西安地鐵一號線暗挖施工技術方案選優方法探討

王建中 西安鐵路職業技術學院

2013年年底前，西安地鐵一號線、二號線兩條線路將建成運營。二號線線路全長26.4 km，設車站21座，已于2006年9月動工，2011年9月通車試運行。一號線項目已于2009年年初動工，線路全長23.9 km，設車站19座，其暗挖工程正在全面實施。一號線車站的暗挖工程正在陸續開工建設。

由于工程浩大、技術復雜、安全風險度極大，為了確保實現地鐵項目的質量、安全、環境、進度、成本等目標，采用科學、有效的方法對現有各種暗挖施工技術方案進行選優具有十分重要的意義。暗挖施工技術方案選優方法不僅對一號線具有實際指導作用，而且可以在地鐵三號線進一步推廣應用。

1 問題的提出

目前設計單位在對暗挖施工技術方案進行選優時，主要考慮施工技術方案的安全性、經濟性和可行性。對多個備選施工技術方案，按照前述目標的順序，分別對每一個目標將備選施工技術方案進行比較，最終選出一個滿足業主要求、安全性高、成本低、切實可行的施工技術方案。

設計單位的選優過程實際上是一個多目標決策過程，上述目標可以歸納為質量、安全、環境、進度、成本等分目標。針對施工技術方案的選優，本文提出運用層次分析法，對各個分目標進行綜合考慮，實行多目標決策。

2 西安地鐵項目暗挖施工技術方案選優

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

在地鐵項目暗挖施工技術方案選優時，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單地將多個因素歸一化，用一個指標代替，而需要在各個因素之間進行權衡，從而解決非序列多因素問題。

層次分析方法是一種實用的多準則（多因素）決策方法。對項目暗挖施工技術方案可以采用多層次分析法進行選優。

2.1 建立系統的遞階層次結構

影響暗挖施工技術方案選優的主要因素如圖1所示。C1為工程材料，C2為機械設備，C3為施工工序，C4為施工方法，C5為施工人員，C6為影響質量的環境因素，C7為區域生態平衡，C8為環境質量變化，C9為自然資源利用，C10為文物保護，C11為施工條件的變化。本文僅列舉了11個主要因素，在實際應用過程中，影響因素的數量是可以變化的。

圖1 暗挖施工技術方案選優的層次結構模型

2.2 建立評判矩陣

對每一層次的元素，以上一層的一個元素作為標準，進行兩兩比較，決定其重要程度，并對比較結果進行評分，構造出評判矩陣。上一層有多少個元素就可以得到多少個矩陣。在建立遞階層次結構以后，上下層次之間各因素的隸屬關系就被確定了。由于暗挖施工技術方案很復雜，各因素的權重不容易直接獲得，需要通過專家們采取兩兩比較的方法導出它們的權重。

首先，針對總目標A，兩個因素Bi和Bj哪一個更重要，重要多少，按表1（評分標準表）對重要性程度賦值。構造各分目標Bi相對于總目標A的評判矩陣D1。D1=(dij)3×3i，j=1，…3

其次，構造各工程因素C1-C6相對于分目標B1的評判矩陣D11；構造各工程因素C1-C5相對于分目標B2的評判矩陣D12；構造各工程因素C7-C10相對于分目標B3的評判矩陣D13；構造各工程因素C1-C5、C11相對于分目標B4的評判矩陣D14；構造各工程因素C1-C5相對于分目標B5的評判矩陣D15（評分標準見表1）。

表1 評分標準表

再次，構造暗挖施工技術方案層對各影響因素Ck(k=1，…11)的兩兩比較的評判矩陣。

2.3 在上一層目標下各因素相對權重的計算

(1)計算評判矩陣D每行元素的連乘積Mi(i=1，…m)，m為評判矩陣D中影響因素的個數。Mi=Σbij

(2)計算Mi的m次方根β。βi=Mi=Σbij(i，j=1，2，…m)

(3) 求特征向量α。對向量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)即為在上一層目標下各因素的相對權重。

對(2)中每一個評判矩陣進行上述計算，可得出對應的特征向量（即相對權重向量）α，它們分別為：的上標為上一層目錄 ，下標為各影響因素。

2.4 “暗挖施工技術方案”層對總目標A的總權重向量計算及選優

第四層（暗挖施工技術方案層）對于第三層的相對權重向量分別為(r=1，2，…11)，則對于B1分目標的相對權重向量為對于B2分目標的相對權重向量為對于B3分目標的相對權重向量為對于B4分目標的相對權重向量為對于B5分目標的相對權重向量為

總權重向量中最大數值所對應的方案即為最優暗挖施工技術方案。

2.5 評判矩陣的一致性檢驗

在計算某準則下排序權重向量時，還必須進行一致性檢驗。由于暗挖施工技術方案選優的復雜性與打分專家認識的多樣性，在評判矩陣的構造中，并不要求評判具有傳遞性和一致性。但評判矩陣既是計算排序權重向量的根據，就要求評判矩陣有大體上的一致性，符合一般性的常識。當評判矩陣偏離一致性過大時，按評判矩陣計算的結果有可能導致決策失誤。因此需要對每一個評判矩陣進行一致性檢驗。

3 結論

影響暗挖施工技術方案選取的主要因素有很多種。通過建立評判矩陣，并計算在上一層目標下各因素的相對權重，最終求出各個暗挖施工技術方案對總目標A的總權重向量為，總權重向量中最大數值所對應的方案即為最優方案。