基于层次分析法的黄土区超小净距隧道施工方案比选分析

黄炳球

摘要：文章基于层次分析法，综合考虑不同施工工法力学指标和经济指标、进度指标，建立层次分析评价体系，对黄土区超小净距隧道施工工艺进行了优化比选分析，并通过实际工程运用，证明了基于层次分析法的黄土区隧道施工方案的可靠性与合理性。

关键词：层次分析法;黄土;隧道;超小净距;施工工艺优化

0 引言

受地形条件的限制，小净距隧道成为当前公路、铁路工程中较为常见的结构形式。在我国西北地区分布着广袤的黄土层，由于黄土独特的物理力学性质，在这些地区修建铁路隧道所遇到的技术难点很多，特别是超小净距黄土隧道的施工更加困难。因此，研究适合黄土区超小净距隧道的施工工法，对于工程施工安全、进度和造价具有重要意义[1-5]。

王小林等采用数值分析方法，对断面非对称小净距黄土地铁隧道施工顺序进行了对比分析，并认为先施工小断面隧道的施工顺序对于隧道的稳定性更加有利[6]。刘拓益等通过工程实践，总结了一套黄土地区小净距隧道施工技术，认为为了减小对围岩的施工扰动，应尽可能早地封闭成环[7]。层次分析法（AHP）适用于复杂的多目标决策问题并得出最优解决方案，具有系统性、实用性和简易性等优点，被广泛应用于安全评价、生态环境评价等领域，在隧道开挖施工领域也已得到一定的应用。如杨海忠将层次分析法应用于隧道涌水突泥事故可能性评估[8];胡群芳等提出了基于模糊层次分析的公路隧道结构安全评估方法[9];李宝平等基于层次分析法，对隧道二次衬砌施作时机预测进行了探讨[10]。

本文基于层次分析法，综合考虑不同施工工法力学指标和经济指标、进度指标，建立层次分析评价体系，对黄土区超小净距隧道施工工艺进行了优化分析，并在实际工程中予以实践应用，获得了较好效果，可为类似地区超小净距隧道施工工法的合理选择提供借鉴。

1 层次分析理论

1.1 基本原理及指标体系

层次分析法（简称AHP）是将与决策有关的元素划分为目标层、准则层以及指标层，通过分解多个目标、准则或者指标，将难以定量的、复杂的决策问题转化为定量排序，以最终做出最佳的判断和选择。目标层为施工工法选择;准则层（即施工工法各因素）包括最大位移与洞径之比、最大拉压应力比、单位长度内围岩损伤体积、施工进度、工程造价五个;指标层则为所要研究的施工方案。根据当前黄土隧道施工的常用方法，选择全断面法、环形开挖留核心土法、三台阶七步开挖法、CD法、CBD法以及双侧壁导坑法等6种隧道施工方案作为指标层进行分析，建立如下层次分析指标模型（见图1）。

1.2 分析步骤

利用层次分析法对隧道开挖施工方案进行决策，其分析流程主要包括以下四个方面：（1）建立层次分析指标模型;（2）构造判断矩阵;（3）进行层次单排序和一致性检验计算;（4）进行层次总排序及一致性检验。

2 分析过程

2.1 计算工况

本文拟计算分析工况共包括六种（2×3=6）。其中：隧洞埋深分别为30m和100m，隧洞横向间距分别为2m、16m和30m。每种工况下均用1.1小节中的6种施工方案进行计算分析。具体工况参数情况见表1。

2.2 准则层排序

首先需要对准则层的五个影响因素进行重要性排序计算，采用专家调查法获得了各影响因素的评分情况（由于数据量太大，文中不再赘述）。通过各影响因素评分进行两两比较，得到如下判断矩阵：

根据式（1）可以分别得到判断矩阵的特征向量为：W=[0.29，0.06，0.26，0.16，0.23]，AW=[1.45，0.32，1.29，0.81，1.13]。从特征向量的值可以看到：最大位移与洞径之比的特征向量值最大，最大拉应力与最大压应力之比的特征向量值最小，影响因素层从大到小排序依次为最大位移与洞径之比B1、单位长度内围岩损伤体积B2、工程造价B3、施工进度B4以及最大拉应力与最大压应力之比B5。最大位移与洞径之比是首先需要考虑的因素，除此之外，工程造价因素排在第三，高于施工进度和最大拉应力与最大压应力之比。由此可见，施工方案在满足施工进度的前提下应最大可能实现工程的经济效益。

为了验证矩阵的有效性，计算得到矩阵的最大特征向量为：

故通过一致性检验，该矩阵有效。

2.3 指标层排序

以工况1为例，首先对指标层计算过程进行说明，同理，构造指标层的判断矩阵。

从施工总排序结果可知：当在隧道埋深为100m、横向间距为30m时，最适宜的施工方案为环形开挖留核心土法和三台阶七步开挖法。

2.4 不同工况施工方案优选

按照2.3小节所述方法，对不同工况下各施工方案的得分进行计算，结果见图2。从图中比较可以得到：当在工况1（埋深100m，间距30m）时，黄土隧道最适宜的施工方法为C2（环形开挖留核心土法）和C3（三台阶七步开挖法）;当在工况2（埋深100m，间距16m）时，黄土隧道最适宜的施工方法为C2（环形开挖留核心土法）;当在工况3（埋深100m，间距2m）时，黄土隧道最适宜的施工方法为C6（双侧壁导坑法）;当在工况4（埋深30m，间距30m）时，黄土隧道最适宜的施工方法为C2（环形开挖留核心土法）;当在工况5（埋深30m，间距16m）时，黄土隧道最适宜的施工方法也为C2（环形开挖留核心土法）;当在工况6（埋深30m，间距2m）时，黄土隧道最适宜的施工方法也为C2（环形开挖留核心土法）。从整体得分结果来讲：当埋深较深、间距较大时，建议采用环形开挖留核心土法和三台阶七步开挖法进行施工;当埋深较深，间距较小时，建议采用双侧壁导坑法，不建议采用三台阶七步开挖法;当埋深较浅时，建议采用环形开挖留核心土法和CD法。

3 工程案例

3.1 工程背景

某隧道位于黄土梁茆区，隧道设计总长为367m，设计最大埋深为38.2m，平均埋深约为28.7m，隧道断面分为三种不同结构尺寸，最大断面跨度为11.56m，最大洞高为11.08m，标准洞段斷面尺寸为跨度6.5m、洞高9.75m。围岩主要为黄土和粉质红黏土。新建隧道与既有隧道的最小间距仅为1.1m，属于黄土区超小净距隧道施工工程。为了确保临近隧道施工的安全性，在两隧道较近一侧设置40根1m、深为20m的隔离桩，隧道平面布置关系见图3。

3.2 施工方案比选

方案初选：工程的平均埋深为28.7m，最小净距为1.1m，与上述分析工况6极为接近。在工况6时，得分排名前三的方案依次为：环形开挖留核心土法、CD法和双侧壁导坑法。

方案筛选：新建隧道大部分为标准断面，仅在靠近出口处存在较大断面，在满足施工进度的前提下，应该充分考虑隧道施工的整体难易度和经济效益。双侧壁导坑法的每月施工进度仅为30～40m，且工程造价较高;CD法每月施工进度为50～70m，工程造价适中;环形开挖留核心土法在施工工艺上可以简化为两台阶施工法，不仅具有较快的施工进度（100～150m/月），还具有较好的工程造价（虽然与CD法和双侧壁导坑法相比，其施工围岩稳定性略有降低，但对工程施工安全性不造成影響）。故从工程施工安全、进度和经济性综合考虑，决定采用环形开挖留核心土法进行施工。

3.3 施工结果分析

首先，采用数值分析方式，对不同洞段的开挖施工结果进行模拟，结果见表2。从表中可以看到：最大压应力和拉应力分别为16.6MPa和3.3MPa，均出现在中间过渡段，最大位移出现在转辙机扩挖段，变形量为11.6mm，围岩损伤面积为2.8m2，也位于转辙机扩挖段，而最大变形与洞径比最大值出现在中间过渡段，值为0.00105。

为了验证施工方案选择的安全性、合理性及可靠性，在施工过程中对顶拱和水平的位移变形进行了监测（监测点位于标准洞段），结果见图4。从图中可以看到：隧道围岩的最大变形出现在开挖施工1d后，顶拱和水平收敛变形最大值分别为7.3mm和7mm，之后，变形逐渐呈收敛变化，稳定性较好，最大变形量与模拟分析值（6.7mm）相差不大，符合程度高。可见，经层次分析法决策优选的环形开挖留核心土方案很好地适用于该隧道的开挖施工，能够最大程度保证施工期间围岩稳定性、施工进度和工程造价。

4 结语

（1）基于层次分析法，建立了考虑施工力学参数、工程进度以及工程造价的黄土区小净距隧道的施工方案决策优选模型。

（2）根据层次分析模型结果得出：当埋深较深、间距较大时，建议采用环形开挖留核心土法和三台阶七步开挖法进行施工;当埋深较深，间距较小时，建议采用双侧壁导坑法，不建议采用三台阶七步开挖法;当埋深较浅时，建议采用环形开挖留核心土法和CD法。

（3）将分析理论应用于工程实践，通过方案初选和筛选，得到隧道的施工方案，并通过数值模拟和现场工后监测结果，表明经层次分析法决策优选的可靠性与合理性。

参考文献：

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[9]胡群芳，周博文，王 飞，等.基于模糊层次分析的公路隧道结构安全评估技术[J].自然灾害学报，2018，27（4）：41-49.

[10]李宝平，牛文榀，秦 威.层次分析法在隧道二次衬砌施作时机预测中的应用[J].铁道建筑，2017，57（9）：92-95.