2 專 題報導No.73 January, 2007 37 2 專題報導 中 華 技 術 S P E C I A L R E P O R T AHP 摘要 SUMMARY 污水下水道工程建設為瑞士洛桑學院評比國家競爭力指標之一, 近年政府為提升國家競爭力, 投入大量預算, 積極展開台灣地區各縣市之污水下水道工程建設 由於污水下水道工程之特色, 除與施工地質息息相關外, 亦因主要服務對象係為收集集污地區之污水, 因此管線必須朝都市或人口稠密地區佈設, 導致於施工期間將對施工範圍內之生活品質造 成影響 因此, 本研究試圖就推進工法相關評估項目, 嘗試 以系統化之分析技術求出其權重值, 並建立評估模式, 以提 1 2 3 供專案負責人或施工廠商據以選擇符合專案條件下之推進工 法 1 2 3 壹 前言 近年來台灣經濟快速成長, 為了配合政府推動台灣成為科技島及加速全球化發展, 促進全國之經濟發展與社會繁榮, 自來水 電力 電信 瓦斯 排水 下水道等等之地下化乃成為公共工程推動之重點項目 然隨著都市快速發展, 都市環境景觀日受重視, 許多道路已不容許以明挖覆蓋工法來進行地下管線埋設工作 為確保都市交通順暢, 減少噪音與環境污染 美化市容 降低對生活環境品質衝擊的考量下, 各種非明挖 (No-Dig) 施工方法便因應而生 然因施工技術亦日趨複雜與高難度化, 早期國內所引進之直線推進工法已不敷所求, 各施工區所規劃之現行路線顯示需具有效率之推進工法 ( 如滿足長距離 曲線, 且具推進效能 ), 才能滿足管線市場多樣化之需求 為落實國家推動下水道普及化之政策, 所帶來的下水道工程量增加進而牽動工程預算高漲 社會成本損失及對環境衝擊的影響 並為克服下水道工程所帶來負面的衝擊, 使得工程在人口密集的都市, 面臨高度複雜且困難的工程環境 本研究之目的如下 : 一 蒐集下水道推進工法之資料, 並對其進行評估, 期望能建立一個客觀之下水道工法評選模式 二 在以減少施工社會衝擊及合理成本的考量之下, 尋求一高效率及高性能之下水道推進工法, 以面對台灣未來在下水道施工上的大量需求及日益嚴峻的施工條件 貳 分析方法介紹 一 模糊德爾非法之介紹 ( 一 ) 傳統德爾菲法 (Delphi Method) 傳統德爾菲法是由 Rand Corporation 公司的德爾克 (Dalkey) 和其助手所設計發明的一種預測技術, 這種方法的特色就是會先用問卷方式徵詢, 由決策群體針對於特定對象 專家學者, 匯集群體一致性共識的意見, 並經過重複的修正後歸納出最後結果 ( 二 ) 模糊德爾菲法 (Fuzzy Delphi Method) 本研究評估以參考陳昭宏所提出之模糊德爾菲法相關理論 1 為基礎, 利用 雙三角模糊數 來整合專家認知, 利用 灰色地帶檢定法 檢驗專家認知是否已達到收斂, 使用 可能性範圍之最大值與最小值 觀念, 來取代 Ishikawa 等人的模糊德爾菲法模式中 最有可能 與 最不可能 的觀念, 可使模糊德爾菲法之分析結果更為嚴謹且合理 其分析流程詳圖 1 所示 36 No.73 January, 2007 圖 1 模糊德爾菲法分析流程
專題報導No.73 January, 2007 39 二 層級分析法 (AHP) 簡介 本研究擬藉由多準則評估理論 (Multiple Criteria Decision Making,MCDM) 中常用之 AHP (Analytic Hierarchy Process) 法為主幹, 階層 架構如圖 2, 利用後續建立的推進工法評估指標 來進行工法適用性分析模式之建構, 以期獲得 客觀的推進工法適用性評估模式 分析運作流 程如表 1,AHP 分析的整體流程如圖 3 圖 2 AHP 標準階層架構圖 表 1 層級分析法 (AHP) 三大運作階段 2 階段意義工作重點 1. 問題之確認與層級建構 2. 主觀判斷的辨別與比較 對問題進行了解, 以層級形式重新組織 透過評比尺度分辨並比較出準則間優劣程度 參 推進工法介紹 層級結構之建立 評比尺度的運用與評比矩陣的建立 輸出結果 層級結構 局部優勢 圖 3 AHP 分析的整體流程 表 2 泥濃式推進工法之適用地質及地下狀況 地質條件 巨石砂礫層 砂礫層 砂質土層 黏性土層 泥岩 頁岩 風化砂岩及固結粉砂層 高水壓 高覆土層 最小覆土 鄰近障礙物 無水層 流木 基樁等障礙 含沼氣等土質 二 土壓平衡推進工法 土壓平衡推進工法, 利用掘進機頭的切刀 盤以旋轉方式切割地盤, 掘鬆之土壤推擠入土 壓倉, 土壓倉後接螺旋輸送管, 可以經由排匣 口連續排土至輸送帶, 再後送至運土台車, 後 送至出發井, 再由門型吊車吊運到地面棄土 適應能力 最大排土粒徑為排土管徑之 40%, 其限制為每推進 1 公尺排除約 4 個 30% 管徑之礫石, 大於此限制需使用破碎型掘進機 礫石含量 :<90% N 值 :>50( 標準機 ) 透水係數 :<10-1cm/s, 大於以上條件需使用破碎型掘進機 完全沒有問題, 但對於覆土 =1.0D 左右之挖掘需檢討 從固結黏性土層到軟弱黏土層均無問題, 但若黏土容易附著於刀刃上, 則必須添加附著防腐劑 單軸抗壓強度 10MPa 以下, 若使用破碎型掘進機, 則可達到 150MPa 左右 一般維持之水頭差為 20m, 若覆土在 GL-12m 以下或向下傾斜開挖則需 2 段式排土設備, 曾有 0.3MPa 水壓之實績, 但需配合特殊設備 維持 1.0D 以上之覆土, 若小於 1.20m 則需配合地盤改良 維持管外徑 30% 左右以上之距離, 或最小間距 0.30m 以上, 橫過時維持 1.0 管外徑 岩層和石砂礫層之外周阻抗將增加 10%~20% 左右, 但對其他土質地盤則無問題 從實績而言沒有問題, 但需選擇特殊刀刃 需配合防爆機器 通風設備及檢測系統等, 但無掘進問題 坑 圖 6 為土壓平衡推進工法示意圖, 圖 7 為土 壓平衡掘進機構造 ( 正面 ) 導38 No.73 January, 2007 一 泥濃式推進工法泥濃式推進工法為日本於 1982 年開發出來之工法, 近年來廣為採用, 主要在掘進機頭即機身周圍注入高比重 高黏性及高流動性之固結滑材 ( 如圖 4), 以降低周圍土壤與管材界面間之摩擦力, 達到長距離推進之效果 泥濃式推進工法施工示意圖如圖 5, 適用地質及地下狀況可見表 2 圖 4 泥濃泥水形成之固結滑材斷面示意圖 圖 5 泥濃式推進工法施工示意圖圖 6 土壓平衡推進工法施工示意圖圖 7 土壓平衡掘進機構造圖 ( 正面 )
專題報導No.73 January, 2007 41 土壓平衡推進工法適用土質的分類如下 6 : 泥水加壓工法適用土質的分類如下 6 : 肆 推進工法評估模型架構 普通土 三 泥水加壓推進工法 普通土 為了鑑別下水道推進工法之適用性, 將先 砂質土 (N 值未滿 50) 砂礫土 ( 最大粒徑未滿 20mm, 礫石含有率未滿 30%) 黏性土 (N 值為 10 以下 ) 泥水加壓推進工法係將穩定液 ( 泥水加作 泥材 ) 以送泥泵輸送至掘進機前端以隔版分割 之密封泥水室, 穩定液經切刀盤滲透至掘削面 之土壤, 形成不透水泥膜, 以達切削面穩定之 砂質土 (N 值未滿 50) 砂礫土 ( 最大粒徑未滿 20mm, 礫石含有 率未滿 30%) 黏性土 (N 值為 10 以下 ) 建構下水道推進工法之評估模型架構, 來輔助 施工專案之負責人能針對該專案評選出最適當 的工法 圖 10 是本研究建構工法評估模式之流 程 礫質土最大粒徑 20mm 以上, 未滿掘進機外徑的 20% 礫石含有率介於 30% 與 80% 之間 效果, 切削之土壤則與泥水混合, 利用排泥泵 抽送至坑外脫泥處理設備, 經脫泥後之泥水再 循環使用之工法 ( 如圖 8) 泥水加壓型掘進機構 造圖 ( 立面 ) 如圖 9 所示 掘進機切刀盤可因應 礫質土 最大粒徑 20mm 以上 礫石含有率介於 30% 與 80% 之間 硬質土 不同地質, 改變開口率與更換截齒, 並可依據 不同土質改變切刀 硬質土 黏性土 N 值大於 10, 單軸壓縮強度小於 黏性土 N 值大於 10, 單軸壓縮強度小於 5MPa 表 3 各類推進工法性能比較 5MPa 圖 10 建構工法評估模式之流程圖 工法項目 土壓平衡推進工法 泥水加壓推進工法 泥濃式推進工法 四 現有推進工法比較 各類推進工法優缺點之比較分析如表 3 一 建立推進工法適用性評估項目 根據過去之施工經驗 參考文獻及專家意 機頭長度最小中最大 見, 初步整理出 17 項下水道推進工法選擇評估 所需工作平面 最小中最大 表 4 推進工法適用性評估項目 表 5 評估項目 CP 值及接受 / 拒絕列表 導40 No.73 January, 2007 圖 8 泥水加壓推進工法施工示意圖圖 9 泥水加壓型掘進機構造圖 ( 正面 ) 推進所需耗材 對開挖面的安定性 排土方式 滑材 大量的水 滑材 泥漿 ( 廢報紙 ) 滑材 ( 泥漿加滑材粉 ) 報紙渣 A B 劑 好較低最好 固態排土 ( 排土輸送機 台車 ) 或塑性狀排土 ( 壓送泵或吸入式泵 ) 液態排土 ( 葉輪式送排泥泵 ) 不需人力 塑性狀排土 ( 壓送泵或吸入式泵 ) 使用人工將濃泥漿推至真空排土管入口排出 費用低中高 推進效率普通快慢 障礙物處理能力 普通普通最好 曲線施工普通普通最好 廢棄泥水處理問題 地下水位較高 最好處理較難處理較難處理 不適合適合適合 項次細部評估項目 1 推進速率 2 排土速率 3 障礙物排除能力 4 曲線施工能力 5 土質互層施工能力 6 機具安裝時間 7 操作手的經驗 8 管線內工作人員之安全性 9 長距離推進能力 10 機具維修成本 11 推進工班人數 12 能源消耗 13 廢棄物處理成本 14 開挖面穩定度 15 環境污染 16 施工噪音 17 施工圍籬面積 項次細部評估項目 CP 值拒絕 / 接受 1 推進速率 8.55 接受 2 排土速率 8.00 接受 3 障礙物排除能力 9.00 接受 4 曲線施工能力 6.66 接受 5 土質互層施工能力 7.00 接受 6 機具安裝時間 6.00 拒絕 7 操作手的經驗 7.91 接受 8 管線內工作人員之安全性 7.60 接受 9 長距離推進能力 7.13 接受 10 機具維修成本 7.24 接受 11 推進工班人數 6.52 接受 12 能源消耗 6.38 接受 13 廢棄物處理成本 7.06 接受 14 開挖面穩定度 7.71 接受 15 環境污染 6.52 接受 16 施工噪音 6.92 接受 17 施工圍籬面積 6.08 拒絕
專題報導No.73 January, 2007 43 導42 No.73 January, 2007 項目, 如表 4 這 17 項評估項目又歸納分屬於三大評估指標 二 評估項目之篩選本研究根據下水道推進施工及技術人員的一般性需求, 將工法適用性評估項目設定門檻值, 以篩選適合之評估項目 一般而言, 門檻值之設定係由決策者之主觀認定, 若決策者認為評估指標數目太少時, 可將門檻值降低 ; 反之, 指標數目太多時, 可將門檻值提高 7 本研究選取 CP6.38 為篩選門檻值, 將 機具安裝時間 評估項目 (CP 值 6.0) 施工圍籬面積 項目 (CP 值 6.08) 兩項偏低者予以刪除, 見表 5 另外, 下水道工程施工人員一致認為, 若工法適用性評估項目過多時, 將造成工法使用決策人員疲於奔命, 模糊評估重點, 因此本研究將門檻值設為 6.38, 主要目的便是可以將明顯偏低的項目予以刪除, 僅保留 CP 較高的 15 個項目, 以代表下水道推進工法適應性評估使用 ; 經過 CPi 值得評估篩選後, 其拒絕及接受如表 5 1 若 CPi 6.38, 則接受該推進工法適用性評估項目 2 若 CPi<6.38, 則拒絕該推進工法適用性評估項目 若將 17 項評估項目之 CP 值由高到低按順序排列, 則如表 6 所列 由表 6 可大致觀察出, 一般業界對推進工法選用評估項目的重要性排列首要還是以施工規劃指標為主, 其次是成本效益指標, 最後是 表 6 評估項目 CP 值之排序 順序 評估項目 CP 值 1 障礙物排除能力 9.00 2 推進速率 8.55 3 排土速率 8.00 4 操作手的經驗 7.91 5 開挖面穩定度 7.71 6 管線內工作人員之安全性 7.60 7 機具維修成本 7.24 8 長距離推進能力 7.13 9 廢棄物處理成本 7.06 10 土質互層施工能力 7.00 11 施工噪音 6.92 12 曲線施工能力 6.66 13 推進工班人數 6.52 14 環境污染 6.52 15 能源消耗 6.38 16 施工圍籬面積 6.08 17 機具安裝時間 6.00 三 建立各層級評估項目權重 本研究所擬定之影響因子, 透過業界及專 家進行模糊德爾菲問卷之重要性分析之後, 將 原本較不重要的兩個評估項目 : 機具安裝時間 (CP 值 6.00) 及施工圍籬面積 (CP 值 6.08) 剔 除, 將剩餘的 15 項評估項目重新排列如圖 11 待確認層級架構及評估項目之後, 本研究 立刻製作 AHP 層級分析問卷, 本問卷之評估尺 度分為五等分, 期間又有四個相鄰尺度的中間 值, 問卷分發對象以台北縣中和地區污水下道 系統新建工程之主辦機關 設計監造單位 施 工廠商為主 經過問卷統計後, 各評估項目之 權重如表 7 表 7 AHP 層級分析評估架構權重值 權重 0.5 0.3 推進工法適用性評估項目層級架構 細部評估項目 指標內之權重 整個模式中之權重 推進速率 0.12 0.06 排土速率 0.11 0.06 障礙物排除能力 0.08 0.04 曲線施工能力 0.12 0.06 土質互層施工能力 0.10 0.05 操作手的經驗 0.15 0.07 管線內工作人員之安全性 0.18 0.09 長距離推進能力 0.14 0.07 機具維修成本 0.30 0.09 推進工班人數 0.17 0.05 廢棄物處理成本 0.25 0.08 能源消耗 0.28 0.08 四 各層級評估項目權重分析 將模糊德爾菲法其權重值與 AHP 層級分析法 求得之權重值做比較則如表 8 及圖 12, 由圖 12 中 可以大致看出, 除了障礙物排除能力這項評估 項目權重值差異較大外, 其餘評估項目之權重 數值僅有些微差異 以各評估項目之相對重要 性權重來說, 由於 AHP 層級分析法著重在層級中 的兩兩比較, 故本研究認為使用 AHP 層級分析法 所得之權重值較符合實際狀況 評估項目指標權重 0.5 0.3 0.2 表 8 AHP 及德爾菲權重值之比較 細部評估項目 項次 指標內之權重 AHP 層級架構之權重 模糊德爾菲之權重值 推進速率 1 0.12 0.06 0.07 排土速率 2 0.11 0.06 0.07 障礙物排除能力 3 0.08 0.04 0.08 曲線施工能力 4 0.12 0.06 0.06 土質互層施工能力 5 0.1 0.05 0.06 操作手的經驗 6 0.15 0.07 0.07 管線內工作人員之安全性 7 0.18 0.09 0.07 長距離推進能力 8 0.14 0.07 0.06 機具維修成本 9 0.3 0.09 0.07 推進工班人數 10 0.17 0.05 0.06 廢棄物處理成本 11 0.25 0.08 0.07 能源消耗 12 0.28 0.08 0.06 開挖面穩定度 13 0.41 0.08 0.08 施工噪音 14 0.27 0.05 0.07 環境汙染 15 0.33 0.06 0.07 圖 11 推進工法適用性評估層級架構圖 0.2 開挖面穩定度 0.41 0.08 施工噪音 0.27 0.05 環境汙染 0.33 0.06 圖 12 AHP 及德爾菲權重值之比較圖
專題報導No.73 January, 2007 45 由整體 AHP 架構的權重可知, 權重值最高的 解在工程業界對於工安及施工經驗相當重視 評估項目為機具維修成本及管線內施工人員之 再觀察成本效益指標, 業界在成本上考量最多 安全性, 可知現行業界對於工作人員的生命安 的是機具維修成本, 其次是能源消耗成本 最 全相當重視, 在成本效益的考量方面, 會較重 後觀察施工環境指標, 其評估項目順序由高到 視不同推進工法之機具使用維修成本 再者, 低是開挖面穩定度 環境汙染 施工噪音 層級架構中權重值第二高的是廢棄物處理成 本 能源消耗及開挖面穩定度 再觀察三個工 法評估指標之權重大小, 會發現之權重值幾乎佔了整體的一半, 其次是成 伍 結論與建議 本效益指標及, 其權重數值 一 結論 分別是 0.5 0.3 0.2 本研究利用模糊德爾菲法, 針對評估項目 若將比較範圍設在各指標項目內, 其細部評估項目之排序如表 9 觀察施工規劃指標可以發現, 權重最高之兩項評估項目是管線內施工人員之安全性及及操作手經驗, 由此可大致了表 9 AHP 指標內評估項目權重值比較表 進行重要度分析, 建立下水道推進工法評估之層級架構, 並經由初步 AHP 問卷的發放計算出各評估項目之相對重要權重 目前之成果說明如下 : ( 一 ) 由大量文獻之調查及多次與下水道施工業界之訪談, 並且經由糢糊德爾菲法 導細部評估項目 評估指標內之相對權重 管線內工作人員之安全性 0.18 操作手的經驗 0.15 長距離推進能力 0.14 曲線施工能力 0.12 推進速率 0.12 排土速率 0.11 土質互層施工能力 0.1 障礙物排除能力 0.08 機具維修成本 0.30 能源消耗 0.28 廢棄物處理成本 0.25 推進工班人數 0.17 開挖面穩定度 0.41 環境汙染 0.33 施工噪音 0.27 44 No.73 January, 2007 進行下水道推進工法評估項目之篩選, 建立推進工法評估之層級架構, 為後續之研究訂定基礎 ( 二 ) 由 AHP 層級分析法計算出各評估項目之相對重要性權重值, 對本研究掌握目前下水道施工業界之工法評估優先順序很有幫助, 了解各評估項目之重要性, 以協助後續推進工法績效值之計算 由初步之權重結果可以了解到現今下水道業界對於工法選用佔相當大比例在成本的評估上, 反映出下水道業界以成本為主要考量之決策習慣 除此之外由於管線內工作人員安全性的權重值也得知現在業界普遍對於工地安全有著較高的重視程度 二 建議為使本研究能更貼近下水道業界之需求, 建議如下 : ( 一 ) 進行下水道推進工法績效評估問卷, 對泥濃式推進工法 土壓式推進工法及泥水式推進工法進行評分, 求出各工法在各評估項目之績效值 ( 二 ) 針對已建立之評估項目, 再做深入之探討, 以建立符合本土條件之成本分析模式, 並以案例研究其生產力值 參考文獻 1. 陳昭宏, 亞太港埠競爭力與核心能力指標之研究, 運輸學刊 (2001) 2. 何敬之 藍筱蘋 劉仁智, 多評準則決策 分析層級程序法尺度之研究, 管理學報, 第十二卷, 第一期 (1995) 3. 許光華, 分析層級程序法在決策分析上之應用, 空軍學術月刊,(1995) 4. 洪嘉均, 道路邊坡生態工法評估模式之研究, 碩士論文, 逢甲大學水利工程研究所, 台中 (2004) 5. 張吉佐 邱德夫 林士彥, 中興工程顧問股份有限公司, 施工專欄 (2005) 6. 技術委員會, 推進工法體系 推進工技術編, 日本下水道管渠推進技術協會 (2006) 7. 陳啟光, 統計方法與多目標決策分析在高等教育資源最佳化分配的應用, 清華大學工業工程研究所碩士論文,1986