基于層次分析法的山區(qū)公路特長(zhǎng)隧道消防供水研究

何奇飛 朱 歡

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550000)

貴州省地貌屬典型喀斯特地形，高速公路隧道占比大，其中3 km以上的特長(zhǎng)隧道逐步增多。由于特長(zhǎng)隧道內(nèi)部空間環(huán)境特殊，火災(zāi)事故的發(fā)生率和嚴(yán)重性明顯提高，給隧道行車安全帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中如何選取經(jīng)濟(jì)、合理的供水方案是有待解決的問(wèn)題之一。

1 工程概況

擬建的貴州省武隆(渝黔界)至道真高速公路是貴州省“678”高速公路網(wǎng)中“三縱”道真至新寨的首段，其中蔡家梁子隧道為本條高速公路最長(zhǎng)隧道之一，為分離式特長(zhǎng)隧道，長(zhǎng)5 762 m，最大埋深約690 m。設(shè)計(jì)速度80 km/h，雙向四車道，建筑限界凈寬10.25 m。

2 隧道消防供水方案現(xiàn)狀

對(duì)于山區(qū)特長(zhǎng)隧道消防供水方案需要綜合考慮地形條件、經(jīng)濟(jì)效益、施工難易程度等多個(gè)方面的影響，不同的供水方案有其各自的適用特點(diǎn)。目前，我國(guó)應(yīng)用較多的消防供水方案主要有如下幾種[1-2]。

1) 單端供水。根據(jù)隧道兩端洞口高程計(jì)算，在高程較高的一端設(shè)計(jì)高、低位水池供水系統(tǒng)，管網(wǎng)壓力依靠高程較高一端的高位水池提供，管網(wǎng)壓力由高位水池端向另一端不斷增大，當(dāng)靜壓達(dá)到0.75 MPa 則通過(guò)可調(diào)式減壓穩(wěn)壓閥組(動(dòng)、靜壓可調(diào))將靜壓調(diào)整為0.4 MPa。此方案施工難度較小，系統(tǒng)之間相互干擾也較少，但整體管網(wǎng)較長(zhǎng)，供水系統(tǒng)的整體壓力較大，僅依靠減壓穩(wěn)壓供水使系統(tǒng)的壓力可控性較差。

2) 單端供水+隧道內(nèi)消防水池分區(qū)供水。隧道洞口單端設(shè)置高位水池，同時(shí)在隧道橫洞內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)水池，結(jié)合隧道高差使管道內(nèi)水壓保持在0.4～0.75 MPa范圍內(nèi)，在隧道橫洞內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)運(yùn)水池分區(qū)將隧道內(nèi)消防設(shè)施供水劃分為若干段落，隧道消防供水采用分區(qū)段供水方案，區(qū)段1兼顧一次性消防用水和補(bǔ)水的及時(shí)性，通過(guò)洞外設(shè)置高位水池，利用自然高程差向隧道洞內(nèi)區(qū)段1供水；之后區(qū)段在洞內(nèi)設(shè)置消防水池，從前一區(qū)段管網(wǎng)中補(bǔ)水，充分利用隧道自然坡度，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)區(qū)段內(nèi)消防設(shè)施供水。

3) 兩端分區(qū)供水。在隧道兩端洞口分別設(shè)計(jì)高低位水池，利用兩端隧道高位水池的高程與隧道高程差壓力為隧道內(nèi)管網(wǎng)提供壓力需求；兩端供水可通過(guò)各自高水池提供相應(yīng)壓力，但由于隧道一般設(shè)置人字坡或者單坡隧道，則勢(shì)必導(dǎo)致高程低的一端形成反坡供水，為克服管道水頭損失和高程差導(dǎo)致供水管道不宜過(guò)長(zhǎng)。

4) 斜/豎井內(nèi)設(shè)置消防水池。對(duì)于人字坡隧道，由于兩端洞口與變坡點(diǎn)高程差較大，而隧道中部的斜/豎井在相對(duì)于兩端洞口與變坡點(diǎn)的高程差較小，可結(jié)合工程實(shí)踐情況，利用在隧道斜/豎井內(nèi)設(shè)置高位水池為隧道內(nèi)消防設(shè)施分區(qū)供水，管網(wǎng)由斜/豎井內(nèi)敷設(shè)至交叉口后各自向不同分區(qū)供水，此方案的優(yōu)勢(shì)由隧道中部集中供水，可有效地降低管網(wǎng)整體壓力。

3 方案比選分析

3.1 構(gòu)建方案評(píng)價(jià)體系

由于消防供水方案均有各自特點(diǎn)和適用性，在進(jìn)行方案比選時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)，以期達(dá)到最優(yōu)效果。結(jié)合目前消防供水方案的現(xiàn)狀，總結(jié)不同消防供水方案特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 4種常見(jiàn)消防供水方案特點(diǎn)分析

由表1可知，對(duì)供水方案比選時(shí)需要兼顧不同消防供水方案的適用特點(diǎn)和影響因素，選用合理的指標(biāo)及方法，才能進(jìn)行綜合、全面的評(píng)價(jià)。由于消防供水方案具有影響因素多、難以量化等特點(diǎn)，可采用層次分析法，將評(píng)價(jià)目的、影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為不同結(jié)構(gòu)層次構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行比選分析。層次分析法結(jié)合了定性分析的優(yōu)勢(shì)，又建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算分析，能夠有效地處理多準(zhǔn)則或無(wú)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題，在進(jìn)行多因素決策時(shí)有廣泛地應(yīng)用[3-4]。

因此，基于上述4種消防供水方案的特點(diǎn)，結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)圖1。

圖1 消防供水方案評(píng)價(jià)體系

3.2 評(píng)價(jià)方法及計(jì)算

3.2.1構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)圖1消防供水方案評(píng)價(jià)體系，采用三級(jí)層次分析結(jié)構(gòu)，分別對(duì)同一層次的各元素按重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣。為避免建立判斷矩陣出現(xiàn)片面性或較大的主觀影響，收集專家、業(yè)主、施工等專業(yè)技術(shù)人員的意見(jiàn)，采用1～9標(biāo)度法對(duì)判斷結(jié)果進(jìn)行量化(見(jiàn)表2)，構(gòu)造判斷矩陣。

表2 1～9標(biāo)度法

3.2.2層次排序及其一致性檢驗(yàn)

通過(guò)計(jì)算量化以后的判斷矩陣，得出被比較元素對(duì)于該因素的相對(duì)權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算矩陣特征根來(lái)確定權(quán)向量Aw=λmxw，計(jì)算其最大特征根λmax。采用一致性指標(biāo)CI衡量判斷矩陣的不一致程度，其計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

定義隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，當(dāng)階數(shù)大于2時(shí)，其一致性的指標(biāo)用CR表示，CR值計(jì)算方法見(jiàn)式(2)。

(2)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，可表示該判斷矩陣的一致性滿足要求，否則就需要進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3權(quán)值計(jì)算

根據(jù)調(diào)查收集意見(jiàn)，按1～9標(biāo)度法進(jìn)行量化，構(gòu)建中間層和基礎(chǔ)指標(biāo)層判斷矩陣，并進(jìn)行一致檢驗(yàn)，對(duì)于當(dāng)基礎(chǔ)指標(biāo)出現(xiàn)小于或等于2項(xiàng)時(shí)可直接按加權(quán)平均值確定權(quán)重，權(quán)值計(jì)算過(guò)程及結(jié)果如下。

計(jì)算最大特征根λmax及其特征向量w

λmax=4.032，w=[0.106 0.362 0.411 0.121]T

判斷矩陣一致性檢驗(yàn)。n=4，取得RI=9，計(jì)算CR值。

矩陣符合一致性檢驗(yàn)要求，權(quán)重值分配合理，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 中間層權(quán)重

同理，按上述過(guò)程依次構(gòu)建基礎(chǔ)指標(biāo)層判斷矩陣，分別計(jì)算特征向量wi并進(jìn)行一致檢驗(yàn)，對(duì)于當(dāng)基礎(chǔ)指標(biāo)出現(xiàn)小于或等于2項(xiàng)時(shí)可直接按加權(quán)平均值確定權(quán)重，權(quán)值計(jì)算過(guò)程及結(jié)果見(jiàn)表4～表7。

表4 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)層權(quán)重

表5 技術(shù)性指標(biāo)層評(píng)判及權(quán)重

表6 施工便利性指標(biāo)層權(quán)重

表7 環(huán)境影響性指標(biāo)層權(quán)重

根據(jù)上述各層權(quán)重計(jì)算結(jié)果，對(duì)層次總排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，總排序一致性比率計(jì)算方法見(jiàn)式(3)。

(3)

層次總排序CR=0.020<0.10，符合一致性檢驗(yàn)要求。評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重匯總見(jiàn)表8。

表8 評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重匯總

4 實(shí)例應(yīng)用

基于消防供水方案比選模型，通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查方式，收集施工、設(shè)計(jì)、業(yè)主方各2名技術(shù)人員對(duì)表1中4種備選方案進(jìn)行打分評(píng)判(評(píng)分越高則該項(xiàng)指標(biāo)越優(yōu))，同一基礎(chǔ)指標(biāo)取調(diào)查人員打分平均值為評(píng)判分?jǐn)?shù)，表9為方案一調(diào)查評(píng)分結(jié)果。

表9 調(diào)查評(píng)分結(jié)果表(以方案一為例)

通過(guò)對(duì)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行收集和整理，分別對(duì)備選方案各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)判，計(jì)算綜合得分越高則方案越優(yōu)，備選方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 備選方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，備選方案排序結(jié)果為：方案一>方案三>方案二>方案四，方案一單端供水方案綜合評(píng)分最高，優(yōu)選為本項(xiàng)目消防供水方案。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際條件，對(duì)本項(xiàng)目消防供水方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)如下。

隧道洞口設(shè)置高位水池供水，從變坡點(diǎn)后管網(wǎng)壓力由小樁號(hào)向大樁號(hào)方向不斷增大，為控制保證管網(wǎng)供水壓力，經(jīng)計(jì)算當(dāng)靜壓達(dá)到0.75 MPa則通過(guò)可調(diào)式減壓穩(wěn)壓閥組(動(dòng)、靜壓可調(diào))將靜壓調(diào)整為0.4 MPa。同時(shí)，結(jié)合隧道縱坡長(zhǎng)度及人行橫洞設(shè)置情況，對(duì)蔡家梁子隧道單洞需要進(jìn)行2次減壓處理，分別設(shè)置于5號(hào)人行橫洞和8號(hào)人行橫洞附近，供水點(diǎn)位布置見(jiàn)圖2。

圖2 供水點(diǎn)位布設(shè)圖

根據(jù)供水布設(shè)點(diǎn)位，考慮供水管道流量、流速及供水壓力的需求[5-7]，均衡系統(tǒng)管道能耗，選擇以不超過(guò)2.5 m/s管道流速確定管徑，并以盡量節(jié)省管道、降低水泵功率為目標(biāo)，確定管道材料，具體參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表11。

表11 管材參數(shù)選取

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)山區(qū)高速公特長(zhǎng)隧道消防供水方案進(jìn)行分析，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性、施工便利性、環(huán)境影響等多方面因素，提出了特長(zhǎng)隧道消防供水方案綜合評(píng)價(jià)體系，并構(gòu)建了方案比選模型，選擇以單端供水作為該項(xiàng)目消防供水方案，并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際條件，從消防管道、管材、供水壓力等方面進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，直接指導(dǎo)實(shí)際施工作業(yè)，提高隧道消防供水系統(tǒng)的可靠行。