寧向可 于慶增

摘要：抽水蓄能電站大型施工機械設(shè)備選型存在影響因素復雜、評價標準單一等問題。通過調(diào)研機械設(shè)備適用的地質(zhì)條件、施工條件等因素，采用關(guān)鍵成功因素法制定了抽水蓄能電站地下隧洞機械設(shè)備選型評判指標體系，利用層次分析法確定指標權(quán)重，建立了基于模糊綜合評判法的抽水蓄能電站地下隧洞開挖機械施工設(shè)備選型方法，對抽水蓄能電站交通洞、尾水洞、排水廊道、泄洪排沙洞、施工支洞、引水上平洞分別進行設(shè)備選型。選型結(jié)果表明：硬巖隧道掘進機適用于抽水蓄能電站地下洞室施工，進一步驗證了選型方法的可靠性。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站; 施工機械設(shè)備; 模糊綜合評判法; 硬巖隧道掘進機

中圖法分類號：TV743文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.05.017

文章編號：1006 - 0081（2022）05 - 0094 - 05

0 引 言

隨著中國新能源的迅速發(fā)展，需要加速抽水蓄能電站建設(shè)[1]。中國國內(nèi)從20世紀60年代末開始抽水蓄能電站建設(shè)，經(jīng)過五六十年的發(fā)展，裝機功率達到60 000 MW左右，預(yù)計2025年將達到約90 000 MW。抽水蓄能電站地下隧洞群規(guī)模大、項目多，其相應(yīng)的開挖機械設(shè)備種類復雜?？傮w來說，抽水蓄能電站地下隧洞開挖機械設(shè)備先后經(jīng)歷了風動鉆機、潛孔鉆機、多臂臺車等階段[2-3]。在其他地下施工領(lǐng)域，懸臂掘進機、盾構(gòu)機、硬巖隧道掘進機（Tunnel Boring Machine以下簡稱“TBM”）等設(shè)備應(yīng)用廣泛，特別是TBM在鐵路、公路、水利、城市地鐵等工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用[4-6]。

面對多種地下隧洞開挖機械設(shè)備，抽水蓄能電站地下隧洞開挖不僅要考慮地下隧洞開挖主要機械設(shè)備的特征，還要綜合考慮抽水蓄能電站地下隧洞地質(zhì)條件、施工條件、工程條件、施工管理以及社會效益等指標。很多指標量化困難，無法形成有效、可靠的適用于抽水蓄能電站地下隧洞開挖的主要機械設(shè)備選型方法[7-8]。

模糊綜合評價法是采用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€總體評價，能較好地解決難以量化的問題。劉洋等[9]針對采空區(qū)頻繁出現(xiàn)大規(guī)模失穩(wěn)難以量化的問題，提出了一種模糊評價的失穩(wěn)預(yù)測模型;王雪等[10]針對浙江省大中型水庫標準化管理創(chuàng)建驗收中存在的難以量化的問題，建立了水庫標準化管理模糊綜合評判決策的數(shù)學模型;田松峰等[11]選用模糊綜合評判法對發(fā)電設(shè)備的可靠性狀態(tài)進行評價;實踐證明模糊綜合評判法適合解決影響因素復雜、評價標準模糊的工程問題。

在抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設(shè)備的選型中，由于影響因素的復雜性、評價標準的模糊性等一系列問題，很多影響大型機械設(shè)備選型的因素之間不能很好地進行量化，其描述也多用模糊性語言來表達，很難用經(jīng)典數(shù)學模型統(tǒng)一量度。為了解決此問題，本文建立了基于模糊綜合評價法的抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設(shè)備的選型方法。

1 模糊評價數(shù)學模型

1.1 評判因素集

根據(jù)影響單個事件的影響因素，組成因素集U={u1，u2，u3，…，un}，這些因素集分別對應(yīng)抽水蓄能電站地質(zhì)條件、施工條件、工程條件、施工管理和社會效益等指標集，然后根據(jù)實際情況，確定這些類別各自的因素集。

1.2 評判集

根據(jù)被評判的綜合指標體系，建立合適的評判集。如果被評判的因素u有v1，v2，v3，…，vm種評判（m為有限值），則可確定評判集V={v1，v2，v3，…，vm}，其中每種評判對應(yīng)一個模糊子集。

1.3 單因素評判方式

在給定的評判集基礎(chǔ)上建立U→V的模糊映射f：

1.4 評判因素權(quán)重

在抽水蓄能電站地質(zhì)條件、施工條件、工程條件、施工管理和社會效益等被評價的指標集合中，如u1，u2，u3，…，un，其排名不同，不同類別因子對總體的影響也各不相同。在這種情況下，需要確定每個因子對總體的影響程度，即權(quán)重。

根據(jù)所構(gòu)建指標體系中各指標的重要程度，結(jié)合抽水蓄能電站地下隧洞地質(zhì)條件、施工條件、工程條件、施工管理以及社會效益，構(gòu)建模塊層和指標層判斷矩陣，以此為基礎(chǔ)計算各個指標權(quán)重，并進行檢驗，各指標總權(quán)重計算公式為

在對抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設(shè)備與限制性條件綜合分析后，對地下隧洞開挖主要機械設(shè)備選型結(jié)果進行劃分。采用模糊評判指數(shù)B定量描述抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設(shè)備選型評價結(jié)果及分類情況，可分為不適宜（B<0.5）、基本適宜（0.5≤B<0.8）、適宜（0.8≤ B ≤1.0）3類。

2 模糊綜合評判指標體系和指標權(quán)重

要實現(xiàn)抽水蓄能電站機械設(shè)備的科學合理選型就需要建立1套完備的指標體系。根據(jù)抽水蓄能電站機械設(shè)備指標體系的構(gòu)建原則，結(jié)合工程技術(shù)人員、專家的意見和現(xiàn)有研究的分析，建立了比較完善的選型指標體系，選型指標的選取必須能夠切實反映機械設(shè)備的選型過程。

（1） 建立了抽水蓄能電站地下隧洞機械設(shè)備選型指標的層次結(jié)構(gòu)。一級模塊為5項，分別是地質(zhì)條件、施工條件、工程條件、施工管理和社會效益;二級指標為圍巖類別、巖石單軸飽和抗壓強度、巖石磨蝕指數(shù)、巖石質(zhì)量指標等24項。

（2） 采用專家打分法對構(gòu)建的判斷矩陣進行打分，先后邀請了10名水利水電工程專家、5名地質(zhì)工程專家、5名機械工程專家、15名中國水利水電第三工程局管理人員、35名中國水利水電第三工程局施工人員，共70人填寫了專家打分表。為消除各行業(yè)人員因?qū)I(yè)背景不同產(chǎn)生的主觀傾向性，根據(jù)其對抽水蓄能電站地下隧洞機械設(shè)備的了解程度，進行了不同權(quán)重系數(shù)的設(shè)定，并采用盡量擴大樣本數(shù)量的方式來消除專家主觀傾向性。抽水蓄能電站地下隧洞機械設(shè)備選型指標的5項一級模塊和24項二級模塊的權(quán)重值見表1，更適用于多個抽蓄電站接續(xù)施工的情況。

3 工程應(yīng)用

山東文登抽水蓄能電站地下洞室群包括進廠交通洞、通風安全洞、引水隧洞、排水廊道、尾水隧洞、自流排水洞、泄洪排沙洞和施工支洞等，數(shù)量多達近百條;各洞室長度不一，開挖橫斷面3～12 m不等，隧洞長度相對較短，一般在1～2 km。抽水蓄能電站主要洞室特性見表2。抽水蓄能電站地下洞室群開挖設(shè)備方面，風動鉆機、懸臂掘進機、多臂臺車、TBM掘進機等地下隧洞開挖設(shè)備特性見表3。

本文對文登抽水蓄能電站地下洞室群開挖設(shè)備進行選型。該電站發(fā)電水頭高，輸水發(fā)電系統(tǒng)洞室群深埋于地下，地下洞室總長度約30 km。依據(jù)模糊綜合評判法對機械設(shè)備進行打分評判，評判結(jié)果見表4。由表4可知，TBM掘進機非常適宜排水廊道工程，較適宜交通洞、尾水洞和自流排水洞工程。

文登抽水蓄能電站上、中、下3層排水廊道總長2.4 km，圍巖以Ⅱ～Ⅲ類花崗巖為主，單軸飽和抗壓強度為140～200 MPa，采用模糊評價法對風動鉆機、多臂鑿巖臺車、懸臂掘進機、TBM掘進機進行綜合評價，TBM掘進機評價結(jié)果為適宜。該項目首次采用?3 530 mm的超小半徑轉(zhuǎn)彎TBM施工，TBM掘進過程中平均進尺每月約300 m，施工人員減少10人，工期節(jié)省兩個月以上，施工管理難度降低。同時，TBM法施工洞壁光滑，擾動小，成洞質(zhì)量遠高于鉆爆法。TBM法與傳統(tǒng)風動鉆機/多臂臺車在施工管理方面的對比見表5，TBM工法在施工進度、安全、質(zhì)量、工期、作業(yè)環(huán)境等方面具有優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

抽水蓄能電站地下洞室開挖機械設(shè)備選型結(jié)果直接關(guān)系到電站運營的安全和投產(chǎn)效率，建立適應(yīng)抽水蓄能電站地下洞室開挖機械設(shè)備選型方法至關(guān)重要。抽水蓄能電站機械設(shè)備的科學合理選型是一個點多面廣、結(jié)構(gòu)復雜、聯(lián)系緊密的復雜過程，采用模糊綜合評判法能夠?qū)Τ樗钅茈娬静煌词疫M行科學選型。

本文通過采用模糊綜合評價法對山東文登抽水蓄能電站排水廊道機械設(shè)備進行選型，結(jié)果表明：TBM掘進機模糊綜合評價得分最高，TBM工法在施工進度、安全、質(zhì)量、工期、作業(yè)環(huán)境等方面具有優(yōu)勢?；谀：C合評價法的抽水蓄能電站地下隧洞開挖主要機械設(shè)備的選型方法具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強的特點，把傳統(tǒng)定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價，較好地解決了選型標準模糊、難以量化的問題。

參考文獻：

[1] 呂永航.抽水蓄能電站TBM開挖解決方案研究[J].建設(shè)監(jiān)理，2020（3）：80-82.

[2] C.斯托克斯，劉建龍.智利等國部分地下工程建設(shè)的最新進展[J].水利水電快報，2014，35（12）：11-12，16.

[3] 張軍，李守巨，寧忠立，等.抽水蓄能電站引水斜井開挖采用TBM施工的研究[J].水電與抽水蓄能，2018，4（2）：1-7.

[4] 荊留杰，張娜，楊晨. TBM及其施工技術(shù)在中國的發(fā)展及趨勢[J]. 隧道建設(shè)，2016，36 （3）：331-337.

[5] 嚴金秀.大埋深特長山嶺隧道技術(shù)挑戰(zhàn)及對策[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018，55（3）：1-5.

[6] 李建斌.TBM構(gòu)造與應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2019.

[7] 黃俊閣.高磨蝕性硬巖地段敞開式TBM掘進參數(shù)優(yōu)化和適應(yīng)性研究[J].水利水電技術(shù)，2017，48（8）：90-95

[8] 王洪玉，劉金祥，荊岫巖，等.抽水蓄能電站地下洞室開挖設(shè)備選型及TBM技術(shù)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2021（6）：148-152，158.

[9] 劉洋，李克鋼，李明亮，等.基于AHP-模糊評價的采空區(qū)穩(wěn)定性研究[J].有色金屬工程，2020，10（11）：114-119.

[10] 王雪，方春暉.基于模糊理論的浙江省水庫標準化管理綜合評判[J].水電能源科學，2020，38（11）：90-93.

[11] 田松峰，魏言，王傲男，等.基于改進LSSVM和模糊綜合評判法的設(shè)備可靠性狀態(tài)評價[J].武漢大學學報（工學版），2020，53（3）：255-260.

（編輯：李 晗）

Research on selection method of construction machinery for pumped storage power station based on Fuzzy Evaluation Method

NING Xiangke，YU Qingzeng

（China Railway Engineering Equipment Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： To solve the complexity of influencing factors and single evaluation standard in reasonable selection of large mechanical equipment for construction pumped storage power station， by investigating the geological conditions and construction conditions suitable for construction machinery equipment， the key success factor method is used to establish the evaluation index system of constructio machinery selection for underground tunnel of pumped storage power station. Analytic hierarchy process method is used to determine the index weight. The machinery selection method for underground tunnel excavation of pumped storage power station is established based on fuzzy comprehensive evaluation method and the construction equipment for access tunnel， tailrace tunnel， drainage gallery， flood and sediment discharge tunnel， construction adit and upper horizontal tunnel is selected respectively. The results show that hard rock TBM is suitable for the construction of underground cavern of pumped storage power station. The reliability of the selection method is further verified.

Key words： pumped storage power station; construction machinery; fuzzy comprehensive evaluation method; hard rock TBM

收稿日期：2021-11-01

作者簡介：寧向可，高級工程師，碩士，主要從事隧道工程裝備開發(fā)工作。E-mail：ningxiangke@crectbm.com