層次分析法在蓋挖工法選型中的應用研究

朱 力，田海光，袁 勇

(1.同濟大學土木工程學院，上海 200092;2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，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中被廣泛應用［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、工程質量、經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 法［6］、層 次 分 析 法 (Analytic Hierarchy Process)［7］、ELECTRE 法［8］和 TOPSIS 法［9］等經典決策方法，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、地下連續墻施工法、沉井施工法等降水方案中選取最優施工方案;宋天田［11］在TBM和傳統施工方案的選擇上，采用層次分析法對影響隧道施工的各因素進行分析，建立了一套科學的、綜合的評判體系;孟剛［12］采用天津大學管理學院管理學研究所制作的AHP軟件系統，對各評價指標運用了權重的概念，建立了城市污水處理廠工藝方案選擇的優化模型。

盡管層次分析法已經在許多領域內廣泛應用，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查表的方式獲得。

1 工程概況

1.1 車站設計概況

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，共設置7個出入口和2組風亭，主體結構形式為五柱六跨鋼筋混凝土框架結構。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。車站結構與周邊主要建筑物的相互關系見圖2，車站結構與周邊主要建筑物的距離見表1。

圖2 車站結構與周邊主要建筑物的相互關系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，周邊管線復雜，數量較多。在統計管線時，將2條道路所劃分的4個區域分為4個象限。根據現場和相關資料，對管線種類、規格及產權單位進行統計，如表2所示。

表1 車站結構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種工法在國內都有成功應用的案例。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，直至開挖到地下結構底部的設計標高;然后，再依照地上建筑物的常規施工順序由下而上修建該地下結構的主體結構，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，并恢復地下管線或埋設新的管線。

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構和中間樁柱，在地面開挖至主體結構頂板底面標高并澆筑，形成地下結構的永久頂板，進行覆土回填，形成永久路面，恢復交通;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，逐層建造主體結構直至整體結構的底板。

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路面交通后，向下挖土至地下結構底板的設計標高，先澆筑底板，再依次向上逐層澆筑側墻和樓板。與蓋挖順作法的區別在于，蓋挖順作法所完成的頂板是將來要拆除的臨時性蓋板，而不是永久結構。

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該是在能夠圓滿完成工程建設的同時，又能取得良好的經濟效益、社會效益和環境效益。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)和設計方(中鐵第一勘察設計院集團有限公司)的調研，得到他們所關心的指標，再結合現場實際情況，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、綜合施工技術難度、類似工程經驗成熟度、施工設備狀況、工藝可行性和可靠性、施工進程連續性、工程質量、工期、工程造價和施工機械化程度。制作專家問卷調查表，對這些備選評價指標進行篩選，發出問卷調查表26份，回收14份，問卷調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、中鐵第一勘察設計院集團有限公司以及同濟大學相關教授。

通過回收、分析、整理問卷調查表，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、綜合施工技術難度以及工程質量，共7項。

2.3 遞階層次結構的建立

遞階層次結構由目標層、準則層和方案層組成。目標層一般是決策目標，是比選的最終結果，即最優方案，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和限制條件組成，即通過專家問卷調查表確定的7項評價指標，位于中間層次，受決策目標支配。方案層位于結構的底層，與各個比選準則產生直接聯系。優選方案的遞階層次結構如圖3所示。

圖3 方案優選的層次結構Fig.3 AHP method

2.4 判斷矩陣的建立

建立了遞階層次結構之后，上下層元素之間的隸屬關系就確定下來了。假定上一層元素Ai對下一層元素 B1，B2，B3，…，Bn有支配關系，就可以建立以 A 為目標的關于 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構中目標層A與準則層B的關系。層次單排序計算的目的是建立準則層B與方案層C的關系，即對3種蓋挖工法在每項評價指標下的優缺點進行分析，并通過權重的方式來表達。

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果，計算方案層中各方案相對于目標層“最佳方案”的合成權重，依次來確定施工方案的優劣排序層次。

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

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的選取同樣采用專家問卷調查的方式進行，數據處理好之后，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Bl”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 結果分析

根據層次分析法的計算結果，方案綜合權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值大于其他方案的權值，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重，計算結果見表12。

表12 層次總排序計算結果Table 12 Calculation results

3.3 有限元計算結果分析

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種工法所對應的圍護結構位移和主體結構內力結果，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，并按平面應變問題處理，對于車站主體結構和圍護結構采用彈性模型。網格劃分如圖4所示。

圖4 計算模型網格劃分圖Fig.4 Grid of calculation model

分析結果得到3種工法所對應的圍護結構位移和主體結構內力計算結果相差較小，對3種蓋挖工法的選型不具備主導作用，故建議采用蓋挖半逆作法。

3.4 實際監測效果分析

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

圖5 爆破振動監測點布設位置斷面圖Fig.5 Layout of blasting vibration monitoring points

通過分析監測數據，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良好。

4 結論與討論

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工法，與實際工程所用工法相符合。通過分析有限元計算結果，得到3種蓋挖工法差別不大，均可應用于五四廣場地鐵車站;此外，在施工過程中，對頂板、鋼管柱等關鍵結構進行了沉降監測和爆破監測。通過分析數據后認為:蓋挖半逆作法在五四廣場地鐵車站表現良好，具有較大的優勢。

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，經過層次分析法的分析計算，得到蓋挖半逆作法為最優工法，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。

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。根據現場施工情況反饋，若能科學地采用明挖與蓋挖相結合的方法，合理地規劃好施工方案，可大幅度縮短工期。所以，明蓋挖相結合的方法將是下一步研究的重點。

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