公路工程深挖路堑与中短隧道方案可替代性的分析与研究

目录目录中文摘要..........................................................................................................................................I英文摘要.......................................................................................................................................III1绪论...........................................................................................................................................11.1研究背景及研究意义................................................................................................................11.1.1选题背景.............................................................................................................................11.1.2本研究意义.........................................................................................................................21.2工程方案优选国内外研究现状...............................................................................................31.3本文研究的内容及技术路线...................................................................................................51.3.1本文研究内容.....................................................................................................................51.3.2本文的技术路线.................................................................................................................62深挖路堑方案与中短隧道方案.....................................................................................92.1深挖路堑方案的特点和施工方法............................................................................................92.1.1深挖路堑方案的特点.........................................................................................................92.1.2深挖路堑方案的施工方法...............................................................................................102.2中短隧道方案的特点和施工方法.........................................................................................132.2.1中短隧道方案的特点.......................................................................................................132.2.2中短隧道方案施工方法...................................................................................................142.3深挖路堑方案和隧道方案各自存在的问题..........................................................................152.3.1深挖路堑方案存在的问题...............................................................................................152.3.2中短隧道方案存在的问题...............................................................................................232.4本章小结.................................................................................................................................243深挖路堑与中短隧道可替代方案优选方法........................................................253.1深挖路堑方案与中短隧道方案经济可行性比较.................................................................253.2深挖路堑与中短隧道方案优选中环境价值问题..................................................................283.2.1生态环境价值构成..........................................................................................................293.2.2生态环境价值估算方法..................................................................................................293.2.3深挖路堑与中短隧道方案优选中环境价值估算..........................................................303.3考虑生态环境价值深挖路堑与中短隧道优选方法..............................................................323.3.1模糊综合评判法..............................................................................................................323.3.2层次分析法确定指标权重..............................................................................................363.3.3最小环境成本法..............................................................................................................42V 重庆大学硕士学位论文3.4本章小结.................................................................................................................................434工程实例分析......................................................................................................................454.1实例项目背景.........................................................................................................................454.2模糊综合评判法在实例中的应用.........................................................................................474.2.1深挖路堑与中短隧道可替代方案评选指标选取的基本原则.......................................484.2.2模糊综合评判模型的建立...............................................................................................494.2.3指标权重的确定...............................................................................................................524.2.4指标隶属度的确定..........................................................................................................584.2.5模糊综合评判...................................................................................................................624.2.6结果比较...........................................................................................................................664.3最小环境成本法在实例中的应用.........................................................................................664.4本章小结.................................................................................................................................695结论与展望............................................................................................................................715.1结论.........................................................................................................................................715.2展望.........................................................................................................................................72致谢......................................................................................................................................73参考文献......................................................................................................................................75附录......................................................................................................................................83A.作者在攻读学位期间参与科研项目目录................................................................................83VI 1绪论1绪论1.1研究背景及研究意义1.1.1选题背景公路工程建设伴随着人类社会的发展，公路是联接城市之间的纽带，自古以来公路工程的发展和地方经济建设的发展是紧密相关的，我国一直以来也十分注重公路工程建设。1906年中国第一条公路——广西镇南关至龙州间公路问世，自[2]此揭开了中国公路发展的历史。自1949年新中国建国以来，尤其是1980年改革开放以后，中国公路建设的发展可谓是日新月异，同时也取得了非常巨大的成就，到目前为止我国公路总里程数已经达了386万多公里，其中高速公路总里程6.5万多公里，在全世界排名仅次于美国居第二位，根据有关专家的预测，到2020年我国的公路总长度量将会超[2]过600万公里；另外在货运量方面公路运输要占到总运输量的94%以上，在客运量方面公路运输占到总运输量的75%以上，由此可见公路建设的发展对国民经济建设发展的基础性和重要性。中国是一个多山的国家，其中山地占全国陆地总面积的比重为51.9%，高平丘[1]陵占全国陆地总面积的11.7%，由此可见山丘面积占中国陆地总面积的2/3左右。1999年国家党中央为了加快中西部地区经济的发展，促进东西部地区的交流，实施了西部大开发战略；“十一五”期间国家交通部又提出了“十三纵十五横”的公路建[2]设规划，规划建设公路7.3万公里，其中西部地区的公路建设里程3.8万公里，占到了总数目的一半以上，由此可见国家对西北地区公路发展的重视程度，然而西部地区以山区丘陵居多，因此西部公路建设必然面临着大量的高山深壑，与平原地区公路工程相比，山区公路工程建设有着更高的要求。西部山区地貌复杂，有着其独特的地形、地质、水文和环境条件，由于其特殊性山区生态环境极易受到破坏，而且山体受到破坏后的恢复能力非常差。在公路工程发展的早期，人们只注重工程造价对工程建设方案的影响，在“经济思维”的惯性影响下“填挖平衡、纵向利用、降低造价”是当时山区公路建设的主要设计理念，随着时间的推移早期山区公路工程建设所带来的安全稳定和环境问题已经愈发突出。水土流失、植被破坏甚至大面积的山体滑坡和塌方，早期低等级公路建设遗留问题引发的灾害事后处理大大增加了工程维护的难度和二次投入，阻塞交通，甚至可能造成人员伤亡。随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们越来越注重保护生态环境的重要性，尤其是中国公路可持续发展观点的提出之后，公路工程建设的设计理论和1 重庆大学硕士学位论文设计理念越来越多的考虑了公路工程建设对生态环境的影响，尤其是对于生态环境相对比较脆弱的山区公路工程。山区公路选线要依托地形从整体线路来考虑，在满足山区公路的功能要求的前提下应该尽量避开高山深壑，以此来降低工程造价和施工难度，公路选线是公路工程建设的第一步，也是至关重要的一步，然而在公路路线方案基本确定的情况下，局部的重要路段通过施工方案的合理选择，对建设效果的影响也非常重大。为了加强城市与乡镇之间的联系，西部公路建设必然会穿越很多山岭和深谷，然而山区存在着复杂的地质地貌单元，为了保持整体线路的协调性有时不可避免公路从山体中间穿过，受到公路选线和地形的不同角度考虑，穿越山体的方式主要有路堑和隧道，为了避免工程地质灾害的发生，保证公路后期运营期间的通畅与安全，最大限度的保护环境和降低建设投资资本和后期运营成本，如何选择合理的选择一个安全可靠、经济合理的穿越山方式，才能更好的满足公路的需求，各种施工方案的优选对比就因此就应运而生了，到目前为止许多的专家和学者对隧道与路堑的可替代性进行了大量的研究与分析，但是在可替代方案的优化选择的分析当中还没有形成切实可行的理论依据。1.1.2本研究意义伴随着我国经济的快速发展，西南山区高等级公路也取得了日新月异的变化，然而穿越山地丘陵的高等级公路受到整体路线选址的限制就不可避免的出现大量的深挖路堑，然而深挖路堑形成的高边坡给日后的治理留下了很大的难度，生态环境破坏和水土大量流失，同时也给日常人们的出行留下了安全隐患。以重庆公路为例，重庆万州到梁平段的高速公路，全程有20多千米选线在砂岩和泥岩的顺倾斜地段，整个工程施工过程中形成了20多处滑坡，滑坡处理使得工程的造价增[16]加了将近2亿元，由此可见深挖路堑不仅对生态环境造成了很大的影响，造成大量的水土流失，同时遗留了大量的安全隐患，一旦造成滑坡塌方，将会大大的增加工程的二次造价投入。图1.1山体滑坡Fig1.1Landslides2 1绪论工程可替代方案指工程在满足某一目标的前提下，有着不同的实现方式，即[19]满足同一个功能要求的不同实现方案之间的比选。工程可替代方案的优选一般是在可量化的基础之上进行的理性的比选。然而要全面综合的考虑山区公路中隧道与路堑可替代方案的优选，必须从经济性、技术、生态和环境四个方面来综合的评价分析评价方案的优越性，但是除了直接的经济性指标可以完全量化以外，其他三个方面都很难客观的转化为可以完全量化的角度进行分析比较，所以应该找到一个合理的方法，能从经济性指标，技术性指标，环境性指标和生态性指标四个方面综合考虑隧道与路堑方案的优越性，通过分析比较能够得到一个较为科学合理的施工方案。模糊综合评判法（FuzzyComprehensiveEvaluation）是在模糊数学的基础之上，根据模糊关系合成的基本原理，把一些边界不够清晰，不易量化的因素进行量化，[32]然后进行综合评价的一种方案。层次分析法（AHP）能够将一些多影响指标的非定量的问题进行定量的分析，它首先将评价指标进行有层次的结构分组，然后通过两两比较的方式来确定每个指标的重要程度，统计多人的判断结果以此来决[29]定评价指标的相对重要程度，层次分析法是认为主观判断的客观描述。最小环[43]境成本法，把生态环境作为第一要素考虑进行工程方案的优选。公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选是一个多因素的综合性分析过程，本文将重点考虑生态环境价值，综合所有影响指标对工程方案优选的影响。模糊综合评判法和层次分析法可以进行多因素方案优选问题，同时是一个定性与定量相结合的分析过程，非常的适合本文的研究思路，所以本文首先应用模糊综合评价法和层次分析将深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选评价因素中技术指标，环境指标和生态指标中那些不易量化的影响因素进行量化分析，希望通过综合的分析和研究能够得到一个清晰的结果，选择出一个较好的施工方案。随着社会的不断发展，公路的等级要求也随之升高，伴随的是人们对安全和环境保护的要求，如何在可以优选替代的方案中选择更加安全、可靠和环保的方案已经迫在眉睫，希望通过本文的研究能够为今后公路在深挖路堑与中短隧道方案之间的方案优选提供一定的理论参考。1.2工程方案优选国内外研究现状由于设计者之间的差异，考虑的因素也往往存在差异，所以不同的设计者根据彼此认识的不同针对一个工程会设计出不同的方案，施工方案优选的基本含义就是在可以备选的方案之中选择出一个相对造价低，较安全，对周围生态环境影响相对较小的施工方案。随着施工方案优选的发展，经历了早期的单凭一个或者几个专家的经验评选之后，随着数学方法在各个领域的发展和应用，施工方案优3 重庆大学硕士学位论文选的定量分析问题渐渐的取得一定的理论基础。经过大量的学者和专家的分析和研究，到目前为止最常用的施工方案优选方法主要有以下几种。（1）定性分析法定性分析法主要是根据设计人员和施工人员的施工经验，评价分析各个备选方案的优势和劣势，结合具体工程的特点，根据少数服从多数的基本原则，以此来确定较为优势的施工方案。由于这种方法简单易行，而且非常容易掌握，所以即使在计算机高度发达的今天这种方法在很多领域依然还在使用。（2）综合评价法施工方案综合评价法主要是考虑施工方案的工程造价问题，单纯的以经济性指标为出发点，分析每一个备选方案的综合造价建立起一个系统模型，通过分析比较每个方案的盈亏问题，以此来确定每一个备选方案的经济性指标范围，以节约工程造价为主要目标，根据每个方案的工程造价高低来优选施工方案。（3）运筹学优选法十九世纪四十年代，前苏联数学教学L.V.Kantorovich提出了线性规划的概念，随着数学的法发展，数学手段被越来越多的应用于具体的工程和管理当中。运筹学优选法就是用数学的方法来处理具体的工程实例，根据所有备选方案和工程的具体情况分析，通过量化过程建立相应的数学模型进行计算和分析，最后根据求得的模型最优解所对应的施工方案即为最优方案。（4）专家系统优选法专家系统优选法是伴随着计算机技术的发展才出现的，首先通过搜集各个领域专家的知识和经验，通过人工编程的形式将这些资料输入计算机，通过计算机编程建立一个优选程序，利用计算机模拟专家进行方案的优选。由于计算机可以存储大量的专家的知识和经验，所以比起人为的专家评判要全面一下。（5）模糊优选法施工方案的优选所涉及的内容一般都较为广泛，而且存在着很多的不可以量化和很大的模糊性，为了保证方案优选的科学性，单纯的采用运筹学方法来解决施工方案的优选早已经显得捉襟见肘。二十世纪七十年代美国著名的运筹学专家撒丁教授（T.L.Saaty）提出了层次分析法（APH）的基本概念，层次分析法是一个多准则、多目标的决策处理流程理论和方法，根据具体方案的影响指标对方案选择的影响程度建立一个或者多个的层次性结构，能够化繁为简，综合分析所有的影响因素的权重，根据最终权重的大小进行方案优选。本文重点考虑生态环境因素对深挖路堑与中短隧道可替代方案优选的影响，首先通过模糊层次分析法展开分析与研究的。通过建立层次结构模型，综合所有4 1绪论影响方案选择的评价指标（包括经济指标、技术指标、环境指标和生态指标）进行分析比较，最后得到一个较为科学合理的施工方案。1.3本文研究的内容及技术路线中国经历了单纯的考虑经济性指标的低等级公路时代，由于过度的注重节约工程造价只注重眼前利益往往忽略了工程对生态环境的破坏和工程遗留下来的长期稳定问题，随着时间的推移遗留问题慢慢显现，许多边坡失稳带来的巨大的经济损失和人员伤亡，同时也给当地的生态景观造成了极大的破坏，随着公路等级的提高，低等级公路时期遗留的问题需要投入大量的人力物力进行整改，在一定程度上大大加大了工程的投入和施工难度。山区公路工程采用挖隧道和深挖路堑穿山各有其优缺点，并不能一概而论，隧道和路堑方案的选择应该根据具体的工程情况而定，充分考虑山体的围岩特性、水文地质条件、生态环境等来具体情况来选择工程方案。虽然很多专家已经提出了很多种比选的方法但是基本的理论支持还不太完善。1.3.1本文研究内容本文主要针对山区公路深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选问题，首先从基本的定义出发介绍了深挖路堑与短隧道的各自特点，根据方案自身的特点依据系统性、目标性、可操作性、科学性、代表性和简洁性基本原则，选取方案优选的基本评价指标：经济指标、技术指标、环境指标和生态指标。根据公路工程的基本特点，在所选的四个评价指标当中只有经济指标是完全可以客观量化的数据，通过具体工程的分析比较，在单纯的只考虑经济指标影响的条件下建立方程，得出深挖路堑与短隧道基本造价相等的临界值H0，单纯的考虑节约工程造价时，当路堑挖方深度小于临界值H0的时候，应该采用挖路堑的方式穿山，当路堑挖方深度大于临界值H0的时候应该采用隧道的方式穿山。然而公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选是一个全面的综合评价过程，单纯的只考虑经济指标对方案优选的影响，而忽略工程对生态环境的影响是过于简单和片面的，也不符合高等级公路发展的基本理念。为了全面综合的分析和研究在条件对等的条件下工程方案的优选问题，重点考虑工程建设对生态环境的影响，本文首先采用了模糊综合评判法和层次分析法根据评价指标下层评价因素的基本情况，建立判断矩阵，根据层次分析法确定各指标的权重，然后通过专家评分法确定指标的隶属度，最后通过一级综合评判和二级综合评判得到了两个方案的最后评价数值，通过最后评价数值大小进行方案优选。然后通过生态环境货币化，把生态环境模糊问题转化成货币单位参与方案优选，根据权重比例，把生态环境作为第一要素，通过最小环境成本法得到了两个方案的评价成本，根5 重庆大学硕士学位论文据评价成本大小选取最优方案。1.3.2本文的技术路线关于山区公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选问题，许多的学者和专家已经多了大量的研究和分析，同时也积累了大量的经验和数据资料，根据以往研究的经验和资料分析，选取了经济指标、技术指标、环境指标和生态指标四大指标进行深挖路堑与中短隧道方案的优选评价。工程造价经济指标维护费用施工难易程度结构稳定性技术指标安全可靠性工程方案实施的可靠程度与路线的整体协调性取弃土场设置的影响隧道与路堑综合评价因素噪声污染环境指标对农作物的影响水环境污染对动植物栖息地的影响植被破坏生态指标工程占地水土流失的影响图1.2深挖路堑与中短隧道的综合评价因素Fig1.2Comprehensiveevaluationfactorsofdeepcuttingandshorttunnel参照以往的经验和资料，本文首先以模糊数学的基本概念为理论支撑，从山区公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案优选的经济指标，技术指标、环境指标和生态指标四个方面出发，通过全面综合的模糊比较，得到较优方案，同时通过生态环境货币化，解决了生态环境模糊难以量化的难题，把深挖路堑与隧道工程建设对生态环境的影响转化为统一的货币形式，以生态环境货币量化单位与工程造价的权重比组成最后的评价成本，通过评价成本的高低确定较优的工程方案。通过两种方法的方案比较，希望能够为得到一个科学合理的施工方案提供一定的理论基础和可行性依据。本文的主要研究思路与技术路线见图1.3。6 1绪论查阅文献，总结分析已有的研究成果选题：公路工程深挖路堑与中短隧选题背景研究意义道方案可替代性的分析与研究参考文献深挖路堑的基本特点深挖路堑与短隧道的基本特点分析中短隧道的基本特点深挖路堑与中短隧道方案优选方法最小环境成本法模糊综合评判法法生工经技环生态程济术境态环造指指指指境价标标标标价值实例分析验证（重庆金山大道西延段花沟隧道为例）结论和展望1.2本文的研究思路与技术路线Fig1.2Theresearchrouteofthedissertion7 重庆大学硕士学位论文8 2深挖路堑方案与中短隧道方案2深挖路堑方案与中短隧道方案低等级公路时期，公路工程挖填较少，少有的路堑开挖仅仅涉及到地表浅层的基本开挖，很少有较深的路堑开挖，深挖路堑是随着山地公路等级提高，路幅变宽，平曲线半径渐渐增大而逐渐得到应用的。隧道工程也是随着公路等级提高得到发展的，本文主要研究的是深挖路堑与隧道可替代方案优选问题，其中所涉及到的隧道主要界定为埋深较浅的中短隧道。2.1深挖路堑方案的特点和施工方法所谓路堑即当铺设轨道或者路面的路基低于天然地面时，以开挖的方式而构[17]成的路基，根据我国《公路路基设计手册》中的定义：①当土质、粗粒土和全风化的岩石路堑边坡挖深高度超过20米，②当黄土及黄土类的路堑边坡挖深高度超过30米，③当岩石路堑边坡挖深高度超过30米，以上形成的路堑都可以定义[6]为深挖路堑。图2.1路堑Fig2.1Cutting本文主要是重庆金山大道西延段花沟隧道为主要依托展开分析与研究的，根据重庆市的地质地貌和地质条件的特点，研究所涉及的主要是岩石深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选问题。2.1.1深挖路堑方案的特点①深挖路堑方案的工程挖方量一般较大，但是整个工程当中需要填方的地方一般远远小于挖方的数量，所以工程开挖过程中的弃石方量比较大，而且山岭地9 重庆大学硕士学位论文区受到交通路线的影响，同时弃石方地点的选择也受到地形的影响，这些客观因素无形之中在弃石方运输方面一定程度上增加了工程的造价。另外路堑开挖全部都是外部作业，并且工程施工的工期一般都比较长，所以受到雨季和外部环境的影响会比较大。②深挖路堑工程占用的土地量非常大，工程占地主要包括两个方面：挖方占地和弃方占地，其中挖方占地主要是指工程主体占地面积，弃石方占地主要是指多余的土石方丢弃放置所占用的土地面积，两部分加起来占地面积相当巨大，丢弃的土石方需要分层压实，如果压实不够均匀，非常容易引起严重的水土流失现象甚至诱发严重的地质灾害。③深挖路堑对自然景观破坏严重，深挖路堑一般是将山体从中间刨开，一分为二，公路从山体中间穿过，严重的破坏了山体的原有地质地貌，原先的绿化覆盖层受到了严重的破坏，在一定程度上破坏了原先自然山体的美观性。④深挖路堑必然伴随着高边坡的出现，高边坡的存在必然伴随着很多不稳定的因素与危险性的存在，为了保持高边坡的稳定性，需要人工结构加固，采取一定的加固措施才能维持边坡的稳定。如果处理不当容易诱发地质灾害，引起二次投资和交通事故；另外深挖路堑留下了光秃秃的石质边坡形成了一道灰色“景观”，[6]与周围的绿色山体显得格格不入，严重影响了视觉景观；随着生态路概念的提出，边坡复垦渐渐地得到了广泛的推广，然而岩石高边坡的植被复垦存在一定的难度，技术要求非常高，所以高边坡的后期维护与治理需要一定的经济投入，而且由于受到土层厚度的限制，植被复垦存在一定的难度。⑤深挖方路堑方案的设计与施工方法一般都比较简单，自上而下顺序开挖，比起隧道工程相对简单易行，但是在开挖的过程中容易引起空气粉尘污染，在开挖爆破和弃石方运输的过程中声音较大带来了噪声污染，给周围居民的生活和出行带来一定的影响。⑥深挖路堑的挖方土石可以用来作为公路低洼地区的填方原料，山区公路工程难免遇到深谷，有时需要填方造路堤，在合理的运输范围内，可以把开挖路堑的弃石方用作填方原料，在一定程度上节约了资源。2.1.2深挖路堑方案的施工方法深挖路堑方案施工工艺与一般的路堑施工工艺大体上是相似的，主要分为两步——路堑开挖和边坡支护。山区公路工程深路堑开挖一般的采用的是自上而下，分段分层露天深孔爆破开挖，分层开挖的厚度一般为5到6米（开挖顺序如图2.2[15]所示）。开挖的过程中及时做好边坡的支护工作，在路堑开挖的过程中破坏了原先山体的平衡，只有及时的支护才能够使得新形成的岩石坡体达到平衡状态而不出现坍塌，只有在保证上一级开挖边坡支护完成的前提下才能够进行下一级的10 2深挖路堑方案与中短隧道方案开挖。图2.2路堑开挖的基本顺序图Fig2.2Thebasicorderofcuttingexcavation山区公路深挖路堑地质条件比较复杂，而且深挖路堑的工程量较大，深挖路堑形成的边坡一般较高，开挖的过程中如果不做好充分的准备工作极易造成坍塌，带来一定的损失。施工前准备工作主要是指路堑开挖之前的地质勘察工作，只有经过了实地的勘测之后，才能根据勘测的数据资料详细的掌握工程的实际地质情况，设计出相应的施工方案，但是毕竟地质勘查工作具有一定的片面性，随着科学技术的发展越来越多的深挖路堑施工都采用信息化的施工方法，在路堑开挖的过程中，随着工程开展的实际地质构造的反馈情况，随时的动态的调整施工组织设计和施工方案，大大的提高了施工的进度，节约了工程造价，取得了不错的实际效果。另外在岩石深挖路堑的开挖过程中，首先要进行工程爆破，工程爆破应该由专门的持证人员进行，而且在爆破之前应该加强安全控制工作，严格按照施工的程序和规章制度施工，保证爆破危险区内没有工作人员之后方可进行爆破，避免造成人员伤亡，保证路堑开挖施工安全顺利的进行。[15]山区公路工程深挖路堑施工工艺的基本流程：11 重庆大学硕士学位论文施工前的准备工作现场测量放样不合格山体稳定性检查预加固施作截水沟和临时排水设施机械开挖运输边坡及路基面修整加固及防护不合格路基面检查预加固合格路堑形成碾压、整形图2.3深挖路堑施工工艺基本流程图Fig2.3Constructiontechnologybasicflowchartofdeepcutting深挖路堑施工的基本原则：①深挖路堑应该尽量减少降水对施工过程的影响，路堑开挖都是外部作业，如果在路堑开挖的过程中遇到了大量的降雨，随着雨水的渗入，会减小土体之间的内摩擦力，进一步可能会引起滑坡和泥石流等地质灾害，所以在开挖的过程中应该做好排水泄水工程，而且施工期应该尽可能避开雨季。②深挖路堑破坏了原来自然山体的平衡，而工程支护是建立新的平衡，路堑12 2深挖路堑方案与中短隧道方案开挖过后应该及时的做好支护，以免随着时间的推移，边坡失稳由小变大，诱发重大的地质灾害。③在路堑的开挖过程中，新形成的高边坡在自然力和重力的作用下会发生蠕动和松动，可能会逐渐产生变形，开挖过后应该做好边坡变形观测工作，以防止边坡突然倒塌。④山体在开挖之前受力平衡，路堑开挖过程中破坏了这种平衡，在施工的过程中可能会出现坍塌的现象，出现坍塌后应该及时治理，以免带来更大的经济损失和人员伤亡。2.2中短隧道方案的特点和施工方法[5]所谓隧道就是指一种修建在地层中的地下工程建筑物，按照其分类方式的不同可以分为很多种，根据本文所研究的内容是深挖路堑与隧道的可替代方案优选，所以界定了本文所涉及的主要是中短隧道。2.2.1中短隧道方案的特点由隧道按照长度分类表可知，按照长度分类，隧道一般可以分为四类：特长隧[27]道、长隧道、中隧道和短隧道，其中短隧道是指隧道总长度S小于等于1000m的隧道。表2.1隧道按照长度分类Table2.1Classificationaccordingtothetunnel’slength隧道类型特长隧道长隧道中隧道短隧道隧道长度S（米）S＞30003000≥S≥10001000＞S＞250S≤250中短隧道方案特点：①中短隧道工程方案在隧道开挖的过程中隧道周围围岩受到扰动，容易引起受力失衡造成坍塌，给施工带来了一定的困难，有的时候需要做超前支护或者前期注浆加固处理。②中短隧道工程方案容易引起工程主体上部地表沉降，工程主体工程受力比较复杂，为了弥补地层受力损失进而引起隧道围岩地层位移下降，另外在隧道开挖的过程中破坏了地下的储存“容器”，地下水位下降一定程度上也会引起地表沉降。③山区公路工程采用隧道穿山能够在很大程度上降低了穿山路线的高程，在一定程度上提高了车辆运行的安全性，而且隧道主体工程在建设完成之后，在公路的运营期间较为安全，一般不会带来较大的次生灾害。13 重庆大学硕士学位论文④相比于深挖路堑来说隧道的挖方数量和弃方数量将大大的减少，同时工程占地也只是隧道开挖的土石方占用相对较少的土地，同时也保留了隧道上部的植被覆盖层，相比于深挖路堑工程很大程度上叫上了对生态环境的影响程度。⑤隧道穿山方式避免了大面积的山体开挖，最大限度的保证了原先山体的生态资源，同时隧道的截面较小，不会形成大面积的灰色污染，与周围山清水秀的景象十分匹配。2.2.2中短隧道方案施工方法中短隧道是一种较为特殊的隧道，在设计和开挖的过程中不仅仅受到地下地质条件的限制和影响，而且同时还应该考虑地面表层覆盖层的制约性。山区公路工[27]程中短隧道按照施工工艺的不同可以分为明挖法、暗挖法和盾构法。①明挖法明挖法与深挖路堑方法类似，隧道明挖法也是将山体由上到下逐层开挖，待山体开挖完成以后，再修建隧道的主体工程，待隧道主体工程完工之后用将之前开挖的土石方覆盖在隧道主体之上。明挖法施工比较简单、安全、快捷，最重要的是能够较好的控制地下水位。明挖法施工岩土回填使得结构整体比较安全，回填土层通过人工种植绿化植被能够很快的恢复，对节约工程占地和保护生态环境有很大的优势，但是在开挖和放置挖除土方的过程当中对周围的环境影响很大。明挖法三种基本类型：先墙后拱法、先拱后墙法和墙体交替法。明挖法施工基本程序：围护结构施工内部土方开挖工程结构施工地下管线恢复及覆土②暗挖法按照施工工艺的不同暗挖法可以分为：传统矿山法、新奥法和浅埋暗法。1）传统矿山法隧道开挖的过程中，隧道主体围岩受到扰动，岩土体变得松动，为了防止岩土坍落，传统矿山法是以木构件或者钢构件作为临时支护或者应急支护，等隧道开挖形成以后，再将临时的支撑结构拆换下来，最后取而代之的是整体式的厚衬砌作为永久性支护的施工方法。在隧道发展的初期传统矿山法应用的比较多，随着隧道开挖技术的发展，这种开挖方式已经逐渐被淘汰了。2）新奥法新奥法是奥地利人L.v.Rabcewicz根据自己对隧道施工的经验而总结出来的一种方法，与传统的矿山法类似。只是支护结构换成了锚杆和喷射混凝土，通过复合衬砌把衬砌和围岩看做成一个整体，不仅使衬砌加固了围岩的承载力，而且也14 2深挖路堑方案与中短隧道方案使得围岩的自承能力得到了很好的发挥，同时通过量测围岩的变形对围岩进行二[16]次支护，相比于传统矿山法有了很大的提高。3）浅埋暗挖法浅埋暗挖法是在传统矿山法和新奥法基础上革新而成的一种全新的施工方法，是新奥法的沿用，它们的施工原理基本上相同。浅埋暗挖法对地面的建筑物和地下管线的影响较小，对周围环境影响小的有点，适用于距离地表较近挖深较浅的洞室开挖工程，同时也比较适用于山地公路工程中埋深较浅的中短隧道隧道工程的开挖。③盾构法盾构法是指通过计算机精确的控制盾构机械设备，在地下围岩中向前推进，一边防止土石崩塌，一边在其内部进行开挖和衬砌作用，以此来修建隧道的一种暗[16]挖方式。盾构法开挖隧道施工费用一般受埋深的影响较小，所以盾构法比较适用于埋深较深、路程较长的隧道工程，对于埋深较浅或者路程较短的隧道隧道工程其优越性远远低于浅埋暗挖法。2.3深挖路堑方案和隧道方案各自存在的问题2.3.1深挖路堑方案存在的问题中国公路工程发展初期，工程方案优选只简单的考虑工程造价的影响，没有从长远的利益出发，尤其是在深挖路堑与隧道方案优选中忽略了深挖路堑对生态环境造成的长期影响。同时又由于受到技术和认识上的限制，使得出现了地质勘查资料不够详细，设计不够合理，以至于在深挖路堑工程完工之后遗留看大量的安全隐患。深挖路堑高边坡产生了一系列的变形、滑坡、崩塌等地质灾害，在治理这些灾害的过程中又追加了二次工程费用的投资，而且可能造成严重的事故后果。①深挖路堑对生态环境的影响1）工程占地山区公路工程建设路堑开挖的过程中，挖方、填方和弃方都将要占用大量的土地，这样不但进一步减少我国本来就十分稀少的耕地资源或者植被面积，而且在一定程度上也增加了工程造价。根据有关专家和经验的计算得之，一般边坡高度为30米的深路堑边坡上部占地宽度在80～100米左右，每千米占地达到120～150亩，土石方的挖方数量达到每米1700立方米左右，每千米挖方数量高达170[4]万立方米。另外受到山区地形的影响，弃土场设置受到了的限制，数量如此巨大的挖方量，很难找到一个理想弃土场地。2）植被破坏15 重庆大学硕士学位论文山区公路深挖路堑在开挖的过程中，是将公路工程线路上的所有山体挖开，原先的植被覆盖层荡然无存，取而代之的是陡峭的岩石坡面，大面积灰色的岩石体裸露在外面，与周围的绿色环境极为不衬，造成了一定程度的“灰色污染”，在破坏了生态植被的同时也破坏了自然景观。大面积的开挖过后即使采取积极的恢复措施，但是由于山体自身岩体组成的特殊性，薄弱的覆盖层难以在短时间内恢复植被覆盖，大量的植物生长十分缓慢，单纯的靠自然条件来恢复植被覆盖更是难上加难，所以现在人们常常采用一些人工措施来恢复灰色坡面的植被覆盖，并且取得了一定的效果。3）水土流失山区公路工程在施工挖方过程中严重的破坏和改变了山体原来的地貌特征，地质条件不稳定形成了较为不稳定的陡峭坡面，在长期的受力过程中尤其是遇到强烈的降雨之后容易发生塌方和滑坡现象，造成原来山体大量的水土流失现象。另外弃土方的放置于堆积一般都比较松散，大量的堆积之后由于没有压实表层的覆盖层比较薄弱，经过雨水的冲刷之后也比较容易造成水土流失。4)动物栖息地的影响山区公路深挖路堑工程将原来的自然山体一份为二，改变了原先的自然地貌，形成了一个新的槽型通道，通过挖方形成的槽型通道大大的改变了动植物原先的生存环境，并在一定的程度上阻断了山里动植物之间物种的流通，物种的复杂性降低之后会影响生物链的稳定性，不利于生态平衡。②深挖路堑高边坡的失稳破坏形式山体开挖的过程中破坏了岩体的受力情况，在岩体边坡没有形成连续的贯通破坏面的情况下，岩石边坡坡面会出现一定程度的破裂，但是整体上并没有产生太大的破坏，这个时候主要是边坡的蠕动和松动阶段，分为表层蠕动和深层蠕动。但是当边坡的蠕动变形慢慢的发展到一定的程度之后就会导致边坡产生失稳破坏，按照边坡破坏的方式不同可以分为深层破坏和浅层破坏。主要的破坏表现类型有：滑坡、崩塌、剥落、岩层曲折，其中最常出现的是滑坡和崩塌两种破坏形式。1）滑坡滑坡是斜坡部分的岩土体在重力和地下水的动静压力的作用下贯通剪切破坏[18]面沿着坡内软弱结构面所发生的整体滑动的地质现象。按照不同的分类方式滑坡可以分为许多种，按照物质组成上分为土质滑坡和岩质滑坡，按照滑移面的形状可以分为平面剪切滑移和旋转剪切滑移，按照力学条件划分为推动式滑坡和牵引式滑坡。公路建设中深挖路堑高边坡就是改变了原有的地质，破坏了山体的稳定性，极易造成滑坡，由于滑坡破坏性极大，所以在设计时应该充分考虑工程现16 2深挖路堑方案与中短隧道方案场的地质地貌，做好充分的准备工作，尽量避免滑坡的出现。2）崩塌崩塌是指较陡峭的斜坡上的岩土体在重力和其他外力的作用下超过了岩体自身的强度，使得部分岩体突然脱离了母体而崩落、滚动、堆积在坡脚的地质现象。边坡表层受力的进一步发展失稳引起的崩塌，最后会重新达到一个稳定的状态，所以一般情况下崩塌会使得斜坡逐次后退，从而崩塌规模慢慢变小，最后形成新的稳定的坡脚。另外按照组成物质的不同崩塌可以分为土崩和岩崩，岩体一般没有明显的滑移面，所以岩体的崩塌带有很大的突发性和不可预见性，所以相对于土崩来说，岩崩造成的危害更大。本文主要研究的是重庆地区公路岩石路堑边坡，出现岩崩的几率较大。3）剥落剥落是山体开挖后裸露在外面的新岩体易受到风化作用，尤其是经过雨水的冲刷作用之后，岩体自重增大，摩擦角减小，在重力作用下岩体上部小块的岩石会不断的沿着斜坡滚落的地质现象。岩石剥落是小石块受到重力作用滚落，相对于其他地质灾害，损坏程度较小。4）岩层曲折边坡岩层沿着坡面成层状分布时，在岩体自重和裂隙水压力的共同作用下使得岩体之间的张拉应力慢慢增大，引起岩体层面曲折并最终导致岩层的破坏，使[18]得坡面岩石块体向下崩落的地质现象。在现实的情况下，边坡失稳破坏的形式往往是相互联系的，各种失稳破坏形式是相互影响存在一定的连锁效应，一个边坡的破坏往往是以某一种破坏为主要破坏并且伴随着集中破坏形式的出现。重庆地区公路深挖路堑高边坡，往往是高陡的岩石边坡，一般边坡的坡顶表面部分会先出现剥落和崩塌现象，进而伴随着浅层的滑坡，随着岩层受力蠕动的发展进一步可能会诱发深层的滑坡，与此同时也可能诱发其他的破坏形式。由此可见边坡的破坏形式亦是复杂多变，只有认真的分析考察根据实际情况才能更好的防止边坡失稳破坏。③深挖路堑高边坡的治理随着我国基础建设投入的不断加大，西部地区高等级公路也取得了飞速的发展，深挖路堑也成了公路必要的组成部分，为了最大限度的降低经济效益和减少对自然环境的影响，深挖路堑必然伴随着高陡边坡的出现，在处理深挖路堑高边坡问题的时候不仅要充分考虑各类岩石的特征而且应该注意各种岩层之间的组合情况，按照坡面岩土组成的不同公路深挖路堑边坡一般分为：土质路堑边坡、岩质土路堑边坡和岩土混合类路堑边坡。本文主要研究的是重庆地区公路建设深挖路堑形成的边坡，所以一般只界定为岩质路堑边坡和岩土混合类路堑边坡作为研17 重庆大学硕士学位论文究对象。山体地质非常的复杂多变很难能够把握进行详细的地质勘查和试验，到目前为止我国的的路基设计规范中对高边坡的设计内容也没有详细的说明，大多数的设计方案和施工方法都是根据以往的经验保守的进行的，由于这些种种的局限性和保守性使得高边坡遗留下了很多的问题，也使得目前我国公路深挖路堑高边坡段小塌方和失稳事故时有发生，导致交通的阻断甚至关闭，同时也带来了不小的经济损失，所以深挖路堑高边坡的稳定性治理就显得尤为重要。1）深挖路堑高边坡的稳定性影响因素深挖路堑高边坡稳定性的影响因素很多，有岩体自身结构内因的影响也有外部因素的影响。其中最主要稳定性影响因素为：地形地貌、岩体特性、地质构造、[13]水文条件和设计与施工等。a地形地貌在地球的形成过程中，在地球内力和外应力共同作用下形成了地球表面的组成结构和高低起伏的地貌特征，在山区公路工程路堑开挖的过程中地形地貌是影响高边坡稳定性最重要的因素，山区公路工程路堑开挖破坏了山体的地形地貌，将山体一分为二形成新的地质形态，它与高边坡的稳定性有着直接的关联，尤其是在山体岩体陡峭和地质情况复杂的地区。大面积开挖严重破坏了山体的原生结构面，在新的构造应力作用下形成新的构造结构面或者次生结构面，再进一步的[17]作用下岩体将形成新的节理、断层和层面等不连续结构面，正是岩体组成中存在着这些不连续的结构面从而使得岩面四周出现受力集中或者受力阻滞的情况，当最终受力失去平衡之后容易引起地质灾害。b地层岩性高边坡岩体一般是有多种岩性的土石组成，岩石是构成边坡的最主要的元素。不同类别的土石由于其成因、胶结成度的以及风化程度上都存在一定的差别，导致其抗剪强度、亲水能力和抗风化能力等都存在差别，所以不同类别的土石对高边坡的稳定性程度上也存在一定的差别。不同类别的土石按照一定的比例组合起来，按照其组合的不同对高边坡的稳定性影响的程度也不同，在山体中边坡岩土一般都是以岩土组合的形式出现的，所以在路堑的开挖过程中不仅要充分考虑各类土石的性质，而且还应该充分考虑不同的土石之间的组合对高边坡稳定性的影响。c地质构造深挖路堑高边坡失稳一般都是岩体沿着强度较低的层面慢慢开始演变的，在路堑的开挖过程中破坏了岩体的整体性，以致形山体坡面形成了脆弱的节理和断层，这些脆弱的节理和断层相互交织在一起，从而大大的降低了岩体整体的力学18 2深挖路堑方案与中短隧道方案性能，容易引起岩体构造面的破坏。d水文条件地表水和地下水一般是边坡失稳的的直接诱发因素，地表水下渗容易引起岩土体的内摩擦角和粘聚力下降，影响边坡稳定性；存在于岩体裂隙里面的地下水长时间的浸泡岩体，会诱发岩体的软化和崩解，尤其是含有大量的亲水性较强或者容易溶解的矿物成分的岩土体，同时地下水在岩体的内部会产生渗透水压力，水压力作用于岩体减少了作用在岩体上的有效正应力，在一定程度上降低了潜在破坏面上的抗剪强度，对边坡的稳定性产生影响。许多边坡的失稳都是发生在大量的降雨之后没有及时的做好排水工作或者排水不当而引起的。e其他因素山区公路深挖路堑工程在开挖的过程中，周围的岩土受到的扰动较大，开挖过后行程的岩体坡面容易形成应力集中现象，在地震、爆破和周围地应力发生变化的情况下，都有可能引起边坡的受力失去平衡，发生失稳。除了一些自然的因素以外，人为的因素同样会影响到边坡的稳定性，设计方案不合理和施工方法不当同样也会引起高边坡的崩塌和失稳破坏，但是人为的因素在一定程度上是可控的，在设计和施工的工程中应该根据山地复杂的地形结合实际的气候、自然条件和地理位置等信息具体问题具体对待，以防止高边坡由于人为的因素造成失稳和破坏。综上所述，影响深挖路堑高边坡稳定性的因素非常多，但是在设计和施工的过程中我们应该根据具体工程的实际情况，找出影响边坡失稳的最主要因素，分清楚主次，才能更好的控制和防止边坡失稳的发生。2）深挖路堑高边坡的加固措施公路建设工程深挖路堑破坏了原来山体的受力平衡状态，遗留的高边坡受力不平衡，在重力和自然力的作用下随着时间的推移逐渐失稳破坏的出现滑坡、崩塌、剥落等地质灾害，严重的造成公路的堵塞，尤其是大量的降雨之后会引起边坡的的进一步大规模的破坏，容易造成人员的上网和巨大的经济损失，带来二次投资甚至出现投资失控和严重的社会政治影响，由此可见高边坡的加固措施的重要性。高边坡的加固措施主要是为了使边坡满足力学平衡原理达到受力平衡，在安全可靠的基础上尽量的满足经济合理和施工方便的原则。在遵循“固角、强腰、削顶、封闭坡面和排水”的基本原则下，高边坡的加固措施可以分为如下几类：坡率[14]法、支挡、防护、加固和排水。a坡率法边坡失稳一般都是边坡坡太高、坡度太过陡峭所致，按照一定的稳定坡率将19 重庆大学硕士学位论文边坡不稳定的岩土体消掉，将边坡主体刷方到一个较为稳定的状态，使边坡坡度放缓，稳定性提高。这种方法一般施工简单、机械化程度高、经济、安全可靠，所以在边坡治理措施中列为首选方法，坡率法是一种最原始和最基本的常用方法，一般较适合刷方而且不易引起地质灾害的深挖路堑高边坡，地质情况都比较较为复杂，所以应该在充分考虑工程占地和对生态环境破坏的综合影响的条件下去考虑放缓坡率，在综合因素的作用下为了尽量的减少对原来山体的破坏现在在深挖路堑高边坡的治理中已经很少使用了。b支挡结构支档结构是现在深挖路堑高边坡治理的最基本措施，对于不稳定的边坡岩土体来说是一种较为可靠的治理手段，支档结构的形式很多。在路堑的坡脚处一般都设有重力式挡土墙为主要形式的支挡结构，重力式挡土墙通过“固脚”和“收坡”的双重作用避免边坡失稳。国际岩土学会支挡结构分类重力式挡土墙框架式挡土墙笼式挡土墙被动式桩、墩和沉井现浇的纲吉混凝土挡墙支档结构聚合物活金属的条或片的加筋挡土结构粗粒材料的支撑扶壁（盲沟）（力学作用）岩石边坡的固定网岩石崩塌的减缓和阻止系统（拦石的沟、平台、栅栏和墙）抗冲刷的保护性岩石或混凝土块我国常用的支挡结构分类抗滑挡墙抗滑桩刚性支档结构锚索桩预应力抗滑桩支档结构锚杆框架锚索框架柔性支档结构压浆锚固竖向钢花管注浆多次注浆钢管框架c加固由于山体的地质组成十分复杂，在进行边坡加固的过程中应该根据岩体的特20 2深挖路堑方案与中短隧道方案性选择合适的方式进行加固，最常见的有：注浆加固、锚杆加固、土钉加固和预应力锚索。注浆加固：当边坡岩体接力裂隙发育比较完全，岩块较为破碎的时候一般都采用注浆加固的方式，通过压浆将浆液沿着钻孔流入岩体的裂隙中，压入岩体裂隙中的浆液像胶水一样能将破碎的岩体粘结成为一个整体，增加岩体整体的抗剪强度，从而加强了岩体整体的稳定性，注浆加固是一种深层加固岩体的手段。锚杆加固：锚杆锚固是将锚杆埋入层深层的稳定地层，通过对锚杆施加预应[13]力，从而将锚固体与土体之间的粘结作用力增大，增加锚固体的承压作用，在岩体中打入一定数量的锚杆使得锚杆与岩体形成一个整体，从而大大的提高了岩体的自身的承载能力，目前我国山区公路边坡中采用的锚杆锚固形式主要有：普通水泥全长注浆锚杆和自钻式锚，由于受到长度的限制，锚杆加固是一种边坡浅层加固手段。土钉加固：土钉加固与锚杆加固施工方法类似，较为简单，土钉打入坡体内[13]部的深度更浅，土钉加固一般使用于岩土体较软的边坡体。预应力锚索：和普通锚杆的作用机理一样也是通过锚索的张拉对不稳定岩体提供压力，从而提高岩体整体的抗剪承载力，但是山区公路深挖路堑高边坡一般都较为陡峭，坡面整体的破裂面一般都较深，普通的锚杆难以达到，预应力锚索就应运而生，自从九十年代以来预应力锚索得到了广泛的应用和推广。d防护边坡防护技术主要是指边坡坡面的防护措施，主要可以分为两类：工程防护和植物防护。工程防护主要包括喷素混凝土防护、挂网锚喷防护和砌体封闭防护等等。由于工程防护往往带来大面积的灰色污染与公路周围的绿色环境极为不协调，加上随着社会的发展和人们对公路工程建设对生态环境影响的认识的提高，生态护坡技术越来越多的在防护边坡工程中得到应用。植物护坡不仅能通过植物发达的根系在土壤中起到故土护坡和防止水土流失的作用，而且能够减轻雨水对坡面的冲刷。生态护坡的方法在发达国家起步较早，尤其是在日本得到了很大的发展，尤其是近年来绿化网防护、厚层基料喷射、绿化混凝土的研究和应用，使得日本的生态护坡技术已经逐渐趋于成熟，我国植被护坡技术起步较晚，目前还处于发展阶段，现阶段国内外最常采用的生态护坡的方法主要有：土工格室植草、喷播植草、三维网植草、人工喷混凝土植生机质、液压喷播植草技术、框架植草[13]技术等。21 重庆大学硕士学位论文图2.4生态护坡Fig2.4Ecologicalslopeprotectione排水一般边坡失稳的最直接诱导因素就是水，“治坡先治水”一直以来都是治理边坡的基本原则。由于深挖路堑岩石边坡的地形复杂性，所以应该根据工程地形随机应变，另外应该做到预防为主，防治结合。边坡的排水可以分为两部分：地下排水和地表排水，我国目前最常用的排水方法有：仰斜孔排水、截水沟排水和坡内[18]排水。仰斜孔排水：目前我国边坡排水应用较多的就是仰斜孔排水方式，通过机械成孔，可以灵活的不知孔位的分布，单个孔的排水能力有限，一般都是一群孔的形式出现，同时也可以和其他的排水方式联合使用可以取得更好的排水效果。图2.5仰斜孔排水Fig2.5Inclinedholedrainage截水沟排水：截水沟主要作用是为了防止在雨季坡面以外的径流水流向坡面，22 2深挖路堑方案与中短隧道方案对坡面岩土体产生冲刷，同时可以减轻大量的降雨过后边沟的泄水负担，而在坡面的顶部外周边设置的水沟，截水沟位置应该在保证稳定的前提下根据岩土体的性质而决定。图2.6截水沟排水Fig2.6Interceptingditchdrainage坡内排水：截水沟排水主要是为了防止坡面以外流水对坡面的冲刷，在边坡坡面内设置一定数量的排水沟，坡面径流水可以先流入坡内排水沟，再由破内排水沟排除。这样能够尽快的将坡面径流水排除，防止地表水大量的渗入地下，诱发地质灾害。2.3.2中短隧道方案存在的问题①工程占地隧道工程占地主要是工程主体占地和开挖过程中产生的弃石方丢弃占地，重庆的山区高等级公路隧道一般都采用复线双洞的形式，在隧道开挖的过程中挖方3量大约为10m万km，虽然通过纵向的合理调配，挖方可以用作填方，但是也只有少量的土方用作填方，根据有关资料显示在山区隧道的开挖过程中每公里就会产生几万立方米的弃石方，弃石方的堆砌将占用一定的土地，如果随意堆放有可能会引起新的水土流失现象。②工程对地下水的影响山体的地下水主要储存在岩石的空隙之间，在隧道的开挖过程中严重的破坏了地下水的储存状态，引起了地下水的重新分布，在一定程度上降低了地下水位的高度，大大的影响了隧道主体工程上部地表植被层的水分供给。③空气污染相对于深挖路堑，中短隧道较为封闭，在施工的过程中应该注意有害气体对施工的影响，同时也应该用送风机和排风机组织隧道内部和外部的气体交换，给施工带来了一定的困难。另外在公路运营期间，车辆在隧道内行驶的过程中排放的尾气，仅仅通过自然通风是不可能全部排出去的，尤其是距离较长的隧道应该23 重庆大学硕士学位论文安装一些通风设施以保证隧道内有害气体的含量不至超标，保证隧道内车辆的安全行驶。④噪声污染根据对重庆市某长度约为三百米的隧道测试资料显示，整个隧道主体工程都处于噪声的高污染带之中。在观测的过程中车流量为1028辆小时，在隧道口处测得的一个小时等效A声最低为80dB，隧道中部达到了89dB，可见中短隧道噪声污染已经很严重了，如果是距离较长的隧道噪声污染将更加严重。2.4本章小结本章主要介绍了深挖路堑和隧道的基本概念，根据本文的研究方向界定了研究的范围为深挖路堑和埋深较浅的中短隧道。概括性的总结了深挖路堑方案和中短隧道方案的主要特点和主要施工工艺，并对比性的分析了两种不同方案存在的问题，其中最主要是工程建设对生态环境的影响问题。深挖路堑必然伴随着高边坡，本章主要概括了影响路堑高边坡稳定性的主要因素，深挖路堑高边坡的失稳可能带来的失稳破坏形式，深挖路堑对生态环境带来的破坏形式，以及深挖路堑高边坡的治理措施。从工程对生态环境的影响程度分析，隧道工程方案相比于深挖路堑方案来说，避免了大面积的山体开挖，对生态环境影响较小，工程弃石方量相对较小，所以弃石方占地也减少了许多，对山体植被的破坏也相对较少。从上面的分析可知，单纯的从对生态环境的影响程度考虑采用中短隧道方案比深挖路堑方案更加合理。24 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选方法不同的国家和不同的领域对可替代方案有着不同的理解和定义，工程可替代方案是指工程为了满足同一工程目标的前提下，除了推荐的工程方案以外可供比较和选择的不同方案的集合。在山区公路工程的建设过程中，施工方案的优选与替代时常出现，尤其是高等级公路的发展，深挖路堑与中短隧道方案的优选现象将越来越普遍。对于工程决策者来说就是要从深挖路堑和中短隧道中选择一种工程造价低，技术安全可靠，对生态环境和社会影响较小的方案。3.1深挖路堑方案与中短隧道方案经济可行性比较在技术可行性的前提下，山区公路工程隧道与中短路堑方案替代，主要考虑的就是工程费用投资的合理性，把一切的影响指标都转化成可以量化的货币的形式来比较路堑和隧道之间的优越性。深挖路堑工程和隧道工程经济投入主要包括：[18]直接工程费用、间接工程费用和工程占地费用。（1）深挖路堑工程费用深挖路堑在施工的过程中主要的工程费用包括：路基土石方费用（W），排水1工程费用（W），路面工程费用（W），安全设施费用（W），工程占地费用（W）。2345深挖路堑工程费用总和：WWWWWW（3.1）12345（2）隧道工程费用隧道工程在施工的过程中主要的工程费用包括：隧道主体工程费用（S），通1风照明工程费用（S），供电设备费用（S）。23隧道工程费用总和：SSSS（3.2）123现在设置一山区公路深挖路堑方案工程费用与采用双洞隧道工程费用进行比较：设路基宽度为24米，挖方深度为h米，边沟采用0.80.8规格，每隔10米设置一个碎落台，碎落台宽度为2.0米。根据山体地质条件的不同，当岩石结构较稳定，为微风化或者弱风化硬质岩石时，深挖路堑边坡坡率按照10米以下1:0.3设计，超过10米的按照1:0.5设计；当山体岩石结构较破碎，为软岩石或者风化比较严重的[18]岩石，深挖路堑边坡坡率10米以下按照1:0.75设计，超过10米的按照1:1.0设计。隧道工程方案采用双洞隧道形式，单洞最大开挖跨宽度为12.302米，最大开挖高度为8.279米。取1000米工程为研究对象，分别计算1000米采用深挖路堑和隧道的费25 重庆大学硕士学位论文用进行比较。3设深挖路堑路基土石方量为fh()1000m，土石方的综合平均价格为：3pm元，则：Wfh()1000p10000万元千米1（3.3）=()fhp0.1万元千米设其他工程费分别为：排水防护工程费用WA万元千米，路面工程费用22WA万元千米，安全设施费用WA万元千米。山区公路深挖路堑工程，所3344占用地是山体上部结构，只是植被覆盖层并不能划入耕地的范畴，根据实际情况设工程占地为dh()亩千米，按照非耕地考虑：W=()0.4dh万元千米。总工程5费用W为：WWWWWW12345（3.4）fh()p0.1AAAdh()0.4234设采用隧道方案穿山时各项工程费用为：隧道主体工程费用SB万元千米，通风照明工程费用SB万元千米，供电设备费用1122SB万元千米，则总的工程费用S为：33SBBB（3.5）123取得临界挖方深度H的时候，即采用深挖路堑方案和隧道方案的费用相等，0即：WS（3.6）将上面计算的结果代入上式得：fh()p0.1AAAdh()0.4BBB（3.7）123123化简得：fh()p4()10dhB1B2B3(A1A2A3)（3.8）根据资料调查取证，取排水防护工程费用A=450万元千米，路面工程费2用A=500万元千米，安全设施费用A=90万元千米，隧道主体工程费用34B=7500万元千米，通风照明工程费用B=410万元千米，供电设备费用123B=530万元千米，土石方综合造价为40元m。代入式子（3.8）得：3fh()p4()74000dh（3.9）由于排水工防护工程费用、路面工程费用和安全设施费用对深挖路堑的临界挖深的影响不大，所以在这里只是单独的考虑路堑土石方的综合平均价格对临界挖方深度的影响，由上式可以看出，在其他工程费用一定的情况下，临界挖方深度h0与路堑土石方综合平均费用呈一定的函数关系。假设地面线是水平的，采用深挖路堑方案，开挖的土石方量fh()和占地数量26 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选dh()分别与路堑挖方深度h的关系式如下（根据以往的经验临界高度20mH50m）。0微、弱风化硬质岩石深挖路堑路基开挖土石方量fh()和工程占地dh()分别为278054(h20)0.5(h20)(20h30)2fh()137068(h30)0.5(h30)(30h40)（3.10）2210082(h40)0.5(h40)(40h50)54000(h20)1000(20h30)66768000(h30)1000dh()(30h40)（3.11）66782000(h40)1000(40h50)6673取深挖路堑土石方综合造价p30元m代入式子（3.8）计算得到临界挖方高33度Hm44，代入式子（3.9）得到工程土石方量fh()243610mkm，工程的0土石开挖量相对较大，受到山区地形条件的限制，弃石方场地的设置受到了极大的制约，很难找到一个比较理想的弃石方场地。取深挖路堑土石方综合造价3p40元m，代入式子（3.8）求得临界挖方深度Hm37，土石方开挖量相对0较小。软质岩石或者强风化硬质岩石深挖路堑路基开挖土石方量fh()和工程占地dh()分别为：295073(h20)0.5(h20)(20h30)2fh()179597(h30)0.5(h30)(30h40)（3.12）22865117(h40)0.5(h40)(40h50)73000(h20)2000(20h30)66797000(h30)2000dh()(30h40)（3.13）667121000(h40)2000(40h50)6673取深挖路堑土石方综合造价p30元m，求得临界挖方深度Hm36，取03p40元m，求得临界挖方深度Hm30。0单纯的考虑经济指标对临界挖方深度的影响，从数学的角度考虑，可以得到土石方综合单价p和临界挖方深度H相应的函数曲线如下：027 重庆大学硕士学位论文[18]图3.1土石方综合单价p和临界挖方深度H相应的函数曲线0Fig3.1ThefunctioncurveofpandH0从上图可以看出，由于受到地形条件的限制，同时受到弃土场设置的影响，随着土石方综合造价p的不断提高，深挖路堑和隧道临界挖深高度H是不断减小0的。本文主要是根据具体的工程估算了深挖路堑和隧道临界挖深高度H，根据工0程地质条件的不同和施工过程中偶然因素的存在，在进行可替代方案优选的时候应该在本文计算结果的基础知识上降低12～m，所以微、弱风化硬质岩石临界挖方深度Hm3537～，软质岩石或者强风化硬质岩石临界挖方深度Hm2830～。003.2深挖路堑与中短隧道方案优选中环境价值问题上一节单纯的考虑经济对深挖路堑与中短隧道方案优选的影响，理想的估算了路堑开挖的临界高度，但是没有把工程建设对生态环境影响带来的价值损失考虑其中，虽然对工程方案的优选具有一定的参考性，但是在具体的工程方案的优选中不够完整，深挖路堑和隧道工程建设对生态环境的影响较大，所以在进行方案优选的时候应该重点考虑工程建设对生态环境破坏的影响。由于公路建设对生态环境的破坏没有以货币价格的形式体现出来，所以一直以来人们都把生态环境提供的社会服务视作是“无偿”的。而在以往的公路工程方案优选过程中，主要考虑工程量的大小、施工的难易程度和工程的安全稳定性，总而言之工程方案的优选就是选择工程总造价相对较低的工程施工方案，现在的工程方案优选的过程中虽然考虑生态环境因素对方案优选的影响，但是一般也只是局限于定性的形式分析考虑，并没有把生态环境因素定量的运用到工程方案的优选当中，仅仅只是停留在人们的意识之中，而没有在具体的工程实例中得到落实。随着社会的发展，人们也渐渐的意识到了生态环境的价值存在性，但是一直以来生态环境没有形成较为可行的市场价格量化体系。本文希望能够通过生态环境货币化技术，以量化的货币形式估算出工程建设对生态环境的影响所需要的货币代价，然后以考虑生态环境指标对深挖路堑和中短隧道方案优选的影响，通过28 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选生态环境货币化后定量的参与工程方案的优选之中，期望通过工程造价和生态环境价值综合考虑得到一个总成本最低的工程方案。3.2.1生态环境价值构成生态环境价值分为两类：使用价值和非使用价值，使用价值主要包括直接使[45]用价值、间接使用价值和选择价值；非使用价值主要包括存在价值和遗产价值。直接使用价值使用价值间接使用价值生态环境价值选择价值存在价值非使用价值遗产价值在人类长时间发展的过程中，由于对生态环境的影响较小，使得人类形成了一个错误的思维，认为生态环境是一个取之不尽的资源，并不存在价值，然而随着社会的发展，环境破坏和环境污染带来的种种副作用，促使人类对生态环境的价值有了新的认识。生态环境对人类生存和发展具有不可替代的重要作用，通过生态环境货币化的形式来体现生态环境存在的价值，更能积极的刺激人类对生态环境重要性的认识。在公路工程建设中将生态环境与经济联系在一起应用到深挖路堑和中短隧道方案优选当中，需要估算出工程建设对生态环境破坏的代价，公路工程对生态环境破坏的代价可以分为两个部分：环境污染的代价和生态破坏的代价。3.2.2生态环境价值估算方法本文主要通过生态环境货币化的形式来估算公路工程建设中生态环境的价值，根据深挖路堑和中短隧道的特点确定了生态环境价值的估算过程如下：确定计具体工工程建实物型算范围程环境设引起损失货与环境状况的实物币化参数形损失[56]图3.2生态环境价值估算流程Fig3.2Processtoestimatethevalueofecologicalenvironment从生态环境价值估算过程可以看出，生态环境价值货币化的基本变量包括：生态环境变量、工程建设引起的实物型损失变量和生态环境货币化变量。从深挖路堑和中短隧道方案优选的角度计算，应该根据实际工程确定生态环境的概况确定生态环境的实物型损失，然后根据实物型损失的市场价格估价，进行实物型货29 重庆大学硕士学位论文币计算，最终得到生态环境价值在货币价值上的体现，并应用到方案优选的过程当中。生态环境货币化就是指生态环境价值损失的货币表现形式，是通过数值量化的形式使得生态环境指标参与到公路工程深挖路堑与中短隧道方案的优选之中。生态环境价值实物型损失分为直接损失和间接损失两类，直接损失主要是指工程主体占地引起的土地资源的损失，间接损失主要是指植被破坏所带来的价值损失。然而生态环境价值损失估算一个极其复杂的过程，其中包含的非使用价值和选择[56]价值几乎是无法进行绝对量化的，本文也只是对生态环境价值较容易估算的实物型价值损失做了初步的估算，确定了间接价值损失主要由涵养水源价值损失、固定CO价值损失、净化大气价值损失、保护土壤价值损失和噪声污染价值损失，2即：C=CC生态环境直接间接C间接=C涵水C固CO2C净化+C土壤C噪声确定上述变量的过程既是生态环境价值估算的过程，常用的生态环境实物型[47]损失的方法有：实际市场估价法、替代市场估价法和意愿调查法。根据每种价值组成的不同，对生态环境价值直接损失和间接损失价值估算大部分应用用替代市场估价法中的影子工程价格进行估算，噪声污染价值损失可以通过意愿调查法进行估算。3.2.3深挖路堑与中短隧道方案优选中环境价值估算①生态环境直接损失估算山地公路工程深挖路堑与隧道工程生态环境直接损失主要包括工程主体占地和弃石方占地所造成的价值损失。由于具体工程占地的类别和植被的品种不同，应根据《公路建设项目用地指标》确定工程占地的种类，由于工程主体是山体，所以方案优选中的工程占地的植被覆盖大多为林地和农作物，所以直接损失计算分为林木C和农作物C两种。直1直2林木植被属于有积累效应的作物，应该先考虑工程破坏后的直接损失，然后再考虑年增长效益，最后通过折现的方法计算：nn1(1rR)(1)C=直1TLi(1+r)（3.14）Rr3式中：T为工程占地某种林木现有储存量（m）；L为林木的影子估算价格；ir为林木年净增长率；n为生态环境价值损失估算年限，一般取20年；R为社会折现率，一般取值为12%。对于农作物来说是每年可以重复耕种的，计算方法与上面的类似：30 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选nn1(1rR)(1)C直2=YLiAB(1+r)（3.15）Rr式中：Y为工程占地某种农作物单位；L为农作物的影子估算价格；A和B分别i为工程占地农作物的面积和农作物一年可耕种的次数。②生态环境间接损失估算1）涵养水源价值损失n1(1R)C=涵水QAD（3.16）R式中：Q为工程所在地年平均降雨量；为径流系数；A为工程占植被破坏23的面积（m）；D为单位蓄水量的库容成本，一般取值为0.67元m。2）固定CO价值损失2植被通过光合作用吸收CO并释放出O，维持二者之间的动态平衡，工程建22设减少了植被面积，减弱了生态环境固定CO的能力。根据光合作用方程式：2CO（264g)+HOCHO(108)gO(193)g多糖（162g）2261262可以得到：光合作用产生1g多糖，就会消耗1.63gCO。2nn121(1rR)(1)C1.63250Tr(1)（3.17）固CO2244Rr式中：T2为工程占地植被计算年生长量。3）净化大气价值损失净化大气是指植被具有吸收CO、NOx的能力：n1(1R)C净化AQi25L（3.18）R式中：A为工程占地破坏植被面积；Q为单位面积植被对CO、NO的吸收i2x量；L5为消减单位重量CO、NOx的成本。4）保护土壤价值损失植被根系能够起到很好的收坡固土作用，同时也可以防止土壤中养分的流失，尤其是深挖路堑工程伴随有高边坡的形成，表层土壤的破坏严重，而且人工的生态护坡很难在短时间内起到有效的固坡护土的作用，所以极易造成大量的水土流失，所以植被保护土壤价值应该引起充分的注意。保护土壤的价值损失可以用植被破坏后土壤受到侵蚀和土壤中的养分流失的经济损失进行衡量，主要分为土壤[45]侵蚀价值损失和土壤中NPK、、养分流失价值损失。CCC土壤侵蚀养分土壤侵蚀价值损失：31 重庆大学硕士学位论文nnA1(1r)(1R)CqL(1r)（3.19）侵蚀3hRr式中：q为工程占地破坏植被破坏前后侵蚀的差异比；h为土壤表土平均厚度，一般取0.6m；L为单位面积土地平均收益。3土壤中养分流失价值损失n1(1R)C养分AQi()1L1Q2L2（3.20）R式中：Q为工程占地单位面积中NPK、、养分的含量；Q工程占地单位面积12中有机物的含量；L和L为无机物和有机物替代价格。125）噪声污染价值损失无论是隧道施工的过程中还是路堑开挖的过程中，施工爆破和机械施工对周围的居民及动物的生活和生存带来了一定的影响，并且造成了短时期内的声学环境污染，工程施工带来的噪声污染价值损失可以通过意愿调查法进行估算，根据倾向与实际支付比得公式：C0.7YN（3.21）噪声式中：Y为工程附近住户为避免噪声影响支付愿望（元户）；N为工程建设影响的户数；为意愿支付住户的百分比。3.3考虑生态环境价值深挖路堑与中短隧道优选方法山区公路工程中深挖路堑与中短隧道的方案优选，就是希望在保证工程安全稳定性和技术可行性的基础上，尽可能的减少工程建设的工程造价和对生态环境的影响，本文将通过模糊综合评判法和最小环境成本法进行施工方案的优选。3.3.1模糊综合评判法山区公路深挖路堑与中短隧道可替代方案评价指标复杂多变，这些因素对方案的选择具有模糊性、层次性和影响程度差异性，而且作为诱发因子经济性指标又具有一定的动态性，因此方案优选的方法应该充分体现出这些特点来，根据施工方案优选基本方法的比较，模糊综合评判法能够综合每个评价指标对方案选取的影响。模糊综合评判法是对多种指标因素影响进行中的评价，是一种以模糊性推理为主，定性和定量相互结合，精确性与非精确性相互统一的分析方法。其主要的思路就是通过对最终评判目标将影响指标进行分类，建立一个具有不同层次的影响指标体系，然后通过数字赋值来确定最后的权重系数，在运用综合评判模型得[44]到最终的评判值，通过最终的评判值进行优选。①基本步骤32 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选1）评判指标因素集的建立和层次的划分针对山区公路深挖路堑与中短隧道可替代方案优选评判指标的复杂性，这些评判指标元素构成了一个具有层次性普通集合，下层指标的取值影响上层指标的取值，本文通过二层模糊评判模型对可替代方案进行优选。设Uuuu,,…,u,其12n中uii(1,2,…,n)，为评判系统的第一级评判指标，然后对因子ui做进一步的分解，设Uiuui12,i,,…uim,，其中uiij(12，，…,nj12；=，，…，m)为评判系统的第二级[31]评判指标。2）建立评判结果集评价结果集是工作者根据评判因素集，使得每一个评判结果对应一个模糊子[39]集，经过评判之后可以得到一个评判结果的集合：V()v，v，…，v（3.22）12n即方案优选的评价等级集合，其中每一个等级可以对应着一个模糊子集，通过模糊子集之间的比较可以得到较为优势的方案。3）模糊关系矩阵R的建立在确定了一级评判指标uii(1,2,…,和二级评判指标n)ui(，12，…,；nj12=，，…，之后，应该对每个子集评判因素进行量化m)[43]ij，以此来分析第i个评价因素对方案可替代性的影响，得第i个评判因素在评判结果集V上的模糊子集ri：r(,rr,,)…r（3.23）ii1i2in综合考虑每个评判指标的影响，从而得到一个模糊关系矩阵R：r11r12r1nrrrR21222n（3.24）rrrm12mmn4）因素权重集的建立由于方案可替代性的不同的影响指标对方案选择的影响程度不同，为了反映出不同指标因素的重要程度，必须引入“权重”的概念来加以区分。设两项指标的权m重分别为：A、Ai，令A(,,,aa11…an)为归一化的权向量，即ai1，i1aii0,1,2,…，n，另外权重集Ai也做类似的处理。5）模糊综合评判单个因素模糊评判仅仅反映的是单个因素对评判结果的影响，山区公路深挖路堑与中短隧道方案可替代性的比选是一个复杂的过程，显然单因素的模糊评判33 重庆大学硕士学位论文过于狭隘和片面，必须通过综合的评判才能得到正确的评判结果，所以本文将通过两级评判进行工程的优选。a一级模糊综合评判。首先将权向量A和得到到模糊矩阵R通过模糊关系运算得到一级模糊运算结果，同时综合考虑多因素对评价结果的影响进行模糊综合[39]评判：r11r12r1nrrrBAR(,aa,,…a)21222n=(,,,)bb…bB12mn12（3.25）rrrm12mmn式中“”称为模糊关系的合成算子，bi(1,2,…5)是表示被评事物从整体上看i[39]对评判结果集合v的一级模糊子集隶属程度。ib二级模糊综合评判。一级模糊综合评判只考虑了一个影响因素对评判结果的影响，在一级模糊评判的基础上，二级模糊综合评判将一级评价因素进行性进[39]一步综合，二级模糊综合评判的单因素评判矩阵为一级模糊综合评判矩阵，即：B1AR11BARRr2==22ijnp（3.26）BARnnn式中rbi,1,2,…，n；k=1,2，…pikik二级综合评判矩阵集为：AR11ARBARA22=(,,,bb…b)12p（3.27）ARnn式中b为二级模糊综合评判指标，它表示评价指标因素集合中，对第k个元素k的隶属程度。6）评判指标的综合根据以上求得的模糊评判指标bi(1,2,…,n)可以得出最终的评判结论，一般i常用的方法有：a最大隶属度法最大隶属度法就是取与最大的评判指标maxb相对应的评判元素v为相对应kk[24]的评判结果，即VvvLLmaxbk,k1,2,…,n（3.28）34 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选b加权平均法取以b为权数，对每个评判元素集v进行加权平均所得到的结果即为评判结kk[24]果，即nnVbvkkbk（3.29）kk11c模糊分步法模糊分步法一般直接把评判指标作为评判结果，或者将评价指标进行归一化处理，用归一化的评价指标作为评判结果。评判指标求和：nbb12b…bnib（3.30）i1本文主要采用的是加权平均法，对山区公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案优选评价指标的综合评判。②数学模型的建立针对不同的运算，模糊综合评判的数学模型从理论上来讲，广义的模糊综合评判方法具有无穷多种，但是在实际应用中，人们通常采用的数学模型有以下五种形式：1)M(,)该模型比较简洁明了，主要突出了主要影响因素对评判结果的影响，却忽略了评价指标因素对评价结果的综合影响，运算公式为：mb()ar（3.31）jiijj12)M(,)该模型中“”表示的是普通乘法的运算，该模型比上一个模型有了很大的改进，但是也是不够全面，该模型的运算公式为：mbj()ariij（3.32）i13)M(,)该模型中表示的是有限1求和，例如abmin(1,ab)，该模型的运算公式为：mbjmin1,(airij)（3.33）i14)M(,)与上一个模型类似，该模型的运算公式为：35 重庆大学硕士学位论文mbjmin1,(ariij)（3.34）i15)M(,)该模型不仅考虑了单因素对评判结果的影响，而且从整体上综合考虑了所有评判因素对最终评判结果的影响，运算公式为：mbjariij（3.35）i1m式中ai1。i1从上面的比较可以看出，通过每一种数学模型的建立都可以求得一个评判结果，但是由于前四种方法的局限性和片面性，在山地公路深挖路堑与中短隧道方案的可替代性评判中不能够全方面综合的考虑到每个指标因素对评判结果的影响，第五种数学模型考虑的比较全面，不受取值的限制，所以本文将选择第五种数学模型进行方案替代性的评判。③指标权重的确定[42]指标权重是指每一个评价指标因素对整个评价系统的相对重要程度，通过数学表达式的形式可以表示出来，假设一个评价体系当中一共有n个评价因素，这n个元素相对应的权重值分别为wi(1,2,,)n，则w应该满足下面的条件：ii1)w主要是通过数值的形式反映了因素集中每个因素相对于上一层某个因素i的相对重要程度。2)01win3)wi1i1从上面可以看出指标权重的确定有很大的模糊性和相对性，到目前为止，国内外很多专家与学者已经对指标权重的确定方法做出了很多的研究与改进，并取得了一定的成就，其中层次分析法较为完善，所以本文主要采用的是层分析法来确定评价指标间相对重要的程度。3.3.2层次分析法确定指标权重[35]层次分析法是一种实用的多准则据测方法，按照评价指标的组成逐步分层，建立一个层次分明的结构模型，最后通过组成因素之间的两两比较，得到一个判断矩阵。根据判断矩阵从而能够计算出每个指标因素之间相对的重要程度，然后利用专家的经验加以判断得到指标因素的相对重要性排序，最后根据得到的这些定量信息作出决策。由于层次分析法过程比较简洁，条理比较清晰，得到的结果显而易见，而且方法非常容易掌握，在方案的优选中也得到了非常广泛的应用，山地公路工程深挖路堑与中短隧道方案可替代性的比较评判指标不光存在着定量36 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选之间的比较，很多指标因素都是定性之间的比较，相对比较复杂，层次分析法不仅能定量分析而且也可以做定性的分析，非常适合做这种复杂问题的分析，所以能够很好的确定评价指标权重。①步骤1)建立层次结构模型层次分析法首先将复杂的问题按照其组成逐步分层，一般是把影响最终评判结果的指标因素进行层次化处理，进而得到一个层次结构层次比较明显的结构模型，为进一步分析做准备。在整个评判系统中根据每个评价指标因素的属性和相互关系的影响程度，从上到下将所有指标因素分解成为不同的层次，构成一个多层次的分析结构模型，每一个层的指标因素影响着上一层指标因素，同时也受到下一层指标因素的影响。[41]按照由高到低的顺序一般可以分为三层，依次是：最高层、中间层和最底层。最高层，又称目标层，一般只有一个因素，表示最终的决策目标，即层次分析最终要得到的目标。中间层，又称约束层或准则层，如果指标因素过多，中间层亦可以继续分层，所以中间层可能是由多个层次组成的。最底层，又称方案层或措施层，主要包括实现决策目标所采取的各种措施和方案。37 重庆大学硕士学位论文决策目标目标层A准则1准则2„„准则k准则层B子准则1子准则2„„子准则m„„„„„„„„方案1方案2„„方案n方案层C图3.3层次分析法基本结构图Fig3.3ThestructurediagramofAPH2)构造因素两两对比判断矩阵当系统分层以后，将同一层与上一层某个元素有联系的所有元素进行应相对重要程度的判断比较。对于同层具有n个元素来说，假设同一层元素CC,,,…C都12n与上一层元素B有联系，通过CC,,,…C元素之间的两两比较建立判断矩阵k12nCc()。ijnn表3.1判断矩阵基本形式Table3.1ThebasicformofjudgmentmatrixBkC1C2…C3C1c11c12…c1nC2c21c22…c2nCccn2…cnnnn138 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选上表中c表示对上一层准则B来说，同一层元素C和C之间相对重要程度的ijkij数值表现，其中c0，c1c(ij)，c=1(,，ij1,2,,)…n，判断矩阵的一般采ijijjiii用1～9标度法进行量化。表3.2判断矩阵标度及其含义Table3.2Meaningandscaleofthejudgmentmatrix标度含义1表示两个元素相比，具有同一样重要性3表示两个元素相比，前者比后者稍重要5表示两个元素相比，前者比后者明显重要7表示两个元素相比，前者比后者强烈重要9表示两个元素相比，前者比后者极端重要2、4表示元素的重要程度介于1—3和3—5之间6、8表示元素的重要程度介于1—3和3—5之间因素i与因素j的比较判断c=1cijji3)计算判断矩阵的最大特征值和对应的特征向量建立了判断矩阵之后，通过矩阵的计算来求的判断矩阵的最大特征值和最大特征值所对应的特征向量。rrr11121nrrr21222n0（3.36）rrrn12nnn由上式求得判断矩阵的特征值，进而求的最大特征根。maxrrrx11max121n1rrrx2122max2n20（3.37）rrrxn1n2nnmaxn把最大特征值带入上式，求得相应的特征向量xxx,,,x。max11n4)判断矩阵一致性检验由于人们在进行比较判断的时候往往会带有一定的主观性和片面性，造成了比较判断的非一致性，为了保证每个判断之间的协调一致性，必须进行判断矩阵的一致性检验。一般情况下若矩阵Aa()互为正反矩阵，则应该满足ijnn39 重庆大学硕士学位论文aaa,(,,ijk1,2,,)…n，则称矩阵A()a为n阶一致性矩阵。假设ijjkikijnn,,,…是矩阵Aa()的特征根，当矩阵Aa()完全一致的时候，有12nijnnijnnn，,,…=0。1max23n一般情况下判断矩阵Cc()都不具有完全的一致性，所以需要一致性检ijnnn验，一般特征值1maxn，其余的特征根inmax，当1比n大的越多的i2时候，说明矩阵的不一致性就越严重，误差也就越大。层次分析法引用了一个一致性指标CI—矩阵特征值（除去最大特征跟）的负均值作为检验标度来衡量误差量，即nmaxCI（3.38）n1通过上面公式求得的CI值越大说明矩阵不一致性越严重，CI值越小说明矩阵的一致性越好，当CI0的时候判断矩阵完全一致。随着判断矩阵阶数的增高，判断矩阵的不一致性也随之增大，以平均随机一致性指标来判断不同阶的判断矩阵是否具有满意的一致性。通过构造矩阵得到的平均随机一致性指标值如下：表3.3平均随机一致性指标Table3.3Averagerandomconsistencyscale阶数n123456789RI值0.000.000.580.901.121.241.321.411.45从上表可以看出，当矩阵的阶数n2的时候，断矩阵具有总是具有完全一致性的。当矩阵的阶数n2时，判断矩阵的一致性指标CI和同阶平均随机一致性指[31]标RI之间的比值称为随机一致性比率，记为CR，一般情况下，当CICR0.1RI时，就可以认为构建的判断矩阵具有满意的一致性。5)层次单排序和层次总排序通过模糊判断矩阵所得到的最大特征值所对应的特征向量xxx,,,x，11n进行归一化的处理，最后得到的数值就是本层影响因子相对上一层因子的权重数值，这个处理的过程就是层次单排序。一般情况下，层次分析法是从上到下，逐层的计算下一层每个因素相对于上一层某个因素的权重，在这里主要讨论的是权重的分配问题，所以应该通过判断矩阵的计算从最底层开始。40 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选设相对上一层某元素G，其相对的下一层因素集A中包含着n个因素AA,,,A的权重分别是aa,,,a，另外相对于因素集A中的某一个因素12n12nAi(1,2,,)n，其相对的下一层的因素集B中包含着m个因素BB,,,B，每ii12iim个因素相对于Ai(1,2,,)n的权重分别是bb,,,b，则B层中元素ii12iimBB,,,B相对于G的权重W可以通过下式得i12iimWwiabiij,(i1,2,,;nj1,2,,)m通过上面的计算可以得到每个方案相对于总目标层的综合权重。综合权重的数值反应的就是每个备选方案的优越程度，因此根据综合权重数值的大小的排列顺序就很容易的得到较为优化的方案。②指标标度的改进上述传统的层次分析法采用1～9标度法，存在着诸多的不足之处，这些不足往往导致了所构造的判断矩阵的一致性检验达不到要求，使得最终的评判结果不0585够准确，经过诸多学者和专家们的研究和试验表明，如果采用ee~指数标度法来替换传统层次分析法中1～9标度法，能够很大程度的提高计算的正确率和一致性检验的满意程度。0585用ee~指数标度法进行量化，如下表所示。表3.4改进的标度及其含义Table3.4Meaningoftheimprovedscale标度含义05e表示两个元素相比，具有同一样重要性25e表示两个元素相比，前者比后者稍重要45e表示两个元素相比，前者比后者明显重要65e表示两个元素相比，前者比后者强烈重要85e表示两个元素相比，前者比后者极端重要1535ee、表示元素的重要程度介于1—3和3—5之间5575ee、表示元素的重要程度介于1—3和3—5之间因素i与因素j的比较判断c=1cijji假设对于某一个评价指标A，相对A的下一层影响因素指标集合为aaaa1,2,,34，因素指标集合中每个因素对指标A的影响程度分别为：a2比a1稍小重要，比a明显重要；a比a稍重要，比a强烈重要，比a明显重要；a比a稍34231130585重要。根据以上的判断评定，分别采用传统的1~9标度法和ee~指数标度法41 重庆大学硕士学位论文构建判断矩阵并计算结果如下：表3.5两种标度法的比较Table3.5Thecomparisonofdifferentscalingmethods0585标度法1～9标度法ee~指数标度法1123151525451eee21513154525e1ee1315117e25e451e65判断矩阵5371452565eee1CR值0.02870.0019权重(0.1310,0.02388,0.0564,0.5738)(0.1960,0.2646,0.1248,0.4145)0585从上表可以看出，评判结果相同的情况下，分别采用1~9标度法和ee~指0585数标度法构建判断矩阵求得的矩阵随机一致性比率CR，ee~指数标度法要比0585传统的1~9标度法要更加的精确，显然采用ee~指数标度法进行权重的计算更为合理。3.3.3最小环境成本法单纯的考虑工程造价进行山区公路工程深挖路堑与中短隧道的优选不够完整，忽略了工程建设对生态环境破坏引起的价值损失，即使选择了工程造价较低的施工方案，但是可能不利于生态环境的保护，在未来可能带来更大的经济损失。从工程全寿命的角度考虑，选择考虑工程造价和生态环境价值损失来进行深挖路堑与中短隧道方案的优选，这种方法简单易行，尤其是对生态环境比较脆弱的地区，能够起到很好的保护环境的作用，而且通过生态环境货币化的数学模式来转换工程建设对生态环境造成破坏的经济损失，所谓的最佳方案就是工程造价和生态环境价值损失都最低的工程方案，然而在实际的工程当中很难做到，应高等级公路发展的理念要求，应该在选择较低生态环境价值损失的基础上尽量的降低工程造价。表3.6方案优选依据表Table3.5TableofSchemeoptimization工程造价生态环境价值损失方案选取备注高高不可取高低可取低高不可取低低可取最佳方案42 3深挖路堑与中短隧道可替代方案优选生态环境损失以货币表现形式参与到工程方案的优选当中能够积极的刺激人们对生态环境的重视程度，在不久的将来亦可以将工程对生态环境的价值损失作为一种税法纳入到工程总造价当中去考虑，只有国家强制的实施才能促进工程建设对生态环境的重视程度，也才能在考虑生态环境的条件下选择出更为合理的施工方案。最小环境成本法就是考虑到生态环境价值和工程造价对工程方案优选的方法，根据二者在总成本中的比重不同，引入指标权重的概念，并将生态环境价值作为第一要素进行比选，得到一个评价成本，评价成本最低的即为最优方案。根据深挖路堑和隧道的工程特点，建立评价成本数学模型：A=CC（3.39）1122式中：A为工程方案评价成本；C和C分别为工程造价和生态环境价值损失；12和分别为工程造价和生态环境价值损失在方案优选中的权重，通过上式计算12出工程方案的评价成本，评价成本较低者为最优方案。3.4本章小结考虑生态环境价值对深挖路堑与中短隧道方案优选的影响，目的在于突破传统的“小经济”思维，综合的考虑影响工程方案优选的评价因素，同时也响应环保公路和可持续发展的要求。把生态环境价值当作工程建设成本的组成部分参与到公路工程方案优选之中，是实现公路工程建设与生态环境协调可持续发展的关键。本章的主要内容和结论有：（1）单纯的从经济可行性考虑，理想的估算出了深挖路堑与中短隧道的挖深临界高度H：微、弱风化硬质岩石临界挖方深度H=35～37m。软质岩石或者强00风化硬质岩石临界挖方深度H=28～30m，当开挖高度小于H的时候宜采用挖路00堑的方式，当开挖高度大于H的时候宜采用隧道的方式。0（2）应发展生态公路的要求，公路工程建设方案的优选中应该考虑生态环境价值，通过生态环境货币化的概念，计算工程建设对生态坏境的影响，由于货币更能刺激人们的眼球，以实物型损失的形式计算生态环境价值，能够量化生态环境价值的模糊问题。（3）本文主要选择了模糊综合评判法和最小环境成本法进行方案的优选比较，详细的介绍了两种方法的基本原理和基本的评价步骤，同时为下一步进行深挖路堑与中短隧道的可替代方案优选提供了基本的理论依据。（4）在最小环境成本法中引入了评价成本的概念，根据工程造价和生态环境价值损失的权重不同，确定了工程的总成本A=11C2C2，在高等级生态公路的要求下，颠覆了以往把工程造价作为第一要素进行工程方案优选的模式，建立以生态环境指标作为第一要素方案优选模式，评价成本较低者为最优方案。43 重庆大学硕士学位论文44 4工程实例分析4工程实例分析本文首先选择模糊综合评判的方法来进行深挖路堑与中短隧道的可替代方案的模糊优选，然后通过最小环境成本法把生态环境模糊问题转化成统一的货币单位参与深挖路堑与中短隧道方案优选。将通过工程实例来检验方案优选方法的合理性，同时也可以通过优选方法来检验工程实例方案选择的正确性，以此可以为以后工程方案的选择提供一定的参考和依据。4.1实例项目背景重庆是我国最大的山城，主城区山地面积2250平方公里，占41.09%；丘陵面积2739平方公里，占50.03%；平坝和台地面积368平方公里，仅占6.7%，可见山地丘陵在重庆分布比较广泛。在我国施行西部大开发战略以来，重庆取得了长足的发展，尤其是近二十年间的快速发展，使得重庆发生了翻天覆地的变化，五个重庆之一——“畅通重庆”的提出大大的加快了重庆公路隧道的建设。随着重庆的不断发展与扩建，连接主城与郊区的公路建设就显得尤为重要，由于重庆地处山区，郊区通往主城区的公路建设难免需要大量的穿山工程，同时也出现了深挖路堑与隧道方案优选问题。本文主要是以作者导师承担的隧道监测项目——重庆金山大道西延段工程花沟隧道为依托项目展开分析与研究的，从经济性、技术性、环境和生态四个方面全面的分析和研究深挖路堑与中短隧道方案优选的问题。重庆金山大道西延段花沟隧道位于重庆市渝北区鸳鸯镇花沟村，地处亚热带季风气候区，全年的平均降雨量为1000~1400毫米。该隧道地处龙王洞背斜西翼，oooo地层呈单斜产状，岩层倾向290~300，倾角18~20。金山隧道洞轴线与地层走向正交，区内未发现断层及次级褶皱，地质构造较为简单。进口处于东侧山岭下部oo缓坡地带，地面高程在390.86~412.16m，地形坡度10~20；出口处于西侧斜坡上，oo[60]地面高程在411.10m~414.50m，地形坡度5~10，相对高差约70m。由于隧道高程较高，没有地表水存在，而且地下水对隧道的施工影响也较小，根据勘察报告，隧道区内出露岩层为中侏罗统系沙溪庙组砂岩与泥岩互层。岩层分布为：①砂岩（J2s）：呈灰白色或米黄色，由长石、石英、白云母碎片及少量暗色矿物组成，泥质胶结，细粒结构，巨厚层状构造。主要分布于洞身山顶及进洞口范[1]围。②泥岩（J2s）：呈紫红色、暗褐红色，由粘土矿物组成，局部砂质含量较高，45 重庆大学硕士学位论文[1]泥质较高，巨厚层状构造。主要分布于洞身山顶及进洞口范围。勘察报告将隧道围岩进行分类：进口段K0+060~K0+090以泥岩为主夹砂岩透镜体，裂隙较发育，岩体较破碎，属于III类围岩。洞身段K0+090~K0+370，洞顶上部5.0~20.0砂岩，下部20.0至洞底板为泥岩，完整性较好，裂隙部发育，岩体多处于弱风化或微风化状，属于IV类围岩。出口段K0+090~K0+400为巨厚层状砂岩，裂隙较发育，洞口段岩层多处于弱风化状态，岩体较完整，属于III类围岩。隧道原设计采用双洞隧道，单洞最大开挖跨度16.041m，最大开挖高度11.40m，设计两隧道净距全程均为10.0m。隧道地质剖面图见下图4.1。1—泥岩；2—砂岩图4.1隧道地质纵剖面图Fig4.1Thelongitudinalsectionaldrawingoftunnelgeology两隧道的净距调整为为8m~20m，进出口小，中间大，左洞里程为K0+075~K0+407，全长332m；右洞里程为K0+052.502~K0+380.041，全长327.539m。由于施工出现塌方，所以对初步设计方案做了适当的调整，并加强了隧道的初期支护，调整后使得变更后的设计线路比变更前长约12m，增加了开挖工程量和工程造价，施工完成后的隧道平面布置图见图4.2。同时在塌方后，业主委托监测单位重庆大学建筑设计研究院对花沟隧道进行现场监控量测。46 4工程实例分析图4.2花沟隧道平面布置图Fig4.2PlanofHuaGoutunnels4.2模糊综合评判法在实例中的应用本文首先通过模糊综合评价的方法全方面综合的考虑重庆金山大道西延段花沟隧道是否合理，通过与假设备选方案采用深挖路堑的方式进行比较，从数据和理论上来判断方案选择的正确性与合理性。假设备选深挖路堑方案的平纵面仍然沿用原有的隧道平纵面不作变动，根据工程的地质剖面图可知，中心填土开挖的最高埋深在70m左右，深挖路堑最大边坡高度在80m左右，设路基面宽度取33.5m，路面坡度取3.0%，路堑边沟采用0.8mm0.8的规格，每隔10m的高度设置一个碎落台，碎落台的宽度为2.0m，在边坡最高处一共设有8级边坡，深挖路堑的边坡坡率的选择如下：当Hm20时，边坡坡率取1:0.50，当20mH40m时，边坡坡率取1:0.75，当40mH60m时，边坡坡率取1:1.00，当60mH70m时，边坡坡率取1:1.25，当70mH80m时，边坡坡率取1:1.50。根据工程地质条件，路堑高边坡的防护根据坡度和高度的不同选择不同的防护方式。路面以上20m范围内为完整性较好的砂岩，裂隙不发育，采用喷射素混凝土防护；当边坡坡率取1:0.75时，采用预应力锚索框架植草；当边坡坡率取1:1.00时，采用锚杆格子梁+喷播植草支护；当边坡坡率取1:1.25时，采用弧形框架+喷播植草支护；当边坡坡率取1:1.50时，采用浆砌片石衬砌+喷播植草支护。47 重庆大学硕士学位论文图4.3深挖路堑方案剖面图Fig4.3Theprofilemapofdeepcuttingplan4.2.1深挖路堑与中短隧道可替代方案评选指标选取的基本原则①系统性原则山区公路工程深挖路堑与中短隧道方案的替代影响因素不仅仅包括经济方面，还应该充分的考虑对社会的影响和生态环境的影响。在评选指标选择的过程中，应该全面的考虑各项指标对可替代方案选择的影响，同时也应该做到避免各项指标直接出现重叠现象，不能单纯的只考虑当前的影响，更要考虑其对循环发展长久的影响，所以评选指标应该是一个有机的整体。②目标性原则工程中所有一切的方案的选择都是为了实现目标而准备的，深挖路堑与中短隧道可替代方案优选指标体系的构成应该紧紧的围绕着最终的工程目标逐渐展开，所以目标性是选择对比指标的关键，山区公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案的必选的目标是在保证工程可行性与安全性的同时考虑经济投入和生态环境的影响。③可操作性原则评价指标的可操作性是工作的基础，可操作性决定了后续工作的难易程度和操作性。可操作性原则是对评价选取指标范围的界定，选取的每一个评价指标都应该有相对独立而且明确的定义范围，在力求精简的前提下突出每一个评价指标48 4工程实例分析的典型性，只有准确的界定了指标的范围才便于工程目标的实现。对于一些难以界定和量化的指标因素，应该通过模糊的数学方法进行量化。④代表性和简洁性原则评选指标的选取应该具有代表性，通过选取尽可能少的最具代表性的指标而含盖尽可能全面的内容，在确保可行性的前提下尽可能的减少工作量，做到简洁明了。⑤科学性原则深挖路堑与中短隧道可替代方案指标的选择应该客观、科学，能够全面的反映出方案评选中所标识的系统特征，合理而全面的体现出各自的性能优势。根据山区公路工程的建设目标，应该全方位的考虑影响替代方案选择的指标，根据工程可替代方案选取的原则和工程性质的特点主要选取经济指标、技术指标、环境指标和生态指标作为主要比选指标。4.2.2模糊综合评判模型的建立从山地公路工程深挖路堑与中短隧道方案的可替代性研究的内容出发，结合工程方案优选多属性、多因素的特点和重庆金山大道西延段自然地理条件和建设目标，运用模糊综合评判的方法确定了评价指标因素，建立了目标层、准则层和子准则层评判模型。第一层为目标层，公路工程最优穿山方式为目标层；第二层为准则层，由经济指标、技术指标、环境指标和生态指标构成，它们是由工程方案优选的性质决定的；第三层为子准则层，它们是由准则层指标决定的，同时它们又反过来决定了准则层指标的性质。层次单排序建立评判模型如下：49 重庆大学硕士学位论文最优方案U经济指标U1技术指标U2环境指标U3生态指标U4工维施安与取对噪水工植水对程护工全路弃农声环程被土动造费难可线土作污境占破流植价用易靠整场物染污地坏失物U11U12程性体设的U33染U41U42U43栖U11度U22的置影U34息U21协的响地调影U32的性响影U23U31响U44深挖路堑方案A1中短隧道方案A2图4.4模糊综合评判模型Fig4.4Fuzzycomprehensiveevaluationmodel由上图可以看出评价指标因素集UUUUU1,2,3,4，式中每个因素的子集Ui(1,2,3,4)分别为：UUU,，UUU,,U，UUUUU,,,，i111122212223331323334U4UU41,42,UU43,44。设备选方案A1表示采用深挖路堑方案，A2表示采用中短隧道方案，施工方案集AAA,。12①工程造价U：主要是指深挖路堑工程和隧道工程在建设时期的综合造价，11主要包括：材料费、机械台班费和人工费等，工程造价在评价指标中占用非常重要的地位。②维护费用U：主要是指工程完成以后，为了保障山地公路的畅通与安全运12行有必要进行工程维护的费用支出。例如：深挖路堑高边坡引起的滑坡或坍塌治理费用、边坡绿化维护费用，隧道工程照明通风设备维护费用等。③施工难易程度U：主要是指工程在施工开展的难易程度，应该分为施工和2150 4工程实例分析维护两个方面考虑，主要包括：施工的可操作性和工程的支护、加固难易，应尽可能采用机械化施工，提高工作效率，降低施工难度，但也应该从工程的实际情况出发考虑。④安全可靠性U：主要包括工程主体结构的稳定性和工程方案实施的可靠程22度，尤其是深挖路堑高边坡极易产生变形失稳带来地质灾害，应该做好边坡的防护工程保证工程的安全可靠性，确保工程的安全可靠是一切工程开展的前提，所以该项指标应该重点考虑。⑤与路线整体的协调性U：主要是指穿山工程与整体路线高程的协调程度，23保证整体路线的协调性能够提高公路运行的安全性，深挖路堑与隧道工程方案的优选能有效的降低路线高度，保证路线方案的顺利实施，该项指标应该从公路路线的整体来考虑。⑥取弃土场设置的影响U：主要考虑山地公路工程的自身特点，深挖路堑和31隧道工程都将产生较多的废弃土石方，山地地区很难找到一个较大的地方堆砌废弃的土石方，而且土石方的堆砌覆盖了自然地貌，破坏了原先的生态环境，所以应该充分考虑取弃土场设置对公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案优选的影响。⑦对农作物的影响U：主要是指公路工程主体、工程弃石方和工程实施的过32程中对施工场地周围农作物的影响。⑧噪声污染U：主要是指工程施工过程中和公路运营期间产生的噪声对周围33居民生活带来的影响，如路堑的开挖过程中爆破和机械运输产生的噪声，隧道在开挖掘进的过程中和运营期间车流量带来的噪声。该指标应该分为施工阶段和运营阶段考虑。⑨水环境污染U：主要是指工程对地下水的影响，山体地下水主要储存在岩34石的裂隙与空隙之间，深挖路堑和隧道在开挖的过程中改变了地下水的储存空间，降低了地下水位，对周围植物的生长造成了一定的影响。该指标主要考虑施工过程中的影响。⑩工程占地U：主要包括工程主体占地和工程弃石方占地，虽然隧道工程产41生的弃石方比较大，但是相对于隧道方案而言，深挖路堑方案工程主体占地和弃石方占地要大的多，所以该指标采用隧道工程更加合理。⑪植被破坏U：主要是指工程施工过程中对主体工程周围植被的影响，在工42程实施的过程中应尽量的减少对植被覆盖的影响，这也符合发展生态路的基本理念。从长远利益出发，该指标在未来工程建设中应该突出考虑。⑫水土流失U：主要是指路堑和隧道开挖过程中产生的废弃土石方堆砌之后43由于碾压程度不够，受到雨水冲刷极易造成水土流失，另外废弃土石方水土流失51 重庆大学硕士学位论文还与堆砌的坡度和当地的降雨量有关，应该根据具体工程加以考虑。⑬对动植物栖息地的影响U：公路工程建设破坏了山体的自然面貌，尤其是44深挖路堑工程和隧道的洞口工程对环境扰动巨大，动植物栖息地受到了严重的破坏，对动植物的生存带来很大的影响，即使采取了整治措施措施也很难在短时间内恢复。为了便于优选工作的进行上面对评价指标进行了定性的分析，而评价结果集合是工作者根据评判因素集，使得每一个评判结果对应一个模糊子集而得到的。根据山地公路工程深挖路堑与中短隧道方案可替代性的特点将最终的评判结果分为五个等级：V()v，v，v，v，v12345vv～分别代表的是山地公路穿山方案（深挖路堑与隧道）的优劣评判五个等15级，分别为：好、较好、一般、较差、差，其中每一个等级可以对应着一个模糊子集。4.2.3指标权重的确定根据评价的需要邀请了熟悉隧道和路堑施工技术方案的技术管理人员和学术0585专家，采用改进的ee~指数标度法构造两两对比判断矩阵，然后按照传统的层次分析法计算每个评判指标的指标权重，具体步骤和计算结果如下。①准则层计算结果表4.1准则层计算结果Table4.1Theresultofcriterialayer判断矩阵一致性比例：0.0019；相对总目标权重：1.0000；4.0050max优选指标经济指标技术指标环境指标生态指标Wi05452525经济指标eeee0.162645051515技术指标eeee0.327725150505环境指标eeee0.254825150505生态指标eeee0.2548通过计算可以看出方案优选各个指标权重向量UUUUU,,,经过归一化1234处理之后为0.1626,0.3277,0.2548,0.2548，相应的最大特征值4.0050，n4max时RI0.90，代入公式后（3.29）得CI0.0050，CR0.00190.10，所以判断矩阵具有满意的一致性。各指标权重向量分布图如下：52 4工程实例分析经济指标技术指标环境指标生态指标25.48%25.48%32.77%16.26%图4.5准则层指标权重向量Fig4.5Weightvectoroftcriterialayer同理，可以计算出子准则层每个影响因素的权重向量，具体的计算步骤如下：②经济指标计算结果表4.2经济指标计算结果Table4.2Theresultofeconomicindieators判断矩阵一致性比例：0.0000；相对总目标权重：0.1626；2max经济指标UUUWi11112Ue05e350.645711Ue35e050.354312工程造价维护费用35.43%64.57%图4.6经济指标权重向量Fig4.6Weightvectorofeconomicindex53 重庆大学硕士学位论文③技术指标计算结果表4.3技术指标计算结果Table4.3Theresultoftechnicalindieators判断矩阵一致性比例：0.0039；相对总目标权重：0.3277；3.0045max技术指标UUUUWi2212223Ue05e25e350.335321Ue25e05e450.468122Ue35e45e050.196623施工难易程度安全可靠性与路线整体的协调性19.66%46.81%33.53%图4.7技术指标权重向量Fig4.7Weightvectorofteehnicalindex（4）环境指标计算结果表4.4环境指标计算结果Table4.4Theresultofenvironmentalindieators判断矩阵一致性比例：0.0092；相对总目标权重：0.2548；4.0251max环境指标UUUUUWi331323324Ue05e25e35e250.342831Ue25e05e25e250.219232Ue35e25e05e250.170133Ue25e25e25e050.26803454 4工程实例分析取弃土场设置的影响对农作物的影响噪声污染水环境污染21.92%17.01%26.80%34.28%图4.8环境指标权重向量Fig4.8Weightvectorofenvironmentalindex（5）生态指标计算结果表4.5生态指标计算结果Table4.5Theresultofecologicalindieators判断矩阵一致性比例：0.0019；相对总目标权重：0.2548；4.0050max生态指标UUUUUWi441424344Ue05e25e35e450.372941Ue25e05e15e350.263042Ue35e15e05e150.204643Ue45e35e15e050.15954455 重庆大学硕士学位论文工程占地植被破坏水土流失对种植物栖息地的影响26.30%20.46%15.95%37.29%图4.8生态指标权重向量Fig4.8Weightvectorofenvironmentalindex通过上面的计算求得了每一个准则层指标的权重和子准则层每一个影响指标相对于准则层指标的权重，可以通过计算得到子目标层影响因素相对于目标层的权重，所有评价指标权重分配如下：56 4工程实例分析工程造价（0.6457）经济指标（0.1626）维护费用（0.3543）施工难易程度（0.3353）技术指标安全可靠性（0.4681）（0.3277）评与路线整体的协调性（0.1966）价指标取弃土场设置的影响（0.3428）权对农作物的影响（0.2192）重环境指标分（0.2548）噪声污染（0.17001）配水环境污染（0.2680）工程占地（0.3729）植被破坏（0.2630）生态指标（0.2548）水土流失（0.2046）对动物栖息地的影响（0.1595）图4.9指标权重分配图示Fig4.9Weightdistributionoftheindexes通过计算得到了两种方案评价指标每一个影响因素的权重直方图如下：57 重庆大学硕士学位论文0.160.140.120.10.080.060.040.02012345678910111213图4.10评价指标权重直方图Fig4.10Hisogramoftheweightforevaluationindex从评价指标权重直方图中可以看出，山区公路深挖路堑与中短隧道可替代方案优选的评价指标中，指标权重超过0.08的主要有工程造价、施工难易程度、安全可靠性、取弃土场设置的影响和工程占地，这也说明了现在工程建设不仅仅只重视工程造价对工程方案的选择，在一定程度上更加注重工程对生态环境的影响和长远发展。4.2.4指标隶属度的确定在模糊层次分析法当中一般认为指标权重是想对于整个工程而言的，而评价指标的隶属度的计算是相对于每一个备选方案而言的。最常见的计算指标隶属度的方法包括：隶属函数法、模糊统计法和专家评分法等等。在指标隶属度的计算过程中涉及了许多定性和定量的问题，例如深挖路堑与浅埋隧道可替代方案的优选比较指标当中包含了定性指标如工程造价、维护费用和工程占地，也包含了许多定性的问题，对于定性的指标一般可以采用主客观评价法来确定，但是由于本研究选择的备选方案是假设而来很难得出较为准确的具体数据，本文将统一的采用专家评分法来确定方案优选中的指标隶属度。①为了使得评价方法简单易行，分别把定性的和定量的评价指标统一的进行量化分级，评价指标分级如下表所示。58 4工程实例分析表4.6评价指标等级表Table4.6Thegradingscalesofevaluationgrade总目子目标影响指标评价等级标经济工程造价低较低一般较高高指标维护费用少较少一般较多多深施工难易程度易较易一般较难难挖技术安全可靠性好较好一般较差差路指标与路线整体好较好一般较差差堑的协调性与取弃土场小较小一般较大大中环境设置的影响短指标对农作物小较小一般较大大隧的影响道噪声污染小较小一般较大大方水环境污染小较小一般较大大案工程占地少较少一般较多多优生态植被破坏小较小一般较大大选指标水土流失小较小一般较大大对动植物栖息小较小一般较大大地的影响分值0.8,1.00.6,0.80.4,0.60.2,0.40.0,0.2②为了突出每一个因素指标的重要性，有利于专家充分的了解每个因素指标对总目标的影响程度，方便专家每位专家能够客观公正的给出合理的评分，首先把所有因素指标的基本情况列于下表。59 重庆大学硕士学位论文表4.7评价指标基本情况分析表Table4.7Theanalysisoftheevaluationgradebasicsituation顺评价指标评价指标基本面概况备注序1工程造价工程建设时期的综合造价分为开挖和支护2维护费用工程运营时期的维护费用整体考虑3施工难易程度施工的可操作性和工序的合理性分为开挖和支护4安全可靠性工程的强度、稳定性及抵抗变形的能力整体考虑5与路线整体与路线整体走向的协调程度整体考虑的协调性6取弃土场弃石方的放置对环境的影响整体考虑设置的影响7对农作物主体工程对上部农作物的破坏重点考虑开挖的影响8噪声污染工程施工引起的噪声污染重点考虑开挖9水环境污染工程施工引起的水环境污染重点考虑开挖10工程占地工程主体占地和弃石方占地重点考虑开挖11植被破坏工程施工对上部植被的破坏整体考虑12水土流失主体工程和弃石方的水土流失整体考虑13对动植物栖息地主体工程对动植物栖息地的破坏重点考虑开挖的影响根据上面所确定的山地公路工程深挖路堑与中短隧道方案可替代的五个基本等级V()v1，v2，v3，v4，v5分别代表的等级为：好、较好、一般、较差、差，总共邀请了10位专家或学者（其中大学教授3位，设计单位人员3人、施工单位人员2人、研究生2人）对每个评价指标进行综合打分，根据指标隶属度的计算公式最终确定每一个评级指标的隶属度。该指标专家综合评分隶属度=专家总人数（10人）根据上面指标隶属度的确定方法，以施工的难易程度为例，专家的综合打分如下表所示：60 4工程实例分析表4.8评分表Table4.8Scoresheet指标施工的难易程度评分者深挖路堑中短隧道1较易较难2一般较难3较易一般4一般难5较易一般6较易较难7一般较难8易一般9一般难10易较难(a)好20(b)较好40(c)一般43(d)较差05(e)差02S0.9ab0.7i6.63.20.5c0.3d0.1eFS100.660.32ii从上表可以得到深挖路堑和中短隧道两个方案施工的难易程度U单因素的21评判向量：深挖路堑方案单因素施工难易程度U评判向量R(0.2,0.4,0.4,0,0)2121中短隧道方案单因素施工难易程度U评判向量R(0,0,0.3,0.5,0.2)2121③其他各项评价指标都按照施工难易程度的计算方法进行，最终得到的各项指标评价结果统计入下表。61 重庆大学硕士学位论文表4.9评分统计表Table4.9Scorestatisticsheet指深挖路堑中短隧道标好较好一般较差差好较好一般较差差1000.20.30.500.20.40.402000.30.40.30.10..40.50030.20.40.400000.30.50.24000.50.40.10.20.30.5005000.40.40.20.50.30.2006000.20.20.600.30.60.107000.20.30.500.40.50.108000.20.40.4000.10.40.59000.20.60.200.10.60.3010000.20.50.30.40.30.300110000.60.40.30.20.50012000.10.40.50.20.30.50013000.20.40.400.20.50.304.2.5模糊综合评判根据第三章介绍的模糊综合评判法的基本步骤进行深挖路堑与中短隧道可替代方案的优选。①一级模糊综合评判根据模糊综合评判模型，采用第五种数学模型M(,)从整体上综合考虑了所有评判因素对评判结果的影响，较为合理，所以采用第五种数学模型进行计算。该模型的运算公式为：mbjariiji1深挖路堑的计算过程：1）经济指标000.20.30.5BAR(0.64570.3543)111000.30.40.3000.23540.33540.42922）技术指标62 4工程实例分析0.20.40.400BAR(0.33530.46810.1966)000.50.40.1222000.40.40.20.06710.13410.44680.26590.08613）环境指标000.20.20.6000.20.30.5BAR(0.34280.21920.17010.2680)333000.20.40.4000.20.60.2000.20000.36320.43684）生态指标000.20.50.30000.60.4BAR(0.37290.26300.20460.1595)444000.10.40.5000.20.40.4000.12690.48990.3832②二级模糊综合评判000.23540.33540.42920.06710.13410.44680.26590.0861BAR(0.16260.32770.25480.2548)000.20000.36320.4368000.12690.48990.38320.02200.04390.26810.35910.3069③评价结果根据上面设定的评判等级标准V()v1，v2，v3，v4，v5，通过加权平均法对深挖路堑中评价元素进行加权平均值的计算，bk(1,2,3,4,5)分别取值为：k0.9,0.7,0.5,0.3,0.1。5Vbvkk0.90.02200.70.04390.50.26810.30.35910.10.3069k10.3230通过计算得到V0.3230，说明深挖路堑的评判结果较差。深挖路堑每个评价指标在评判等级标准V()v1，v2，v3，v4，v5的隶属度分布如下图所示。63 重庆大学硕士学位论文0.60.50.4经济指标技术指标0.3环境指标隶属度生态指标0.20.10V1V2V3V4V5评价等级图4.11深挖路堑方案评判指标向量直方图Fig4.11Hisogramoftheweightfordeepcuttingevaluationindex同理，中短隧道各项指标权重的计算如下。①一级模糊综合评判1）经济指标00.20.40.40BAR(0.64570.3543)1110.10.40.5000.03540.27090.43540.258302）技术指标000.30.50.2BAR(0.33530.46810.1966)0.20.30.5002220.50.30.2000.19190.19940.37400.16760.06713）环境指标00.30.60.1000.40.50.10BAR(0.34280.21920.17010.2680)333000.10.40.500.10.60.3000.21730.49310.20450.08514）生态指标64 4工程实例分析0.40.30.3000.30.20.500BAR(0.37290.26300.20460.1595)4440.20.30.50000.20.50.300.26910.25770.42540.04780②二级模糊综合评判0.03540.27090.43540.258300.19190.19940.37400.16760.0671BAR(0.16260.32770.25480.2548)00.21730.49310.20450.08510.26910.25770.42540.047800.13730.23040.42740.16120.0437③评价结果5Vbvkk0.90.13730.70.23040.50.42740.30.16120.10.0437k10.5513通过加权平均法计算结果显示，中短隧道方案为较好，中短隧道方案中每个评价指标在评判等级标准V()v1，v2，v3，v4，v5的隶属度分布如下图所示。0.60.50.4经济指标技术指标0.3环境指标隶属度生态指标0.20.10V1V2V3V4V5评价等级图4.11中短隧道评判指标向量直方图Fig4.11Hisogramoftheweightforshorttunnelevaluationindex65 重庆大学硕士学位论文4.2.6结果比较根据上一节的计算结果，得到了山区公路工程深挖路堑与中短隧道可替代方案评判向量直方图。0.450.40.350.30.25深挖路堑方案0.2中短隧道方案隶属度值0.150.10.050V1V2V3V4V5评价等级图4.12评判向量直方图Fig4.12Hisogramoftheevaluationindex通过深挖路堑与中短隧道方案评判向量直方图可以看出，采用中短隧道穿山较为合理，重庆金山大道西延段工程采用隧道穿山方案选择是正确的，也比较符合现在高等级公路发展生态路的基本理念，大大的减少了公路工程对山体的破坏，减少了对生态环境的破坏。4.3最小环境成本法在实例中的应用根据备选方案深挖路堑工程的的基本构架和重庆金山大道西延段工程花沟隧道的具体地址条件，估算了两个工程方案的基本规模。隧道工程总挖方约18.6万方，隧道进洞和出洞占地约1.5亩，弃石方占地约16.5亩，工程造价0.83亿元；深挖路堑工程总挖方约188万方，工程主体占地约96亩，弃石方占地约216亩，工程造价0.78亿元。其中工程造价包含了工程征地的费用，单纯从工程造价上比较，深挖路堑方案要比隧道方案节约500万元，但是深挖路堑与隧道方案的优选更应该考虑生态环境价值的影响。深挖路堑方案生态环境价值损失：（1）生态环境直接损失估算66 4工程实例分析山地公路工程深挖路堑与隧道工程生态环境直接损失主要包括工程主体占地和弃石方占地所造成的价值损失。深挖路堑工程主体占地为林地，弃石方占地为3荒地，根据资料调查数据，林地平均每亩有立木8.6m，每年的增长率为3%，木32材的影子价格为1130.8元/m，对荒地价值损失取0.68元/m，计算经济费用时社会折现率取12%，生态环境直接损失：20201(10.03)(10.12)C=968.61130.8216666.70.68（）(1+3%)直接0.120.03=959.31（万元）（2）生态环境间接损失估算①涵养水源价值损失重庆地区降雨量充沛，全年的平均降雨量为1000~1400mm，年平均降雨量取平均值1200mm，径流系数取0.65。2012000.651(10.12)C=96666.70.67涵水10000.1225.09(万元)②固定CO价值损失22参考其他资料数据统计，工程占地植被计算年生长量为9.82t/(万m)，固定CO2价值损失：20201296666.71(10.03)(10.12)C1.63250(10.03)固CO244100000.120.03=0.66（万元）③净化大气价值损失参照《自然保护区生态系统经济价值评估》中数据统计，每消减1吨CO、NOx2的成本为1600元，本工程占地植被对CO、NOx的吸收量取152.13kg/(万m)。2096666.7152.1316001(10.12)C净化1000010000.12=1.16（万元）④保护土壤价值损失土壤侵蚀价值损失，工程占地破坏植被破坏前后侵蚀的差异比为15，土壤表2土平均厚度取0.5m，工程占地平均收益为792元/m。202096666.71(10.03)(10.12)C15792(10.03)侵蚀0.5100000.120.03=140.97（万元）[59]土壤中养分流失价值损失根据化肥影子价格确定土壤养分流失价值损失，67 重庆大学硕士学位论文根据市场价格取有机肥为2000元/t，有机肥为2400元/t，该工程占地土壤表土中22有机肥和无机肥含量分别为241.56/万m、472.69/万m。2096666.71(10.12)C(472.692.4241.562.0)养分100000.12=7.73（万元）保护土壤价值损失：CCC土壤侵蚀养分=140.977.73=148.70（万元）⑤噪声污染价值损失根据调查资料显示，工程附近住户为避免噪声影响支付愿望平均值1780.5元，工程范围200m以内270户，同意支付的用户为68%。C（1-0.3）1780.527068%噪声=22.88(万元)对于隧道工程方案计算方法与上面大体相同，只有噪声污染价值损失有所不同，隧道工程方案噪声污染价值损失，工程附近住户为避免噪声影响支付愿望平均值1280.5元，工程范围200m以内270户，同意支付的用户为51%。C（1-0.3）1280.527051%噪声=12.34(万元)重庆金山大道西延段深挖路堑与隧道方案生态环境价值损失结果对比如下。表4.10生态环境价值损失表Table4.10Tableofecologicalenvironmentvalue名称生态环境价值损失（万元）路堑隧道C直接959.3120.46C涵水25.090.39C0.660.01固CO2C1.160.02净化C148.702.32土壤C30.5912.34噪声C1157.8035.54生态从深挖路堑与隧道方案生态环境价值损失结果对比可以看出，深挖路堑方案68 4工程实例分析对生态环境破坏价值损失比隧道方案多出1122.26万元，单纯的考虑减少生态环境价值损失，采用隧道工程方案比深挖路堑方案要优越的多。根据模糊综合评价法确定的指标权重，经济指标和技术指标是通过工程造价来维持的，生态指标和环境指标则体现了生态环境价值损失所占的权重，工程造价在工程总成本中的权重=0.4903，生态环境价值损失在工程总成本中的权重1=0.5097，根据工程总成本的组成权重，深挖路堑方案与隧道方案评价成本：1A=CC=0.490378000.50971157.80=4414.47（万元）路堑1122A=CC=0.490383000.509735.54=4087.60（万元）隧道1122从上面的计算可得，隧道方案评价成本要小于路堑方案评价成本，评价成本较低者为较优工程方案，与模糊综合评判法所得结果一致。可见采用最小环境成本法考虑生态环境对山区公路工程深挖路堑与隧道方案优选，可以从货币的形式上看出采用隧道方案的优越性，能从潜在节约资金的角度刺激人们对生态环境的保护意识。4.4本章小结（1）本章首先介绍了重庆金山大道西延段工程花沟隧道进口段K0+060～K0+090、隧道洞身段K0+090～K0+370和隧道出口段K0+090~K0+400基本地质构造，并且提出假设如果采用深挖路堑穿山是否具有优势。并根据工程位置的具体地质条件，假设了深挖路堑的基本构架形式。（2）考虑生态环境因素的深挖路堑与中短隧道方案优选，根据工程实例通过模糊综合评判法和层次分析法展开了对重庆金山大道西延段公路工程穿山方案的优选比较，通过模糊综合评判得到了两个工程方案最终评价值分别为V0.3230和1V20.5513，根据在评判等级标准V()v1，v2，v3，v4，v5的隶属度分布可以看出选用隧道方案要比深挖路堑方案更加合理。（3）把生态环境作为第一要素，进行深挖路堑与中短隧道方案的优选，采用最小环境成本法进行优选，通过生态环境价值损失的形式把生态环境货币化，根据工造价和生态环境价值损失权重确定两个工程方案的评价成本，根据评价成本A路堑=4414.47万元，A隧道=4087.60万元，A隧道H0时宜采用隧道方案。②从经济、技术、生态和环境四个方面进行模糊综合评判，指标权重超过0.08的主要有工程造价、施工难易程度、安全可靠性、取弃土场设置的影响和工程占地，说明高等级公路工程建设更加注重工程的安全可靠性和对生态环境的影响。二级模糊综合评价值VV，从模糊评判的角度可以看出山区公路工程中短隧路堑隧道道方案要比深挖路堑方案更加合理。③通过生态环境货币化，以货币量化的形式表示工程建设引起的生态环境实物型损失，生态环境价值损失和工程造价构成了工程总成本，根据二者所占的权重，计算考虑生态环境价值的工程建设总成本A，两个方案最终的评价成本AA。深挖路堑方案的生态环境价值损失远远的大于隧道方案，从潜在节约隧道路堑资金的角度看，采用隧道方案更加合理。④通过两种方法的优选可见，考虑生态环境价值的影响，山区公路中短隧道方案合理替代深挖路堑方案，脱离了“以投资经济为主”的建设指导思想，符合高等71 重庆大学硕士学位论文级公路发展生态路的基本理念，说明高等级公路工程建设将更加注重工程建设对生态环境的影响，旨在建筑工程与自然景观协调发展。5.2展望山区公路工程可替代方案优选是一个及其复杂的过程，涉及的因素比较多，本文初步把生态环境价值问题引入到山区公路工程深挖路堑与中短隧道的方案优选之中，生态环境货币化过程中存在很多生态环境实物型损失的估算，很多工作还需要进一步完善。①山区公路地形地貌和地质条件一般都比较复杂多变，伴随着高山的同时，也会有大量的深谷出现，公路在途经深谷的时候同样也会面临着方案优选的问题——高填方路堤与高架桥可替代方案的优选，可以考虑生态环境价值影响进行高填方路堤方案与高架桥方案优选，并估算出中心填方高度H0。②本文只考虑了建设时期生态环境价值损失对深挖路堑方案与中短隧道方案优选的影响，并没有从工程全寿命的角度考虑深挖路堑高边坡和弃石方场地复垦带来的经济收益对工程方案优选的影响，希望能从全寿命的角度考虑深挖路堑高边坡和弃石方场地复垦带来的经济收益对深挖路堑方案与中短隧道方案优选的影响，以进一步提高方案优选的科学性与合理性。72