基于層次分析法的涉鐵工程施工方案比選研究

姚鐵山

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

隨著我國高速鐵路建設與城市發展的不斷融合，新建城市道路與在建鐵路立體交叉工程施工逐漸增多[1]。涉鐵道路已經成為連接鐵路兩側片區的關鍵節點工程。涉鐵道路建設與傳統道路不同，其受鐵路因素制約較大，故施工方案比選因素眾多，也更加復雜。傳統的方案比選中，往往以經濟指標作為衡量施工方案的重要指標，不能綜合考慮技術經濟定量指標和社會環境影響定性指標。目前，很多專家、學者將多種評價方法應用到施工方案比選中[2-3]。通過研究大量文獻和工程實例，基于層次分析法將影響三環路施工方案的工藝費用、工藝技術復雜程度、工程施工對鐵路橋墩沉降變形影響、工程施工風險性等因素，作為主要的指標建立涉鐵道路施工方案比選的決策模型，并基于三環路施工方案的比選的實際工程案例印證該模型的實用性和合理性。

1 層次分析法概述

美國運籌學家T.L.saaty 于20 世紀70 年代提出的層次分析法，是對方案的多指標系統進行分析的一種層次化、結構化決策方法，是一種解決多目標的復雜問題的定性與定量相結合的決策分析方法[4]。目前，層次分析方法應用廣泛，涉及經濟計劃管理、能源科技、軍事、農業、教育、醫療和環境等多個領域[5-8]。據了解，經典的層次分析法可分為五步：

一是創建層次結構模型。

二是建立判別矩陣。

三是計算單準則權向量并做一致性檢驗。

四是層次總排序并做一致性檢驗。

五是分析決策模型并確定最優方案。

2 三環路下穿常益長高鐵實例分析

2.1 三環路施工方案

寧鄉市三環路與在建常益長高速鐵路交叉，分左右幅分別從桃樹塘大橋2#～3#、3#～4#墩之間穿過，交叉點道路里程K0+251.528（對應在建常益長高速鐵路里程DK126+598.160），交叉角度為90°。道路交叉處設計公路里程長度為66m，位于直線上。三環路下穿在建常益長高速鐵路為樁板梁形式，鐵路梁底標高99.201m，道路設計高程93.57m，未對在建鐵路橋造成任何破壞，下穿道路凈空尺寸約為5.6m，可滿足公路限界要求。

三環路上部結構均采用三跨一聯（3×20m）等截面普通鋼筋混凝土連續板梁。主梁為等高度板梁，梁寬2545cm，梁高為115cm，支點處加高至165cm。現澆梁縱橋向設置向上的二次拋物線預拱，其中邊跨跨中上拱度值為1cm，中跨跨中上拱度值為2cm。梁底距離地面為1～1.5m，結合三環路施工圖設計與地貌土質情況又重點研究滿堂支架施工方案和土模法施工方案[9]。

2.1.1 滿堂支架施工方案

現澆板梁支架采用盤扣式滿堂支架，立桿縱距0.9m，橫距0.9m，中支墩板梁加厚處縱距0.6m，橫距0.9m，立桿標準段步高1.5m，豎向間隔內布置斜桿。根據現場實際情況部分立桿間距需做調整時，可適當加密，且最大間距不得大于0.9m（見圖1）。

圖1 三環路滿堂支架施工工藝圖

力學傳遞程序：現澆板梁混凝土—模板—鋼管—工字鋼橫向分配梁—支架頂托—立桿—底托—地基基礎。

模板：采用厚15mm 竹膠板，底模縱向鋪設φ48×27mm 鋼管，中心距為20cm，側模及端模采用竹膠板10 號槽鋼或者直徑48mm 鋼管組合。

橫向主分配梁：12 工字鋼或10 工字鋼布置在縱向φ48×27mm 鋼管下，支架頂托上。

盤扣式支架：立桿鋼管：φ60×3.2mm，立桿間距0.9m×0.9m，中支墩板梁加厚處間距0.6m×0.9m，立桿標準段步高1.5m。

頂、底托：為盤扣式支架配套標準件。

2.1.2 土模法施工方案

橋梁采用土模法施工，土模施工后進行預壓，采用預制混凝土塊堆載預壓，預壓重量為板梁及附加荷載重量的110%，壓載分三級進行，消除土模非彈性變形后，校核預拱度。而后安裝側模、綁扎鋼筋，經檢查合格后進行后續混凝土的澆筑。混凝土采用商混，由混凝土罐車運至三環路施工現場，泵車完成混凝土澆筑。養護采用澆水覆蓋土工布養護，養生周期不少于14d。達到設計拆模強度后拆除模板，分離土模，清運填砂（見圖2）。

圖2 三環路土模法施工工藝圖

2.2 方案比選及推薦意見

從工期及投資方面分析：如表1 所示，土模法方案較滿堂支架方案工期少11d，工藝費用省100.72 萬元，土模法方案工期短、工藝費用省，明顯較優。

表1 三環路施工方案主要因素比較表

從工期方面分析：如圖1 所示，滿堂支架施工方案為施工準備（3d）—支架搭設、預壓（20d）（分跨進行）—底、外模（5d）—鋼筋綁扎（15d）—混凝土澆筑（2d）—養護（28d）—支架拆除（5d）。合理調配勞動力，制梁各工序流水作業銜接緊湊，支架班組、模板班組、鋼筋班組等各班組不窩工，根據板梁制作整個流程需要78d(含預壓、搭拆支架)左右。如圖2 所示，土模法施工方案為施工準備（2d）—土模施工（3d）—土模預壓（5d）—安裝模板（5d）—鋼筋綁扎（15d）—混凝土澆筑（2d）—養護（28d）—附屬施工（7d）。土模法板梁制作整個流程需要67d(含預壓、附屬施工)左右。因此，從工期方面分析，土模法施工方案較優。

從工藝費用方面分析：滿堂支架施工方案需提前平整場地，做好排水措施，準備支架并人工安拆，工程費用為207.92 萬元。土模法施工方案可采用機械施工，施工效率快，且土模法采用的土方可從周邊站前大道施工的挖方中調配，整體施工工藝費用較滿堂支架施工可節省100.72 萬元。

從工藝技術復雜程度方面分析：滿堂支架施工方案首先要對地基整平預壓處理，滿足驗收要求后開始搭設支架，支架安裝完畢，檢驗合格后方可安裝模板[10]；其次，模板檢查合格后進行加載預壓并做好監測；最后，根據預壓監測數據情況開展下一道工序，整個過程都要實施鐵路橋墩沉降監測。土模法施工方案施工方便，保證質量：首先，對地基分層壓實處理；其次，滿足驗收要求后開始進行加載預壓并做好監測；最后，根據預壓監測數據情況開展下一道工序，整個過程工藝技術簡單可操作。

從工程施工對鐵路橋墩沉降變形影響方面分析：受下穿工程影響的高速鐵路無砟軌道橋梁墩臺頂位移限制應滿足橫向水平位移、縱向水平位移、豎向位移均不超過2mm[11]。滿堂支架施工對鐵路橋墩沉降變形影響主要在支架安裝及支架預壓施工過程。根據周邊同類型施工監測數據顯示，支架安裝對鐵路橋墩沉降影響可忽略，支架預壓對鐵路橋墩沉降累計變化量最大為-1.3mm。而土模法施工方案對鐵路橋墩沉降變形影響主要在土模壓實及土模預壓施工過程中，土模預壓施工對鐵路橋墩沉降累計變化量最大為-1.7mm，均滿足規范要求。

從工程施工風險性方面分析：滿堂支架施工涉及高處作業、用電作業、起重吊裝作業、施工機械作業等，若管理或操作不當易造成安全事故。土模法施工方案涉及用電作業、起重吊裝作業、施工機械作業等，施工風險低，操作簡單，方便施工管理。

研究結論：綜上分析，土模法施工方案工期短、投資少，工藝技術簡便，對鐵路橋墩的沉降影響滿足要求，工程施工風險可控。因此，此次研究推薦采用土模法施工方案。

3 層次分析法在三環路涉鐵段施工方案的具體應用

將三環路涉鐵工程施工方案作為目標層Z，將影響施工方案的主要因素的工期、工藝費用、工藝技術復雜程度、工程施工對鐵路橋墩沉降變形影響、工程施工風險性（分別用A1～A5表示）等5 個主要因素作為準則層A，結合專家意見，將滿堂支架施工方案、土模法施工方案的方案層（分別用B1～B2表示）作為目標層B，建立層次分析模型如圖3 所示。

圖3 層次分析模型圖

3.1 建立判別矩陣

根據三環路樁板橋施工要求，結合隨機抽取的9位評審專家的意見，獲得關鍵指標作為準則層，并論證準則層各指標對三環路樁板橋施工方案相對重要程度，構建判別矩陣表見表2。

表2 準則層判斷矩陣表

建立判斷矩陣如下：

經計算，得到準則層各因子對目標層的相對權重，其權向量為WTA=（0.234，0.051，0.492，0.083，0.140），CR=0.007＜0.1，滿足一致性檢驗要求。

根據上文2.2 對滿堂支架施工方案、土模法施工方案的優劣分析，為便于量化比較，根據專家打分情況，采用模糊評價法可得出各評價等級對應的分值如表3 所示。

表3 模糊評價等級

根據上文表1 中數據分析并結合表3，對方案層B優劣進行分析，如表4 所示。

表4 方案層判斷矩陣表

分別計算方案層B對各準則層因子的相對權重：

方案層對工期的相對權重

方案層對工藝費用的相對權重

方案層對工藝技術復雜程度的相對權重

方案層對工程施工對鐵路橋墩沉降變形影響的相對權重

方案層對工程施工風險性的相對權重

3.2 層次總排序法

確定方案層(滿堂支架施工方案、土模法施工方案)對目標層(三環路涉鐵工程施工方案)的組合權重。土模法施工方案對三環路涉鐵工程施工方案的權重為Z=0.677，滿堂支架施工方案對三環路涉鐵工程施工方案的權重為Z=0.323，評價結果如表5 所示。

表5 各方案層權重值

通過比較，在考慮各種因素后，土模法施工方案權重明顯大于滿堂支架施工方案，表明土模法施工方案優于滿堂支架施工方案，該結論與專家論證結果一致，證明層次分析法應用于涉鐵工程施工方案比選的科學性。

4 結論

其一，本文研究三環路樁板橋施工方案比選的影響因子，根據各因子綜合比選得出，土模法施工方案工期短、投資少，工藝技術簡便，對鐵路橋墩的沉降影響滿足要求，工程施工風險可控。

其二，通過層次分析法，以三環路涉鐵項目為例，研究分析涉鐵工程施工方案比選的重要影響因子，根據專家調查打分結果與層次分析法所得結論一致，進一步證明層次分析法決策模型的合理性、客觀性。

其三，層次分析法對解決涉鐵工程施工方案比選中影響因子多、方案多的問題是一種效果顯著的方法。其最大特點是能夠將復雜多影響因子、多方案比選的過程變得系統化，結果變得直觀化，結論變得客觀化。