo)度法和專家權(quán)重系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重，采用改進(jìn)模糊層次分析法進(jìn)行評價與比較研究。結(jié)果表明，優(yōu)化后的路線與實際選取路線基本一致，該決策模型克服傳統(tǒng)模型單一性和主觀性，具有實用性和合理性，為隧道選線與施工方法決策提供有益參考。

關(guān)鍵詞：小斷面大陡坡越江隧道；3標(biāo)度法；專家權(quán)重系數(shù)法；模糊綜合評價

中圖分類號：TQ022.11+5；U458文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0165-04

Application of the improved fuzzy analytic hierarchy process in the selection of cross-river gas transmission tunnel

HE Zhanjiang1，WEI Liangwen2，3，LI Yang1，2，ZANG Baoli1，2，SHAO Liyang1，2，ZHANG Huapeng2，QIN Xin2

（1.China Railway Tunnel Bureau Group Road and Bridge Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300300，China；

2.School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；

3.State Key Laboratory of Bridge and Tunnel Engineering in Mountain Areas.Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：In view of the geotechnical conditions，complex geological conditions，longitudinal section shape，small net distance of double-lane tunnel，large change in buried depth and large water pressure in the tunnel area，taking the Yangtze River small section steep slope cross river gas transmission tunnel project as an example，a variety of factors affecting the tunnel routeselection and construction method were systematically analyzed.Based on the Ana?lytic Hierarchy Process（AHP），a decision indicator system was constructed，and the weights of the indicators were determined comprehensively using the scaling method and expert weight coefficient method.The improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process was used for evaluation and comparison.The results showed that the optimized route was basically consistent with the actual selected route.This decision model overcame the singularity and subjectivity of traditional models，had practicality and rationality，and provided useful references for tunnel routeselection and con?struction method decision-making.

Key words：small section large steep slope cross-river tunnel；3-scale method;expert weight coefficient method;fuzzy comprehensive evaluation．

小斷面大陡坡越江隧道的施工重難點主要集中在地質(zhì)勘察，需要了解隧道區(qū)域的巖土情況、復(fù)雜的地質(zhì)條件、縱斷面形狀、雙線隧道凈距小、埋深變化大和水壓大等問題。為了克服這些難點，施工單位需要采取一系列針對性的技術(shù)措施和管理措施，選線與施工方案尤為重要，以確保隧道的順利施工和完工。以往方案的選擇大多依靠專家的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，主觀性較大，側(cè)重于定性分析，存在較強的限制性。如使用了層次分析法（AHP）[1]，針對南寧至深圳高速鐵路提出了基于模糊層次分析的選線研究[2]，在黃土區(qū)超小凈距隧道施工方案比選使用APH[3]。研究引入層次分析法對多個指標(biāo)進(jìn)行評判，建立小斷面大陡坡越江隧道選線和工法的決策模型。

1工程概況

長江隧道穿越工程位于重慶市江津區(qū)灘盤鎮(zhèn)橫山村三組與白沙鎮(zhèn)芳陰村五組之間，其中西岸進(jìn)口段洞口位于重慶市江津區(qū)灘盤鎮(zhèn)橫山村三組，出口端屬于白沙鎮(zhèn)芳陰村五組。隧道過江方案采用“斜巷（東岸）＋平巷＋斜巷（西岸）”，隧道長約1587.9m，斜長約1638.6m，根據(jù)場景與分類為水下長隧道。斷面的形狀為直墻圓弧拱形，凈寬3.6m，凈高3.6m（墻與拱的高度均為1.8m），隧道埋深在70～101 m之間，最小埋深在江底段。隧道進(jìn)、出口洞門位置的巖土性質(zhì)均為基本農(nóng)田。

研究將隧道各影響因素劃分成4部分，即目標(biāo)層（大陡坡越江隧道選線與巖土施工方法評估）、準(zhǔn)則層（環(huán)境指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)）、指標(biāo)層（分解準(zhǔn)則層到具體影響因素）、方案層（不同的解決方案）[4]。

2優(yōu)化層次分析法

對層次分析法進(jìn)行改進(jìn)[5-7]，并在權(quán)重選取計算上重點考慮，因3標(biāo)度法計算得出的矩陣具有天然的一致性[8]；所以，用3標(biāo)度法替代9標(biāo)度法進(jìn)行優(yōu)化。在此引入一個專家權(quán)重系數(shù)[9-10]，根據(jù)專家的業(yè)內(nèi)水平賦予其評估權(quán)重，由此確定的指標(biāo)權(quán)重更加全面合理[11]。

2.1判斷矩陣的構(gòu)造

建立層次結(jié)構(gòu)模型后，每一層每個元素對上一層元素影響權(quán)重程度通過兩兩比較得出，在比較每個要素中嚴(yán)格遵循AHP評價標(biāo)度體系。假定A層因素中Ak與下層次中B1，B2，…，Bn有聯(lián)系，構(gòu)建判斷矩陣。本文采用3標(biāo)度法將決策者的偏好數(shù)量化，當(dāng)標(biāo)度為1時，表示指標(biāo)i比指標(biāo)j更加重要；標(biāo)度為0.5則表示指標(biāo)i與指標(biāo)j具有同等重要性；而標(biāo)度為0則表示指標(biāo)i對指標(biāo)j沒有重要性。

2.2計算單一準(zhǔn)則下元素的相對權(quán)重

將判斷矩陣轉(zhuǎn)化為一致性矩陣：

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)。運用和行歸一法[12]計算評價指標(biāo)的平均權(quán)重，即：

通過在專家評估的基礎(chǔ)上增加各自權(quán)重系數(shù)，使一定程度上減小評估專家主觀性影響[13]，結(jié)果更加客觀合理。如果有S位專家參與評估，第j位專家的評估結(jié)果通過下式進(jìn)行優(yōu)化計算：

Sj= aj+ bj+ cj（4）

式中：根據(jù)專家的職稱等級、學(xué)歷高度、專業(yè)水平程度分別賦予aj、bj、cj各自分值。歸一化處理得到專家權(quán)重系數(shù)βj：

βj=

通過專家權(quán)重系數(shù)與3標(biāo)度法進(jìn)行優(yōu)化處理，最后的權(quán)重計算結(jié)果為：

Wij= wij′ βj（6）

2.3模糊綜合評價

2.3.1單因素評價矩陣

層次分析法最大特點可以將非量化指標(biāo)進(jìn)行量化處理，為保證此方法的科學(xué)性、合理性、客觀性、準(zhǔn)確性，通過模糊數(shù)學(xué)方法對非量化指標(biāo)進(jìn)行評定，做出綜合評價[14-17]。對占用土地情況、縱斷面坡度、埋深、工程造價和周期等非量化指標(biāo)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

增益型指標(biāo)：

rij="""""""""""""""""""""" （7）

損減型指標(biāo)：

rij= xijx ijmax（max+）x ijmin（min-）xij（8）

式中：rij是量化指標(biāo)的換算得分；xij為指標(biāo)數(shù)值；xijmax+ xijmin為最大指標(biāo)值和最小指標(biāo)值的和。對于施工環(huán)境、地質(zhì)概況等非定量因素，選擇方案考慮的指標(biāo)設(shè)為：N= （N1 N2…Nj），邀請專家對每個方案的影響因素進(jìn)行評估打分，使用百分制：S= （S1 S2…S4）=（優(yōu)、良、中、差）=分值（100、75、50、25）。設(shè)rij是指標(biāo)值，Bij為對評語Nj的隸屬程度，那么A層的單因素評判矩陣：

ri= （ri 1 ri2…ri4）（9）

A層的各影響因素評判矩陣：

2.3.2模糊合成和綜合決策

通過上述公式得出的每一個權(quán)重向量與評判矩陣計算。設(shè)Aij為A層指標(biāo)Ai對評語Rj的符合程度，Ak是各準(zhǔn)則層的綜合評判矩陣：

Ak=Wi根Ri=（ai1 ai2…ai4），k=1…i（11）

式中：aij=Σbij=Aiwij根rij。每一個方案的單因素評判矩陣為各方案A層的綜合評判矩陣，矩陣最終表示為：

a12…a14]a22…a24：：：ai2…ai4」

各方案的模糊綜合評估矩陣通過下式計算：

P=W根B（13）

最終方案評價值為：

S=P根ST（14）

3結(jié)果與討論

3.1方案比選

根據(jù)選取因素建立的評價指標(biāo)體系，結(jié)合各種資料，提出了3種路線方案，通過模糊綜合評價對其進(jìn)行分析，如表1所示。

3.2確定各指標(biāo)權(quán)重

9位專家對非定量指標(biāo)的評估結(jié)果通過3標(biāo)度法進(jìn)行優(yōu)化，由式（5）、式（6）可以得出權(quán)重系數(shù)βj=（0.257，0.257，0.171，0.114，0.010，0.038，0.076，0.057，0.019），其中j=1，2，…，9。通過3標(biāo)度法計算A層的各個指標(biāo)對B層的各影響權(quán)重評判矩陣，如表2所示。

根據(jù)式（1）～式（4）計算得出各自最后的權(quán)重向量：

式中：W1，W2，W3分別表示環(huán)境、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的影響對方案選擇影響的權(quán)重向量。其中，W1環(huán)境指標(biāo)向量中包含施工環(huán)境影響、占用土地情況和水文地質(zhì)條件3個子指標(biāo)，W2、W3同理。

3.3確定單因素評價矩陣

首先，專家對每個準(zhǔn)則層優(yōu)劣程度進(jìn)行評判，然后再根據(jù)經(jīng)驗打分，對方案1、方案2、方案3的指標(biāo)層每個指標(biāo)的單因素分?jǐn)?shù)進(jìn)行匯總研究。對占用土地狀況、縱斷面坡度、埋深、工程造價以及周期等非定量指標(biāo)用式（7）、式（8）計算得出各自百分制分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表3。水文地質(zhì)條件、施工環(huán)境影響等非定量指標(biāo)邀請專家通過評語集進(jìn)行評估打分，結(jié)果見表4。

3.4多級模糊合成和綜合決策

不同方案的評價矩陣和模糊綜合評價值見表5和表6。

評價結(jié)果按優(yōu)劣排序依次為方案2、方案3、方案1。根據(jù)計算研究最優(yōu)選擇為方案2，實際施工選擇與計算結(jié)果一致。

4結(jié)語

采用3標(biāo)度法和專家打分權(quán)重系數(shù)處理，優(yōu)化了層次分析法，減少了主觀偏差和水平差異對結(jié)果的影響，同時滿足定量數(shù)據(jù)處理的要求。提出了3種方案，并通過模糊綜合評價方法對小斷面大陡坡越江隧道選線與施工進(jìn)行優(yōu)化研究。優(yōu)選結(jié)果與設(shè)計一致，證明了該方法適用于類似工程的優(yōu)化比選，具有實際借鑒意義。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）