基于层次分析法的220 kV变电站进线非开挖电力排管工程施工方案分析

袁 奇，王 敏，宁 科，宋 喆

(1.国网上海市电力公司电缆分公司，上海 200072；2.国网上海市电力公司嘉定供电公司，上海 200072)

目前拥有更大可能的地下空间逐渐成为工程建设的关注焦点，尤其是电力电缆建设。电力电缆地下敷设方式主要有直埋敷设、浅槽敷设、电缆沟敷设、穿管敷设、电缆隧道敷设等方法，前3种敷设方法属于明挖法，后2种属于非开挖法。受地质水文、交通等因素影响，电力电缆敷设越来越多采用非开挖方法进行施工。

1 当前电力电缆非开挖施工特点

目前非开挖技术按用途可以分为铺设新管线、修复置换老旧管线和探测管线管网3个方面。电力电缆非开挖施工主要为铺设新管线和探测管线，根据施工方法，可分为水平导(定)向钻进铺管法、气动矛铺管法、顶管铺管法、盾构铺管法[1]。

(1)水平导(定)向钻进铺管法，需要在已有物探的基础上，利用导向仪器控制钻机钻具，按预设计轨迹先打好导向孔，然后再回拉扩孔到预设尺寸，最后再完成管材铺设等工作。水平导(定)向钻进铺管法具有开挖面小、工期短、工程成本低等优点，适用于地表管线复杂，许穿越河流、不能明挖的场合。

(2)气动矛铺管法利用压缩空气做动力，推进气动矛在土壤中钻进，按预设轨迹钻出通道。气动矛铺管法具有设备简单、操作方便的特点，适用于短距离(一般30 m内)、小直径管道的铺设，尤其适合于小空间施工作业。

(3)顶管铺管法利用激光导向系统来控制管道头部的钻掘系统钻进，通过管道的逐段追加向前铺完成铺管施工。顶管具有对周边影响下、噪声和震动可控等优点，可用于地下深处管道的敷设。

(4)盾构铺管法需要依赖盾构机完成通道的掘进工作。电力电缆隧道一般为盾构法施工。盾构铺管法具有施工速度快、施工质量稳定、对周边影响小等优点，但成本比较高，适合于软地基施工。

2 层次分析法

工程建设上某项目中多种施工方案的必选，从数学角度而言，属于同一问题的多方案比选，并且各方案的具体内容方法已确定。在给定的评价准则框架下，对各个方案进行分析、综合评价和排序，这些评价准则不止一个，往往包含多个，并且受主体影响而变化。

实践证明，层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是解决此类问题的有效方法[2]。

2.1 层次分析法总体思想

层次分析法，将复杂的问题分解成组成要素，再进一步将这些要素按支配关系分解成层次结构因素，通过一定的数学比较方法确定诸多因素的重要性，再结合决策者的需求，最终确定总的方案排序。

层次分析法的总体基本思路具体如下。

(1)明确方案评价的目标、评价准则和评价指标体系，列举待比较的各方案的具体内容。

(2)根据层次分析模型，对应建立评价模型。

(3)构造比较判断矩阵。

图1 层次分析法的评价模型

在图1的评价模型里，下一层中的各元素均可以用上一层的一个元素作为准则进行比较，一般常采用两两比较的形式。以aij来表示某一层中第i个元素与第j个元素对上层某一准则的相对重要性，aij取值一般是数字1～9及其倒数。

由aij构成的矩阵称为判断矩阵A，其中A中元素aij的取值规则由表1所示。

表1 判断矩阵中元素取值

当然，aij的取值也可以是2,4,6,8，同时aji=1/aij。若两个因素之间有明确的计算结果，则aij取该计算值。

2.2 层次单排序和一致性检验

对于每一个判断矩阵A，对应特征方程：

AW=λW

(1)

求解特征方程(1)，得特征向量并归一化后，该向量即可认为是同一层次各因素以上次因素为准则时，作比较之后的重要性尺度。该过程即为层次单排序过程。鉴于主体的差异性，层次单排序结果也会不同，有时甚至前后差别较大。因此，对每一层的单排序结果再进行一致性检验就显得很有必要。

一般通过计算一致性比例C.R.来进行一致性检验，定义：

(2)

(3)

式中C.I.——一致性比例；R.I.——平均随机一致性指标；λmax——特征方程的最大特征根；n——判断矩阵A的阶数。

平均随机一致性指标R.I.取值见表2。

表2 平均随机一致性指标取值表

若计算结果C.R.<0.1，则可认为该层次单排序的结果获得满意的一致性评价，否则需要调整A的取值，重新验算，直至满足要求。

2.3 层次总排序和一致性检验

ak=Bkak-1

(4)

对于第k层中元素相对于总目标的排序向量ak，一般有：

ak=BkBk-1…B3a2，3≤k≤h

(5)

式中α2——第二层因素相对于总目标的排序向量；h——层数。

(6)

一般认为当C.Rk<0.1时，该评价模型在第k层通过了局部一致性检验。若检验过程一直进行到第h层，均有C.Rh<0.1，则可认为该模型总体满足了一致性检验，所采用的A矩阵合理，层次总排序向量W=ah可信，可以用来作为排序使用。

3 应用层次分析法决策上海新泽220 kV变电站非开挖进线工程

3.1 工程概述

220 kV新泽站进线非开挖段地理示意图如图2所示。

图2 220 kV新泽站进线非开挖段地理示意图

220 kV新泽站进线沿沪青平公路路南侧敷设，在薛家桥段，路径夏阳徐家浜河，进线AB点直线距离196 m，河深3.8 m。

3.2 建立评价方案的层次结构模型

结合该工程实际和图1所示的层次结构模型，定义上海新泽220 kV变电站非开挖电力排管工程施工方案为目标层。

考虑到地形地貌地质情况、水文以及当地的经济交通社会等方面因素，准则层由非开挖长度、埋深、地质水文条件、后期运维、施工成本和施工工期这6个因素组成[3-4]。

方案层由水平定向钻进法、土压平衡式机械顶管法、土压平衡盾构法这3个因素构成。

因此，建立上海新泽220 kV变电站非开挖进线(电缆)工程的层次结构模型如图3所示。

图3 220 kV新泽站进线非开挖层次结构模型

3.3 构造判断矩阵

根据图2的层次模型构建判断矩阵。已目标层A为准则，B层各因素在准则A之下的重要性以B1，B2，B3，B4，B5，B6表示相对应权重，可得到一个6×6的判断矩阵P。再以B层中每一个元素为准则，可得到方案层C层的判断矩阵，对应方案层由3个元素构成，上一层B层包含6个元素，可以得到6个3×3的判断矩阵Q,Q=(Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6)。

首先对于判断矩阵P，对非开挖长度、埋深、地质水文条件、后期运维、施工成本和施工工期这6个因素进行分析。地质水文条件和后期运维这两个因素对于方案的选择权重大，因为这两个条件直接决定了方案的可行性；非开挖长度、埋深对方案的选择影响一般，当前技术水平以及现场条件都可以实现，代价是时间和经济成本；施工成本和施工工期在合理范围内可以适当调整以满足方案要求，故属于较小的影响。因此，判断矩阵P可列写为

考虑到该工程非开挖段要穿越河流，结合3种施工方案的技术路线，经过两两比较的判断矩阵定义：

(8)

通过对河床底部淤泥的初步勘察，土质层深：

(9)

再对及河岸规划区域土层的取样分析，发现该区域土质属于粉质粘土，非开挖区域上方有天然景景观河，从生态角度和文化、环境角度对方案进行两两对比，得到判断矩阵：

(10)

按照《规程》规定，电力电缆敷设必须满足运维检修，根据这一要求对方案进行两两对比，得到判断矩阵：

(11)

根据该工程段实际情况，结合3种施工方案具体施工方法，两两比较得到判断矩阵：

(12)

结合工期要求及3种方案的施工方法、进度和受外界影响程度，两两比较得到判断矩阵：

(13)

至此，用于层次分析法的所有判断矩阵均以得到。

3.4 层次排序与一致性检验

建立完判断矩阵，需要对层次结构进行排序和一致性检验。目前层次分析法的求解方法主要有特征向量法、最小二乘法、对数最小二乘法、最小偏差法等。

本文运用特征向量法进行层次分析法求解。首先进行层次单排序和一致性检验，判断矩阵P、Q的计算结果见表3。

通过表3可以看出，所有矩阵的单层次排序C.R.值均小于0.1，满足一致性检验。

根据式(5)计算方案层相对于总目标层的排序向量：

表3 准则层一致性检验结果

(14)

再根据式(6)对层次总排序进行一致性检验，经计算，得到第3层总排序的一致性检验：

C.I.3=0.008

(15)

最终得到3个方案的最终排序(见表4)。

表4 三种非开挖方法的排序和权重

分层分析法的最后结果表明，考虑非开挖长度、埋深、地质水文条件、后期运维、施工成本和施工工期这6个因素，上海新泽220 kV变电站非开挖电力排管工程施工采用最优施工方案依次是水平定向钻进法、水平平衡盾构法和土压平衡式机械顶管法。

4 结语

上海新泽220 kV变电站进线非开挖电力排管工程于2020年4月正式开始施工，采用水平定向钻进法进行施工，并于2020年10月顺利完工。由此可以看到，最终施工方案的选取和本文采用层次分析法得到的结论一致。

由于层次分析法受主体影响，不同的主体，即使同一的层次结构图，构建的判断矩阵也会有区别。因此制定矩阵的专家要集思广益，力求做到准确、全面。