長大公路隧道施工機械化配套技術研究

摘要：為對長大公路隧道施工機械化配套技術進行研究，文章以某高速公路特長隧道實際工程為例，采用模糊德爾菲層次分析法和模糊綜合評價法對長大公路隧道施工機械配套方案進行比選，得到如下主要結論：（1）根據圍巖條件的不同將施工機械配套方案分為Ⅲ級圍巖隧道施工機械配套方案和Ⅳ～Ⅴ級圍巖隧道施工機械配套方案兩大類，再將這兩類隧道施工機械配套方案分別由配置從高到低分為三小類；（2）施工成本、施工進度、施工管理、施工質量、地質條件、隧道長度所占的相對權重值分別為20%、24%、15%、19%、12%、10%，這說明施工成本和施工進度對確定施工機械配套方案的影響較大；（3）Ⅲ級圍巖條件下的一級機械配套方案和Ⅳ～Ⅴ級圍巖條件下的一級機械配套方案評分在對應的圍巖條件下最高，為最優方案。

關鍵詞：長大公路隧道；施工機械化配套；模糊德爾菲層次分析法；模糊綜合評價法

中圖分類號：U455.3 A 46 161 4

0 引言

隨著我國的經濟發展，大量的公路、鐵路線路均需要進行大量隧道的建設，我國已成為現今世界上隧道數量最多、規模最大、工程條件最復雜、技術發展最迅速的國家［1］。高速公路建設正在不斷推進，中西部地區的交通基礎設施的愈發完善，越來越多的工程情況更為復雜的長大山區高速公路隧道投入建設。目前，施工企業進行施工機械的選擇時往往不能對機械設備進行合理搭配，使得施工成本升高，施工效率也無法最大化。目前，已有較多學者針對隧道施工機械設備配套方案進行了研究，并取得了很多成果。關寶樹［2］分析了我國在隧道機械化施工上的發展現狀，提出我國在不良圍巖條件下的隧道施工機械化程度較低，與國外差距較大這一問題。王祥軍［3］分別從國家的政策導向、市場方面的需求、施工安全與施工質量等方面討論了隧道施工機械標準化的必要性。王耀［4］在總結已有的隧道施工機械配套技術的基礎上，針對高海拔隧道的施工機械配套方法進行了研究，同時分析了高海拔的環境對隧道施工設備的影響以及應對措施。莊澤亮等［5］依托某高速公路長大隧道實際工程，介紹了該隧道施工中所選擇的機械設備，主要包括隧道施工中針對掘進、噴漿、襯砌這三道主要工序的關鍵配套機械設備以及在施工過程中保證隧道供風、通風、電力的輔助施工設備。

然而上述研究對長大公路隧道施工機械配套技術還存在很多缺陷，因此本文在前人研究的基礎上，以某高速公路特長隧道實際工程為例，采用模糊德爾菲層次分析法和模糊綜合評價法進行長大公路隧道施工機械配套方案的比選，以期為其他相關實際工程的機械配套技術研究提供參考。

1 長大公路隧道施工機械配套方案

1.1 工程概況

本文以某高速公路特長隧道實際工程為例，利用模糊德爾菲層次分析法和模糊綜合評價法進行施工機械配套方案的選擇。該隧道全長5 706 m，為分離式特長隧道。隧址區屬于中低山區，地貌以丘陵和低山為主，圍巖巖性主要為粉砂巖和灰巖，隧道最大埋深為354 m。隧道圍巖級別分別為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，占比分別為20.5%、47.88%、31.62%。隧道斷面面積為 86.23～135.3 m2。該工程施工存在較多難點，如地質條件較為復雜，隧道穿越4條地質斷裂帶，且灰巖區巖石風化較為嚴重，圍巖等級變化復雜等。該隧道屬于特長隧道，施工通風等施工輔助措施技術難度較大。

1.2 施工機械配套方案的基本原則

施工機械配套方案在保證施工安全和施工效率的同時，可從隧道的工程特點以及降低成本的角度對方案進行調整。施工機械配套的基本原則如下：

（1）應綜合考慮地質條件、工期要求、施工方法和隧道長度等因素。

（2）應重視不同工序之間銜接的高效性。

（3）在確定施工機械配套方案時應將備用機械考慮在內，防止因機械損壞導致停工。

（4）施工機械配套方案應能滿足施工進度的要求。

1.3 施工機械配套方案

首先根據圍巖條件的不同，將施工機械配套方案分為Ⅲ級圍巖隧道施工機械配套方案和Ⅳ～Ⅴ級圍巖隧道施工機械配套方案兩大類，再將這兩類隧道施工機械配套方案分別由配置從高到低分為三小類，即根據圍巖條件、施工方法及機械化程度不同，劃分了六種不同的施工機械配套方案，分別為：Ⅲ級圍巖施工一級機械配套方案、Ⅲ級圍巖施工二級機械配套方案、Ⅲ級圍巖施工三級機械配套方案、Ⅳ～Ⅴ級圍巖施工一級機械配套方案、Ⅳ～Ⅴ級圍巖施工二級機械配套方案、Ⅳ～Ⅴ級圍巖施工三級機械配套方案。

Ⅲ級圍巖施工一級機械配套方案適用于地質條件較好、機械化程度較高、對工期要求較高的隧道工程。Ⅲ級圍巖施工一級機械配套方案如表1所示。

Ⅲ級圍巖條件下對應的隧道開挖施工方案為全斷面法，巖體開挖后依然具有較高的穩定性，且具有較大的施工作業面，可允許大型機械進行施工。采用Ⅲ級圍巖施工一級機械配套方案時，開挖鉆孔采用的是三臂液壓鑿巖臺車，可兼做錨桿的鉆孔設備，在襯砌施工中，為避免襯砌施工速度慢于開挖速度，一般需要配置兩套襯砌作業設備。

Ⅲ級圍巖施工二級機械配套方案與一級機械配套方案相比，僅將開挖設備換為了風動鑿巖機。Ⅲ級圍巖施工三級機械配套方案適用于預算較低、機械化程度和工期要求均不高的隧道工程。在初期支護中采用了普通濕噴機，進行人工噴射混凝土，效率較低，由于開挖速度較慢，在襯砌施工中僅需配置一套襯砌作業設備。

在圍巖條件較差時，由于軟弱圍巖的穩定性較差，因此一般不采用全斷面法施工，而是采用臺階法進行隧道施工，與全斷面法施工相比，臺階法施工須在開挖作業前進行超前支護工作，因此會增加一部分機械作業工作量。

Ⅳ～Ⅴ級圍巖施工一級機械配套方案適用于圍巖條件較差、對工期要求較高的隧道工程。除了在超前支護工作中用到了三臂鑿巖臺車和注漿泵外，其余的施工機械與Ⅲ級圍巖施工一級機械配套方案相同。

Ⅳ～Ⅴ級圍巖施工二級機械配套方案與一級機械配套方案相比，在超前支護工作中采用的是管棚鉆機和注漿泵，將開挖設備換為了風動鑿巖機，整體施工效果和施工效率均相差不大。Ⅳ～Ⅴ級圍巖施工三級機械配套方案的機械配置較低，適用于預算較少、施工條件較差的情況。

2 FDAHP-FCE原理簡介

2.1 層次分析法（AHP）

層次分析法（AHP）是一種將研究對象及其相關因素進行分解、劃分，借助數學分析方法對非定量事件進行定量化，從而計算出各因素權重的研究方法。層次分析法通常被用于多個對研究對象影響能力不一致的影響因素之間存在復雜關聯，使得決策者無法做出判斷的研究中［6］。其基本原理是假設系統內部的各個影響因素之間相互獨立，建立層次結構模型，構造判斷矩陣，然后通過對比分析得到各個影響因素之間的相對重要程度，計算出各個影響因素對研究對象的影響權重大小。

2.2 模糊德爾菲層次分析法（FDAHP）

模糊德爾菲層次分析法（FDAHP）是結合了綜合模糊評價原理、層次分析法和德爾菲群體決策法的一種模糊群體決策方法［7］，其基本思路如圖1所示。

如圖1所示，模糊德爾菲層次分析法的基本步驟為：建立層次結構模型→建立比較判斷矩陣→建立群體的模糊判斷矩陣→確定群體模糊權重向量→權重決策分析。

2.3 模糊綜合評價（FCE）

模糊綜合評價（FCE）是指對多因素影響的事物進行總評價，因在評價過程中會涉及模糊因素，因此被稱為模糊綜合評價［8］。模糊綜合評價的步驟如圖2所示。

3 施工機械配套評價指標權重分析

施工機械配套方案評價指標的選取是后期方案評價與比選的重要基礎。評價指標的選取主要包括兩部分內容，第一是準備階段，對施工機械配套方案的相關文獻資料進行整理；第二是專家調查階段，該階段主要采取德爾菲法，該方法在專家調查上面具有較大優勢，可以使得調查結果更加可靠［9］。

經過項目小組成員的討論，選取了施工機械配套方案的6項評價指標，分別為：施工成本、施工進度、施工管理、施工質量、地質條件、隧道長度。建立的層次結構模型如圖3所示。

在專家調查階段，通過設計調查問卷，將各個評價指標的重要性通過成對比較法進行評價，分數標準如表2所示。

共收集到16 位專家的結果，這16位專家中有10位從事一線的隧道施工工作，占比為62.5%，有4位來自高等院校，專門從事隧道工程相關的研究，占比為25%。同時這些專家大多具有本科及以上的學歷，具有中級及以上職稱，從事相關工作的工作年限超過5年。綜合來看，參與專家調查的專家專業性強，他們的打分具有較高的可信度。將每位專家的打分均整理為對比判斷矩陣，然后依據模糊德爾菲層次分析法，利用三角模糊數建立群體判斷矩陣，所得群體判斷矩陣如式（1）所示。

Bij=（1.00，1.00，1.00）（0.11，0.82，6.00）（0.11，0.26，4.00）（1.00，4.19，9.00）（0.11，1.23，5.00）（0.33，1.90，7.00）

（0.17，1.22，9.00）（1.00，1.00，1.00）（0.11，0.82，5.00）（0.11，0.92，9.00）（0.20，0.71，7.00）（0.11，2.43，9.00）

（0.25，3.91，9.00）（0.20，3.55，9.00）（1.00，1.00，1.00）（0.11，0.12，0.14）（6.00，7.89，9.00）（0.20，0.96，9.00）

（0.11，0.24，1.00）（0.11，1.09，9.00）（7.00，8.56，9.00）（1.00，1.00，1.00）（0.20，3.12，7.00）（0.14，3.12，7.00）

（0.20，0.82，9.00）（0.14，1.40，5.00）（0.11，0.13，0.17）（0.14，0.32，0.50）（1.00，1.00，1.00）（7.00，8.56，9.00）

（0.14，0.53，3.00）（0.11，0.41，9.00）（0.11，1.04，5.00）（0.14，0.32，7.00）（0.11，0.12，0.14）（1.00，1.00，1.00）

（1）

根據群體判斷矩陣Bij，計算求得群體模糊權重向量Wi，如式（2）～（7）所示，其中i=1、2、3、4、5、6分別代表施工成本、施工進度、施工管理、施工質量、地質條件、隧道長度這六項評價指標。

w1=［0.01，0.17，2.43］（2）

w2=［0.01，0.14，2.97］（3）

w3=［0.02，0.23，1.71］（4）

w4=［0.02，0.26，2.18］（5）

w5=［0.02，0.13，1.45］（6）

w6=［0.01，0.07，1.24］（7）

通過幾何平均法計算各個評價指標的相對權重值，并將其進行歸一化處理，所得結果如下頁圖4所示。

如圖4所示，施工成本所占的相對權重值為20%，施工進度所占的相對權重值為24%，施工管理所占的相對權重值為15%，施工質量所占的相對權重值為19%，地質條件所占的相對權重值為12%，隧道長度所占的相對權重值為10%。說明施工成本和施工進度對確定施工機械配套方案的影響較大。

4 施工機械配套方案的模糊綜合評價

4.1 確定因素指標集

根據前文所述，在進行隧道施工機械配套方案的選擇時，主要考慮的影響因素包括：施工成本、施工管理、施工進度、施工質量、隧道長度、地質條件，因此，確定因素指標集為：U=（施工成本，施工進度，施工管理，施工質量，地質條件，隧道長度）。

4.2 建立備擇集

隧道不同圍巖條件下的施工機械配套方案的備擇集V1、V2由高到低依次為一級機械化配套方案、二級機械化配套方案、三級機械化配套方案。其備擇集為：V1=（一級機械化配套方案，二級機械化配套方案，三級機械化配套方案）；V2=（一級機械化配套方案，二級機械化配套方案，三級機械化配套方案）。

4.3 構建評價指標的權重集A

根據前文的計算結果，可知A=（0.20，0.24，0.15，0.19，0.12，0.10）

4.4 建立單因素評價矩陣

以Ⅲ級圍巖條件下隧道施工的一級機械配套方案為例，根據專家調查法所得結果，建立單因素評價矩陣R1如式（8）所示：

R1=

00.200.500.300

0.700.200.100

00.10.70.10.1

0.550.300.1500

0.700.200.100

0.750.150.100（8）

4.5 綜合評判與分析

對隧道施工機械配套方案進行綜合評判，如式（9）所示：

B=A·R1=0.4320.1990.2800.0750.015（9）

引入評語分值集：F=［1.00.80.60.40.2］，計算出該機械配套方案的總評分，如式（10）所示：

Z=B·FT=0.791（10）

同理，可以計算出其他機械配套方案的評分。對于Ⅲ級圍巖條件，隧道施工的二級機械配套方案的評分為0.744，三級機械配套方案的評分為0.585。對于Ⅳ～Ⅴ級圍巖條件，隧道施工的一級機械配套方案的評分為0.759，二級機械配套方案的評分為0.751，三級機械配套方案的評分為0.604。因此，Ⅲ級圍巖條件下的一級機械配套方案和Ⅳ～Ⅴ級圍巖條件下的一級機械配套方案評分在對應圍巖條件下最高，為最優方案。

5 結語

本文利用某高速公路特長隧道實際工程為例，采用模糊德爾菲層次分析法和模糊綜合評價法進行長大公路隧道施工機械配套方案的比選，得到如下主要結論：

（1）根據圍巖條件的不同將施工機械配套方案分為Ⅲ級圍巖隧道施工機械配套方案和Ⅳ～Ⅴ級圍巖隧道施工機械配套方案兩大類，再將這兩類隧道施工機械配套方案分別由配置從高到低分為三小類。

（2）施工成本、施工進度、施工管理、施工質量、地質條件、隧道長度所占的相對權重值分別為20%、24%、15%、19%、12%、10%，說明施工成本和施工進度對確定施工機械配套方案的影響較大。

（3）對于Ⅲ級圍巖條件，隧道施工的一級、二級、三級機械配套方案的評分分別為0.791、0.744、0.585。對于Ⅳ～Ⅴ級圍巖條件，隧道施工的一級、二級、三級機械配套方案的評分分別為0.759、0.751、0.604。Ⅲ級圍巖條件下的一級機械配套方案和Ⅳ～Ⅴ級圍巖條件下的一級機械配套方案評分在對應圍巖條件下最高，為最優方案。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-22