西安地鐵一號(hào)線暗挖施工技術(shù)方案選優(yōu)方法探討

王建中 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院

2013年年底前，西安地鐵一號(hào)線、二號(hào)線兩條線路將建成運(yùn)營(yíng)。二號(hào)線線路全長(zhǎng)26.4 km，設(shè)車站21座，已于2006年9月動(dòng)工，2011年9月通車試運(yùn)行。一號(hào)線項(xiàng)目已于2009年年初動(dòng)工，線路全長(zhǎng)23.9 km，設(shè)車站19座，其暗挖工程正在全面實(shí)施。一號(hào)線車站的暗挖工程正在陸續(xù)開工建設(shè)。

由于工程浩大、技術(shù)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)度極大，為了確保實(shí)現(xiàn)地鐵項(xiàng)目的質(zhì)量、安全、環(huán)境、進(jìn)度、成本等目標(biāo)，采用科學(xué)、有效的方法對(duì)現(xiàn)有各種暗挖施工技術(shù)方案進(jìn)行選優(yōu)具有十分重要的意義。暗挖施工技術(shù)方案選優(yōu)方法不僅對(duì)一號(hào)線具有實(shí)際指導(dǎo)作用，而且可以在地鐵三號(hào)線進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 問(wèn)題的提出

目前設(shè)計(jì)單位在對(duì)暗挖施工技術(shù)方案進(jìn)行選優(yōu)時(shí)，主要考慮施工技術(shù)方案的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可行性。對(duì)多個(gè)備選施工技術(shù)方案，按照前述目標(biāo)的順序，分別對(duì)每一個(gè)目標(biāo)將備選施工技術(shù)方案進(jìn)行比較，最終選出一個(gè)滿足業(yè)主要求、安全性高、成本低、切實(shí)可行的施工技術(shù)方案。

設(shè)計(jì)單位的選優(yōu)過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)決策過(guò)程，上述目標(biāo)可以歸納為質(zhì)量、安全、環(huán)境、進(jìn)度、成本等分目標(biāo)。針對(duì)施工技術(shù)方案的選優(yōu)，本文提出運(yùn)用層次分析法，對(duì)各個(gè)分目標(biāo)進(jìn)行綜合考慮，實(shí)行多目標(biāo)決策。

2 西安地鐵項(xiàng)目暗挖施工技術(shù)方案選優(yōu)

西安城區(qū)地鐵工程所處地層為多層沙礫、卵石及第四紀(jì)全新世沖、洪積黃土狀土、殘積古土壤、西北濕陷性黃土地質(zhì)。根據(jù)西安地鐵所處地質(zhì)情況的特殊性，地鐵項(xiàng)目暗挖施工可能采用的方法有中洞法、洞柱法、洞樁法、上下導(dǎo)坑法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和盾構(gòu)法等。

在地鐵項(xiàng)目暗挖施工技術(shù)方案選優(yōu)時(shí)，要考慮的因素很多，在這些因素中，往往各種因素之間存在一定的矛盾，這樣就不可能直接簡(jiǎn)單地將多個(gè)因素歸一化，用一個(gè)指標(biāo)代替，而需要在各個(gè)因素之間進(jìn)行權(quán)衡，從而解決非序列多因素問(wèn)題。

層次分析方法是一種實(shí)用的多準(zhǔn)則（多因素）決策方法。對(duì)項(xiàng)目暗挖施工技術(shù)方案可以采用多層次分析法進(jìn)行選優(yōu)。

2.1 建立系統(tǒng)的遞階層次結(jié)構(gòu)

影響暗挖施工技術(shù)方案選優(yōu)的主要因素如圖1所示。C1為工程材料，C2為機(jī)械設(shè)備，C3為施工工序，C4為施工方法，C5為施工人員，C6為影響質(zhì)量的環(huán)境因素，C7為區(qū)域生態(tài)平衡，C8為環(huán)境質(zhì)量變化，C9為自然資源利用，C10為文物保護(hù)，C11為施工條件的變化。本文僅列舉了11個(gè)主要因素，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，影響因素的數(shù)量是可以變化的。

圖1 暗挖施工技術(shù)方案選優(yōu)的層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 建立評(píng)判矩陣

對(duì)每一層次的元素，以上一層的一個(gè)元素作為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行兩兩比較，決定其重要程度，并對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行評(píng)分，構(gòu)造出評(píng)判矩陣。上一層有多少個(gè)元素就可以得到多少個(gè)矩陣。在建立遞階層次結(jié)構(gòu)以后，上下層次之間各因素的隸屬關(guān)系就被確定了。由于暗挖施工技術(shù)方案很復(fù)雜，各因素的權(quán)重不容易直接獲得，需要通過(guò)專家們采取兩兩比較的方法導(dǎo)出它們的權(quán)重。

首先，針對(duì)總目標(biāo)A，兩個(gè)因素Bi和Bj哪一個(gè)更重要，重要多少，按表1（評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表）對(duì)重要性程度賦值。構(gòu)造各分目標(biāo)Bi相對(duì)于總目標(biāo)A的評(píng)判矩陣D1。D1=(dij)3×3i，j=1，…3

其次，構(gòu)造各工程因素C1-C6相對(duì)于分目標(biāo)B1的評(píng)判矩陣D11；構(gòu)造各工程因素C1-C5相對(duì)于分目標(biāo)B2的評(píng)判矩陣D12；構(gòu)造各工程因素C7-C10相對(duì)于分目標(biāo)B3的評(píng)判矩陣D13；構(gòu)造各工程因素C1-C5、C11相對(duì)于分目標(biāo)B4的評(píng)判矩陣D14；構(gòu)造各工程因素C1-C5相對(duì)于分目標(biāo)B5的評(píng)判矩陣D15（評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1）。

表1 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)表

再次，構(gòu)造暗挖施工技術(shù)方案層對(duì)各影響因素Ck(k=1，…11)的兩兩比較的評(píng)判矩陣。

2.3 在上一層目標(biāo)下各因素相對(duì)權(quán)重的計(jì)算

(1)計(jì)算評(píng)判矩陣D每行元素的連乘積Mi(i=1，…m)，m為評(píng)判矩陣D中影響因素的個(gè)數(shù)。Mi=Σbij

(2)計(jì)算Mi的m次方根β。βi=Mi=Σbij(i，j=1，2，…m)

(3) 求特征向量α。對(duì)向量β=(β1，β2，…βm)T作歸一化處理，從而得到特征向量α=(α1，α2，…αm)T，αi(i=1，2，…m)即為在上一層目標(biāo)下各因素的相對(duì)權(quán)重。

對(duì)(2)中每一個(gè)評(píng)判矩陣進(jìn)行上述計(jì)算，可得出對(duì)應(yīng)的特征向量（即相對(duì)權(quán)重向量）α，它們分別為：的上標(biāo)為上一層目錄 ，下標(biāo)為各影響因素。

2.4 “暗挖施工技術(shù)方案”層對(duì)總目標(biāo)A的總權(quán)重向量計(jì)算及選優(yōu)

第四層（暗挖施工技術(shù)方案層）對(duì)于第三層的相對(duì)權(quán)重向量分別為(r=1，2，…11)，則對(duì)于B1分目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重向量為對(duì)于B2分目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重向量為對(duì)于B3分目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重向量為對(duì)于B4分目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重向量為對(duì)于B5分目標(biāo)的相對(duì)權(quán)重向量為

總權(quán)重向量中最大數(shù)值所對(duì)應(yīng)的方案即為最優(yōu)暗挖施工技術(shù)方案。

2.5 評(píng)判矩陣的一致性檢驗(yàn)

在計(jì)算某準(zhǔn)則下排序權(quán)重向量時(shí)，還必須進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。由于暗挖施工技術(shù)方案選優(yōu)的復(fù)雜性與打分專家認(rèn)識(shí)的多樣性，在評(píng)判矩陣的構(gòu)造中，并不要求評(píng)判具有傳遞性和一致性。但評(píng)判矩陣既是計(jì)算排序權(quán)重向量的根據(jù)，就要求評(píng)判矩陣有大體上的一致性，符合一般性的常識(shí)。當(dāng)評(píng)判矩陣偏離一致性過(guò)大時(shí)，按評(píng)判矩陣計(jì)算的結(jié)果有可能導(dǎo)致決策失誤。因此需要對(duì)每一個(gè)評(píng)判矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

3 結(jié)論

影響暗挖施工技術(shù)方案選取的主要因素有很多種。通過(guò)建立評(píng)判矩陣，并計(jì)算在上一層目標(biāo)下各因素的相對(duì)權(quán)重，最終求出各個(gè)暗挖施工技術(shù)方案對(duì)總目標(biāo)A的總權(quán)重向量為，總權(quán)重向量中最大數(shù)值所對(duì)應(yīng)的方案即為最優(yōu)方案。