層次分析法在蓋挖工法選型中的應(yīng)用研究

朱 力，田海光，袁 勇

(1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092;2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043;3.土木工程國家重點實驗室，上海 200092)

0 引言

蓋挖法由于其占用地面少，有利于交通組織，一般可做到維持施工期間地面原有的交通能力，因而在城市地鐵車站建設(shè)中被廣泛應(yīng)用［1］。常用于地鐵車站的蓋挖工法有蓋挖順作法、蓋挖逆作法和蓋挖半逆作法［2］。在地鐵車站方案設(shè)計階段，針對這3種工法的選型決策不僅需要考慮工法的安全性和可行性，而且還需考慮工期、工程質(zhì)量、經(jīng)濟效益和社會效益等因素［3］，屬于多屬性決策分析的一種［4］。

在多屬性決策分析中，逐漸形成了線性分配法［5］、簡 單 加 權(quán) 法［6］、層 次 分 析 法 (Analytic Hierarchy Process)［7］、ELECTRE 法［8］和 TOPSIS 法［9］等經(jīng)典決策方法，而層次分析法因其簡單、靈活、實用的特點得到了廣泛地應(yīng)用。張培輝［10］運用層次分析法在井點法、圍堰施工法、地下連續(xù)墻施工法、沉井施工法等降水方案中選取最優(yōu)施工方案;宋天田［11］在TBM和傳統(tǒng)施工方案的選擇上，采用層次分析法對影響隧道施工的各因素進行分析，建立了一套科學(xué)的、綜合的評判體系;孟剛［12］采用天津大學(xué)管理學(xué)院管理學(xué)研究所制作的AHP軟件系統(tǒng)，對各評價指標運用了權(quán)重的概念，建立了城市污水處理廠工藝方案選擇的優(yōu)化模型。

盡管層次分析法已經(jīng)在許多領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用，但是針對3種蓋挖工法選型決策的研究還較少，而且在已有的研究中，分析過程的評價指標基本是作者本人給出的，缺少可靠性和說服力。本文通過對青島五四廣場地鐵車站進行實例分析，運用層次分析法對3種蓋挖工法的選型決策進行研究，評價指標通過收集專家問卷調(diào)查表的方式獲得。

1 工程概況

1.1 車站設(shè)計概況

五四廣場站主體位于青島市香港中路和山東路交叉口，沿著香港中路布置。車站起訖里程為 K6+780.686 ～ K7+058.286，長 277.6 m，標 準 段 寬44.8 m，共設(shè)置7個出入口和2組風(fēng)亭，主體結(jié)構(gòu)形式為五柱六跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。車站頂板以上覆土厚度約為5.3 m，頂板以下基坑深度約為13 m，基坑寬度為 45.8 m，工程位置見圖 1［6］。

圖1 車站工程位置圖Fig.1 Location of Metro station

1.2 鄰近建筑物情況

車站周圍均為近幾年新建的高層建筑物，主要有香格里拉大酒店、頤和國際、青島國貿(mào)大廈(在建)和市政府辦公樓，建筑物與地鐵基坑的最近距離約為16 m。車站結(jié)構(gòu)與周邊主要建筑物的相互關(guān)系見圖2，車站結(jié)構(gòu)與周邊主要建筑物的距離見表1。

圖2 車站結(jié)構(gòu)與周邊主要建筑物的相互關(guān)系Fig.2 Metro station and major surrounding buildings

1.3 管線情況

青島五四廣場地鐵車站位于城市中心，處于山東路與香港中路交叉口，周邊管線復(fù)雜，數(shù)量較多。在統(tǒng)計管線時，將2條道路所劃分的4個區(qū)域分為4個象限。根據(jù)現(xiàn)場和相關(guān)資料，對管線種類、規(guī)格及產(chǎn)權(quán)單位進行統(tǒng)計，如表2所示。

表1 車站結(jié)構(gòu)與周邊主要建筑物的距離Table 1 Distance between Metro station and major surrounding buildings

2 層次分析法對3種施工方案的比選

蓋挖順作法、蓋挖逆作法和蓋挖半逆作法這3種工法在國內(nèi)都有成功應(yīng)用的案例。理論上講，這3種工法都適用于青島五四廣場地鐵車站的施工，但若要找到其中最適合的工法，需采用層次分析法對這3種工法進行比選。

2.1 3種蓋挖工法簡介

2.1.1 蓋挖順作法

蓋挖順作法是在使用臨時蓋板作為臨時路面而不影響交通的情況下，在蓋板下方進行土方開挖，直至開挖到地下結(jié)構(gòu)底部的設(shè)計標高;然后，再依照地上建筑物的常規(guī)施工順序由下而上修建該地下結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)，并進行防水處理;上述工序完成后，拆除臨時頂蓋，進行土方回填，并恢復(fù)地下管線或埋設(shè)新的管線。

2.1.2 蓋挖逆作法

蓋挖逆作法施工時，首先，在地面向下做基坑的圍護結(jié)構(gòu)和中間樁柱，在地面開挖至主體結(jié)構(gòu)頂板底面標高并澆筑，形成地下結(jié)構(gòu)的永久頂板，進行覆土回填，形成永久路面，恢復(fù)交通;然后，在頂板的保護下自上而下逐層開挖，每開挖完一層，即澆筑本層的底板(同時也是下一層的頂板)和邊墻，逐層建造主體結(jié)構(gòu)直至整體結(jié)構(gòu)的底板。

2.1.3 蓋挖半逆作法

蓋挖半逆作法和蓋挖順作法相似，也是在完成頂層板及恢復(fù)路面交通后，向下挖土至地下結(jié)構(gòu)底板的設(shè)計標高，先澆筑底板，再依次向上逐層澆筑側(cè)墻和樓板。與蓋挖順作法的區(qū)別在于，蓋挖順作法所完成的頂板是將來要拆除的臨時性蓋板，而不是永久結(jié)構(gòu)。

表2 主要管線表Table 2 Major utility lines

2.2 備選評價指標的確定

一個最佳的施工方案應(yīng)該是在能夠圓滿完成工程建設(shè)的同時，又能取得良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。通過對青島五四廣場地鐵車站施工方(中鐵二十局五四廣場地鐵車站項目部)、甲方(青島地鐵公司)和設(shè)計方(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司)的調(diào)研，得到他們所關(guān)心的指標，再結(jié)合現(xiàn)場實際情況，確定備選評價指標為11項，分別為對地面交通的影響、管線翻交難易程度、綜合施工技術(shù)難度、類似工程經(jīng)驗成熟度、施工設(shè)備狀況、工藝可行性和可靠性、施工進程連續(xù)性、工程質(zhì)量、工期、工程造價和施工機械化程度。制作專家問卷調(diào)查表，對這些備選評價指標進行篩選，發(fā)出問卷調(diào)查表26份，回收14份，問卷調(diào)查對象為中鐵二十局五四廣場地鐵車站項目部、青島地鐵公司、中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司以及同濟大學(xué)相關(guān)教授。

通過回收、分析、整理問卷調(diào)查表，得到最終的評價指標為:對地面交通的影響、管線翻交難易程度、工期、工程造價、施工機械化程度、綜合施工技術(shù)難度以及工程質(zhì)量，共7項。

2.3 遞階層次結(jié)構(gòu)的建立

遞階層次結(jié)構(gòu)由目標層、準則層和方案層組成。目標層一般是決策目標，是比選的最終結(jié)果，即最優(yōu)方案，通常只有1個元素，位于遞階層次的最高層。準則層一般是由決策判斷的依據(jù)和限制條件組成，即通過專家問卷調(diào)查表確定的7項評價指標，位于中間層次，受決策目標支配。方案層位于結(jié)構(gòu)的底層，與各個比選準則產(chǎn)生直接聯(lián)系。優(yōu)選方案的遞階層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 方案優(yōu)選的層次結(jié)構(gòu)Fig.3 AHP method

2.4 判斷矩陣的建立

建立了遞階層次結(jié)構(gòu)之后，上下層元素之間的隸屬關(guān)系就確定下來了。假定上一層元素Ai對下一層元素 B1，B2，B3，…，Bn有支配關(guān)系，就可以建立以 A 為目標的關(guān)于 B1，B2，B3，…，Bn間的判斷矩陣，將隸屬于同一指標的各指標值之間的相對重要性進行比較，判斷矩陣記為Ai-B，如:

矩陣Ai-B是一個互反矩陣，元素Bij表示在隸屬于Ai的諸指標中，指標i相對于指標j的重要性程度。Bij(i，j=1，2，3，…，n)的性質(zhì)有:Bij＞ 0，Bij=1/Bji，Bii=1。矩陣Ai-B中的元素不一定具有傳遞性，即不要求一定滿足 BijBjk=Bki。一般采用 Saaty提出的1—9比率標度法給判斷矩陣中的元素Bij賦值，見表3。

表3 判斷矩陣標度表Table 3 Judgment matrix mark degree

2.5 層次單排序計算

判斷矩陣完成之后，即建立了遞階層次結(jié)構(gòu)中目標層A與準則層B的關(guān)系。層次單排序計算的目的是建立準則層B與方案層C的關(guān)系，即對3種蓋挖工法在每項評價指標下的優(yōu)缺點進行分析，并通過權(quán)重的方式來表達。

2.6 層次總排序計算

層次總排序就是基于層次單排序的結(jié)果，計算方案層中各方案相對于目標層“最佳方案”的合成權(quán)重，依次來確定施工方案的優(yōu)劣排序?qū)哟巍?/p>

合成權(quán)重的計算要自上而下進行。將單一準則的權(quán)重進行合成，并逐層進行，直至計算出最底層中各元素的權(quán)重。

3 案例分析

3.1 計算過程

目標層“最佳方案”對于準則層的判斷矩陣中參數(shù)的選取同樣采用專家問卷調(diào)查的方式進行，數(shù)據(jù)處理好之后，進行分析和匯總，如表4—11所示。表中，C1代表蓋挖半逆作法，C2代表蓋挖逆作法，C3代表蓋挖順作法。

表4 目標層“最佳方案”對于準則層的判斷矩陣A-B及一致性檢驗Table 4 Judgment matrix A-B of“optimum option”of target level corresponding to criteria level and consistency verification

表5 準則層“對地面交通的影響B(tài)l”對于方案層的判斷矩陣B1-C及單排序和一致性檢驗Table 5 Judgment matrix B1-C of criteria level“influence on surface traffics B1”corresponding to option level and consistency verification

表6 準則層“管線翻交B2”對于方案層的判斷矩陣B2-C及單排序和一致性檢驗Table 6 Judgment matrix B2-C of criteria level“utility line handling B2”corresponding to option level and consistency verification

表7 準則層“工期B3”對于方案層的判斷矩陣B3-C及單排序和一致性檢驗Table 7 Judgment matrix B3-C of criteria level“construction schedule B3”corresponding to option level and consistency verification

表8 準則層“工程造價B4”對于方案層的判斷矩陣B4-C及單排序和一致性檢驗Table 8 Judgment matrix B4-C of criteria level“construction cost B4”corresponding to option level and consistency verification

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)層次分析法的計算結(jié)果，方案綜合權(quán)重值由高到低依次為C1＞C3＞C2，即蓋挖半逆作法＞蓋挖順作法＞蓋挖逆作法。蓋挖半逆作法施工方案的權(quán)值大于其他方案的權(quán)值，故蓋挖半逆作法為最佳施工方案。

表9 準則層“施工機械化程度B5”對于方案層的判斷矩陣B5-C及單排序和一致性檢驗Table 9 Judgment matrix B5-C of criteria level“mechanization B5”corresponding to option level and consistency verification

表10 準則層“施工技術(shù)難度B6”對于方案層的判斷矩陣B6-C及單排序和一致性檢驗Table 10 Judgment matrix B6-C of criteria level“construction technology difficulty degree B6”corresponding to option level and consistency verification

表11 準則層“工程質(zhì)量B7”對于方案層的判斷矩陣B7-C及單排序和一致性檢驗Table 11 Judgment matrix B7-C of criteria level“works quality B7”corresponding to option level and consistency verification

將以上所得權(quán)重進行層次總排序計算，求得各方案相對于目標層的合成權(quán)重，計算結(jié)果見表12。

表12 層次總排序計算結(jié)果Table 12 Calculation results

3.3 有限元計算結(jié)果分析

通過建立五四廣場車站同一地層條件下的3種施工方法有限元計算模型，得到3種工法所對應(yīng)的圍護結(jié)構(gòu)位移和主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果，從而對比3種工法。計算模型采用理想彈塑性模型，對于場地土采用Mohr-Coulomb屈服準則，并按平面應(yīng)變問題處理，對于車站主體結(jié)構(gòu)和圍護結(jié)構(gòu)采用彈性模型。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 計算模型網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Grid of calculation model

分析結(jié)果得到3種工法所對應(yīng)的圍護結(jié)構(gòu)位移和主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果相差較小，對3種蓋挖工法的選型不具備主導(dǎo)作用，故建議采用蓋挖半逆作法。

3.4 實際監(jiān)測效果分析

在實際施工階段，對五四廣場車站施工現(xiàn)場進行了沉降監(jiān)測和爆破監(jiān)測，爆破監(jiān)測點布置如圖5所示。

圖5 爆破振動監(jiān)測點布設(shè)位置斷面圖Fig.5 Layout of blasting vibration monitoring points

通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到各項指標符合要求，表明蓋挖半逆作法在施工期間表現(xiàn)良好。

4 結(jié)論與討論

本文針對3種蓋挖工法選型決策這一問題，采用層次分析法對其進行分析，得到關(guān)于蓋挖工法選型的層次分析法計算步驟和格式，并以青島五四廣場地鐵車站為背景進行研究，得出蓋挖半逆作法為最優(yōu)工法，與實際工程所用工法相符合。通過分析有限元計算結(jié)果，得到3種蓋挖工法差別不大，均可應(yīng)用于五四廣場地鐵車站;此外，在施工過程中，對頂板、鋼管柱等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行了沉降監(jiān)測和爆破監(jiān)測。通過分析數(shù)據(jù)后認為:蓋挖半逆作法在五四廣場地鐵車站表現(xiàn)良好，具有較大的優(yōu)勢。

1)提出了地鐵車站蓋挖工法選型的層次分析法決策方法，通過專家問卷調(diào)查的方式，獲得了評價指標，并建立了層次分析法分析流程與計算格式。

2)以青島五四廣場地鐵車站為背景，經(jīng)過層次分析法的分析計算，得到蓋挖半逆作法為最優(yōu)工法，與實際工程相符合，該方法具有廣泛的適用性，可為今后施工工法的選型提供依據(jù)。

本文只選取了五四廣場地鐵車站為研究對象，下一步可以對其他車站進行研究，驗證評價體系的廣泛適用性。根據(jù)現(xiàn)場施工情況反饋，若能科學(xué)地采用明挖與蓋挖相結(jié)合的方法，合理地規(guī)劃好施工方案，可大幅度縮短工期。所以，明蓋挖相結(jié)合的方法將是下一步研究的重點。

［1］ 李鐵生，周生華，徐正良.地鐵車站蓋挖法豎向支承構(gòu)件設(shè)計方法研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2007，23(1):14-17.(LI Tiesheng，ZHOU Shenghua，XU Zhengliang.Study on design method of vertical components in covered excavation of Metro station［J］.Structural Engineers，2007，23(1):14-17.(in Chinese))

［2］ 王旭東，李林，柳獻，等.蓋挖施工荷載確定方法及鄰近建筑結(jié)構(gòu)變形分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2009(S2):255-260.(WANG Xudong，LI Lin，LIU Xian，et al.Calculation of construction load in cover-cut method and analysis of neighboring building’s displacement［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009(S2):255-260.(in Chinese))

［3］ 高波.復(fù)雜環(huán)境下蓋挖半逆作地鐵車站施工技術(shù)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)土建學(xué)院，2013.

［4］ 張市芳.幾種模糊多屬性決策方法及其應(yīng)用［D］.西安:西安電子科技大學(xué)計算機學(xué)院，2012.

［5］ Sinuany-Stern Z，Mehrez A，Hadad Y.An AHP/DEA methodology for ranking decision making units［J］.International Transactions in Operational Research，2000，7(2):109-124.

［6］ Al-Harbi K M A.Application of the AHP in project management［J］. International Journal of Project Management，2000，19(1):19-27.

［7］Ayaˇg Z，?zdemir R G.A fuzzy AHP approach to evaluating machine tool alternatives［J］.Journal of Intelligent Manufacturing，2006，17(2):179-190.

［8］ Ge Y，Xu Q，Li H.Implementation of generic AHP evaluation system and its application to impact factors of on-line consumption behavior［J］.Wuhan University Journal of Natural Sciences，2008，13(4):450-454.

［9］ Kumar P，Singh R K.A fuzzy AHP and TOPSIS methodology to evaluate 3PL in a supply chain［J］.Journal of Modelling in Management，2012，7(3):287-303.

［10］ 張培輝.模糊綜合評判在封水、降水施工方案選擇中的應(yīng)用［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，2006.

［11］ 宋天田.TBM應(yīng)用與施工技術(shù)研究［D］.四川:西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，2005.

［12］ 孟剛.城市污水處理工藝方案分析及其選擇優(yōu)化模型應(yīng)用研究［D］.天津:天津大學(xué)管理學(xué)院，2008.