层次分析法在盖挖工法选型中的应用研究

朱 力，田海光，袁 勇

(1.同济大学土木工程学院，上海 200092;2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043;3.土木工程国家重点实验室，上海 200092)

0 引言

盖挖法由于其占用地面少，有利于交通组织，一般可做到维持施工期间地面原有的交通能力，因而在城市地铁车站建设中被广泛应用［1］。常用于地铁车站的盖挖工法有盖挖顺作法、盖挖逆作法和盖挖半逆作法［2］。在地铁车站方案设计阶段，针对这3种工法的选型决策不仅需要考虑工法的安全性和可行性，而且还需考虑工期、工程质量、经济效益和社会效益等因素［3］，属于多属性决策分析的一种［4］。

在多属性决策分析中，逐渐形成了线性分配法［5］、简 单 加 权 法［6］、层 次 分 析 法 (Analytic Hierarchy Process)［7］、ELECTRE 法［8］和 TOPSIS 法［9］等经典决策方法，而层次分析法因其简单、灵活、实用的特点得到了广泛地应用。张培辉［10］运用层次分析法在井点法、围堰施工法、地下连续墙施工法、沉井施工法等降水方案中选取最优施工方案;宋天田［11］在TBM和传统施工方案的选择上，采用层次分析法对影响隧道施工的各因素进行分析，建立了一套科学的、综合的评判体系;孟刚［12］采用天津大学管理学院管理学研究所制作的AHP软件系统，对各评价指标运用了权重的概念，建立了城市污水处理厂工艺方案选择的优化模型。

尽管层次分析法已经在许多领域内广泛应用，但是针对3种盖挖工法选型决策的研究还较少，而且在已有的研究中，分析过程的评价指标基本是作者本人给出的，缺少可靠性和说服力。本文通过对青岛五四广场地铁车站进行实例分析，运用层次分析法对3种盖挖工法的选型决策进行研究，评价指标通过收集专家问卷调查表的方式获得。

1 工程概况

1.1 车站设计概况

五四广场站主体位于青岛市香港中路和山东路交叉口，沿着香港中路布置。车站起讫里程为 K6+780.686 ～ K7+058.286，长 277.6 m，标 准 段 宽44.8 m，共设置7个出入口和2组风亭，主体结构形式为五柱六跨钢筋混凝土框架结构。车站顶板以上覆土厚度约为5.3 m，顶板以下基坑深度约为13 m，基坑宽度为 45.8 m，工程位置见图 1［6］。

图1 车站工程位置图Fig.1 Location of Metro station

1.2 邻近建筑物情况

车站周围均为近几年新建的高层建筑物，主要有香格里拉大酒店、颐和国际、青岛国贸大厦(在建)和市政府办公楼，建筑物与地铁基坑的最近距离约为16 m。车站结构与周边主要建筑物的相互关系见图2，车站结构与周边主要建筑物的距离见表1。

图2 车站结构与周边主要建筑物的相互关系Fig.2 Metro station and major surrounding buildings

1.3 管线情况

青岛五四广场地铁车站位于城市中心，处于山东路与香港中路交叉口，周边管线复杂，数量较多。在统计管线时，将2条道路所划分的4个区域分为4个象限。根据现场和相关资料，对管线种类、规格及产权单位进行统计，如表2所示。

表1 车站结构与周边主要建筑物的距离Table 1 Distance between Metro station and major surrounding buildings

2 层次分析法对3种施工方案的比选

盖挖顺作法、盖挖逆作法和盖挖半逆作法这3种工法在国内都有成功应用的案例。理论上讲，这3种工法都适用于青岛五四广场地铁车站的施工，但若要找到其中最适合的工法，需采用层次分析法对这3种工法进行比选。

2.1 3种盖挖工法简介

2.1.1 盖挖顺作法

盖挖顺作法是在使用临时盖板作为临时路面而不影响交通的情况下，在盖板下方进行土方开挖，直至开挖到地下结构底部的设计标高;然后，再依照地上建筑物的常规施工顺序由下而上修建该地下结构的主体结构，并进行防水处理;上述工序完成后，拆除临时顶盖，进行土方回填，并恢复地下管线或埋设新的管线。

2.1.2 盖挖逆作法

盖挖逆作法施工时，首先，在地面向下做基坑的围护结构和中间桩柱，在地面开挖至主体结构顶板底面标高并浇筑，形成地下结构的永久顶板，进行覆土回填，形成永久路面，恢复交通;然后，在顶板的保护下自上而下逐层开挖，每开挖完一层，即浇筑本层的底板(同时也是下一层的顶板)和边墙，逐层建造主体结构直至整体结构的底板。

2.1.3 盖挖半逆作法

盖挖半逆作法和盖挖顺作法相似，也是在完成顶层板及恢复路面交通后，向下挖土至地下结构底板的设计标高，先浇筑底板，再依次向上逐层浇筑侧墙和楼板。与盖挖顺作法的区别在于，盖挖顺作法所完成的顶板是将来要拆除的临时性盖板，而不是永久结构。

表2 主要管线表Table 2 Major utility lines

2.2 备选评价指标的确定

一个最佳的施工方案应该是在能够圆满完成工程建设的同时，又能取得良好的经济效益、社会效益和环境效益。通过对青岛五四广场地铁车站施工方(中铁二十局五四广场地铁车站项目部)、甲方(青岛地铁公司)和设计方(中铁第一勘察设计院集团有限公司)的调研，得到他们所关心的指标，再结合现场实际情况，确定备选评价指标为11项，分别为对地面交通的影响、管线翻交难易程度、综合施工技术难度、类似工程经验成熟度、施工设备状况、工艺可行性和可靠性、施工进程连续性、工程质量、工期、工程造价和施工机械化程度。制作专家问卷调查表，对这些备选评价指标进行筛选，发出问卷调查表26份，回收14份，问卷调查对象为中铁二十局五四广场地铁车站项目部、青岛地铁公司、中铁第一勘察设计院集团有限公司以及同济大学相关教授。

通过回收、分析、整理问卷调查表，得到最终的评价指标为:对地面交通的影响、管线翻交难易程度、工期、工程造价、施工机械化程度、综合施工技术难度以及工程质量，共7项。

2.3 递阶层次结构的建立

递阶层次结构由目标层、准则层和方案层组成。目标层一般是决策目标，是比选的最终结果，即最优方案，通常只有1个元素，位于递阶层次的最高层。准则层一般是由决策判断的依据和限制条件组成，即通过专家问卷调查表确定的7项评价指标，位于中间层次，受决策目标支配。方案层位于结构的底层，与各个比选准则产生直接联系。优选方案的递阶层次结构如图3所示。

图3 方案优选的层次结构Fig.3 AHP method

2.4 判断矩阵的建立

建立了递阶层次结构之后，上下层元素之间的隶属关系就确定下来了。假定上一层元素Ai对下一层元素 B1，B2，B3，…，Bn有支配关系，就可以建立以 A 为目标的关于 B1，B2，B3，…，Bn间的判断矩阵，将隶属于同一指标的各指标值之间的相对重要性进行比较，判断矩阵记为Ai-B，如:

矩阵Ai-B是一个互反矩阵，元素Bij表示在隶属于Ai的诸指标中，指标i相对于指标j的重要性程度。Bij(i，j=1，2，3，…，n)的性质有:Bij＞ 0，Bij=1/Bji，Bii=1。矩阵Ai-B中的元素不一定具有传递性，即不要求一定满足 BijBjk=Bki。一般采用 Saaty提出的1—9比率标度法给判断矩阵中的元素Bij赋值，见表3。

表3 判断矩阵标度表Table 3 Judgment matrix mark degree

2.5 层次单排序计算

判断矩阵完成之后，即建立了递阶层次结构中目标层A与准则层B的关系。层次单排序计算的目的是建立准则层B与方案层C的关系，即对3种盖挖工法在每项评价指标下的优缺点进行分析，并通过权重的方式来表达。

2.6 层次总排序计算

层次总排序就是基于层次单排序的结果，计算方案层中各方案相对于目标层“最佳方案”的合成权重，依次来确定施工方案的优劣排序层次。

合成权重的计算要自上而下进行。将单一准则的权重进行合成，并逐层进行，直至计算出最底层中各元素的权重。

3 案例分析

3.1 计算过程

目标层“最佳方案”对于准则层的判断矩阵中参数的选取同样采用专家问卷调查的方式进行，数据处理好之后，进行分析和汇总，如表4—11所示。表中，C1代表盖挖半逆作法，C2代表盖挖逆作法，C3代表盖挖顺作法。

表4 目标层“最佳方案”对于准则层的判断矩阵A-B及一致性检验Table 4 Judgment matrix A-B of“optimum option”of target level corresponding to criteria level and consistency verification

表5 准则层“对地面交通的影响Bl”对于方案层的判断矩阵B1-C及单排序和一致性检验Table 5 Judgment matrix B1-C of criteria level“influence on surface traffics B1”corresponding to option level and consistency verification

表6 准则层“管线翻交B2”对于方案层的判断矩阵B2-C及单排序和一致性检验Table 6 Judgment matrix B2-C of criteria level“utility line handling B2”corresponding to option level and consistency verification

表7 准则层“工期B3”对于方案层的判断矩阵B3-C及单排序和一致性检验Table 7 Judgment matrix B3-C of criteria level“construction schedule B3”corresponding to option level and consistency verification

表8 准则层“工程造价B4”对于方案层的判断矩阵B4-C及单排序和一致性检验Table 8 Judgment matrix B4-C of criteria level“construction cost B4”corresponding to option level and consistency verification

3.2 结果分析

根据层次分析法的计算结果，方案综合权重值由高到低依次为C1＞C3＞C2，即盖挖半逆作法＞盖挖顺作法＞盖挖逆作法。盖挖半逆作法施工方案的权值大于其他方案的权值，故盖挖半逆作法为最佳施工方案。

表9 准则层“施工机械化程度B5”对于方案层的判断矩阵B5-C及单排序和一致性检验Table 9 Judgment matrix B5-C of criteria level“mechanization B5”corresponding to option level and consistency verification

表10 准则层“施工技术难度B6”对于方案层的判断矩阵B6-C及单排序和一致性检验Table 10 Judgment matrix B6-C of criteria level“construction technology difficulty degree B6”corresponding to option level and consistency verification

表11 准则层“工程质量B7”对于方案层的判断矩阵B7-C及单排序和一致性检验Table 11 Judgment matrix B7-C of criteria level“works quality B7”corresponding to option level and consistency verification

将以上所得权重进行层次总排序计算，求得各方案相对于目标层的合成权重，计算结果见表12。

表12 层次总排序计算结果Table 12 Calculation results

3.3 有限元计算结果分析

通过建立五四广场车站同一地层条件下的3种施工方法有限元计算模型，得到3种工法所对应的围护结构位移和主体结构内力结果，从而对比3种工法。计算模型采用理想弹塑性模型，对于场地土采用Mohr-Coulomb屈服准则，并按平面应变问题处理，对于车站主体结构和围护结构采用弹性模型。网格划分如图4所示。

图4 计算模型网格划分图Fig.4 Grid of calculation model

分析结果得到3种工法所对应的围护结构位移和主体结构内力计算结果相差较小，对3种盖挖工法的选型不具备主导作用，故建议采用盖挖半逆作法。

3.4 实际监测效果分析

在实际施工阶段，对五四广场车站施工现场进行了沉降监测和爆破监测，爆破监测点布置如图5所示。

图5 爆破振动监测点布设位置断面图Fig.5 Layout of blasting vibration monitoring points

通过分析监测数据，得到各项指标符合要求，表明盖挖半逆作法在施工期间表现良好。

4 结论与讨论

本文针对3种盖挖工法选型决策这一问题，采用层次分析法对其进行分析，得到关于盖挖工法选型的层次分析法计算步骤和格式，并以青岛五四广场地铁车站为背景进行研究，得出盖挖半逆作法为最优工法，与实际工程所用工法相符合。通过分析有限元计算结果，得到3种盖挖工法差别不大，均可应用于五四广场地铁车站;此外，在施工过程中，对顶板、钢管柱等关键结构进行了沉降监测和爆破监测。通过分析数据后认为:盖挖半逆作法在五四广场地铁车站表现良好，具有较大的优势。

1)提出了地铁车站盖挖工法选型的层次分析法决策方法，通过专家问卷调查的方式，获得了评价指标，并建立了层次分析法分析流程与计算格式。

2)以青岛五四广场地铁车站为背景，经过层次分析法的分析计算，得到盖挖半逆作法为最优工法，与实际工程相符合，该方法具有广泛的适用性，可为今后施工工法的选型提供依据。

本文只选取了五四广场地铁车站为研究对象，下一步可以对其他车站进行研究，验证评价体系的广泛适用性。根据现场施工情况反馈，若能科学地采用明挖与盖挖相结合的方法，合理地规划好施工方案，可大幅度缩短工期。所以，明盖挖相结合的方法将是下一步研究的重点。

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