西安地铁一号线暗挖施工技术方案选优方法探讨

王建中 西安铁路职业技术学院

2013年年底前，西安地铁一号线、二号线两条线路将建成运营。二号线线路全长26.4 km，设车站21座，已于2006年9月动工，2011年9月通车试运行。一号线项目已于2009年年初动工，线路全长23.9 km，设车站19座，其暗挖工程正在全面实施。一号线车站的暗挖工程正在陆续开工建设。

由于工程浩大、技术复杂、安全风险度极大，为了确保实现地铁项目的质量、安全、环境、进度、成本等目标，采用科学、有效的方法对现有各种暗挖施工技术方案进行选优具有十分重要的意义。暗挖施工技术方案选优方法不仅对一号线具有实际指导作用，而且可以在地铁三号线进一步推广应用。

1 问题的提出

目前设计单位在对暗挖施工技术方案进行选优时，主要考虑施工技术方案的安全性、经济性和可行性。对多个备选施工技术方案，按照前述目标的顺序，分别对每一个目标将备选施工技术方案进行比较，最终选出一个满足业主要求、安全性高、成本低、切实可行的施工技术方案。

设计单位的选优过程实际上是一个多目标决策过程，上述目标可以归纳为质量、安全、环境、进度、成本等分目标。针对施工技术方案的选优，本文提出运用层次分析法，对各个分目标进行综合考虑，实行多目标决策。

2 西安地铁项目暗挖施工技术方案选优

西安城区地铁工程所处地层为多层沙砾、卵石及第四纪全新世冲、洪积黄土状土、残积古土壤、西北湿陷性黄土地质。根据西安地铁所处地质情况的特殊性，地铁项目暗挖施工可能采用的方法有中洞法、洞柱法、洞桩法、上下导坑法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法和盾构法等。

在地铁项目暗挖施工技术方案选优时，要考虑的因素很多，在这些因素中，往往各种因素之间存在一定的矛盾，这样就不可能直接简单地将多个因素归一化，用一个指标代替，而需要在各个因素之间进行权衡，从而解决非序列多因素问题。

层次分析方法是一种实用的多准则（多因素）决策方法。对项目暗挖施工技术方案可以采用多层次分析法进行选优。

2.1 建立系统的递阶层次结构

影响暗挖施工技术方案选优的主要因素如图1所示。C1为工程材料，C2为机械设备，C3为施工工序，C4为施工方法，C5为施工人员，C6为影响质量的环境因素，C7为区域生态平衡，C8为环境质量变化，C9为自然资源利用，C10为文物保护，C11为施工条件的变化。本文仅列举了11个主要因素，在实际应用过程中，影响因素的数量是可以变化的。

图1 暗挖施工技术方案选优的层次结构模型

2.2 建立评判矩阵

对每一层次的元素，以上一层的一个元素作为标准，进行两两比较，决定其重要程度，并对比较结果进行评分，构造出评判矩阵。上一层有多少个元素就可以得到多少个矩阵。在建立递阶层次结构以后，上下层次之间各因素的隶属关系就被确定了。由于暗挖施工技术方案很复杂，各因素的权重不容易直接获得，需要通过专家们采取两两比较的方法导出它们的权重。

首先，针对总目标A，两个因素Bi和Bj哪一个更重要，重要多少，按表1（评分标准表）对重要性程度赋值。构造各分目标Bi相对于总目标A的评判矩阵D1。D1=(dij)3×3i，j=1，…3

其次，构造各工程因素C1-C6相对于分目标B1的评判矩阵D11；构造各工程因素C1-C5相对于分目标B2的评判矩阵D12；构造各工程因素C7-C10相对于分目标B3的评判矩阵D13；构造各工程因素C1-C5、C11相对于分目标B4的评判矩阵D14；构造各工程因素C1-C5相对于分目标B5的评判矩阵D15（评分标准见表1）。

表1 评分标准表

再次，构造暗挖施工技术方案层对各影响因素Ck(k=1，…11)的两两比较的评判矩阵。

2.3 在上一层目标下各因素相对权重的计算

(1)计算评判矩阵D每行元素的连乘积Mi(i=1，…m)，m为评判矩阵D中影响因素的个数。Mi=Σbij

(2)计算Mi的m次方根β。βi=Mi=Σbij(i，j=1，2，…m)

(3) 求特征向量α。对向量β=(β1，β2，…βm)T作归一化处理，从而得到特征向量α=(α1，α2，…αm)T，αi(i=1，2，…m)即为在上一层目标下各因素的相对权重。

对(2)中每一个评判矩阵进行上述计算，可得出对应的特征向量（即相对权重向量）α，它们分别为：的上标为上一层目录 ，下标为各影响因素。

2.4 “暗挖施工技术方案”层对总目标A的总权重向量计算及选优

第四层（暗挖施工技术方案层）对于第三层的相对权重向量分别为(r=1，2，…11)，则对于B1分目标的相对权重向量为对于B2分目标的相对权重向量为对于B3分目标的相对权重向量为对于B4分目标的相对权重向量为对于B5分目标的相对权重向量为

总权重向量中最大数值所对应的方案即为最优暗挖施工技术方案。

2.5 评判矩阵的一致性检验

在计算某准则下排序权重向量时，还必须进行一致性检验。由于暗挖施工技术方案选优的复杂性与打分专家认识的多样性，在评判矩阵的构造中，并不要求评判具有传递性和一致性。但评判矩阵既是计算排序权重向量的根据，就要求评判矩阵有大体上的一致性，符合一般性的常识。当评判矩阵偏离一致性过大时，按评判矩阵计算的结果有可能导致决策失误。因此需要对每一个评判矩阵进行一致性检验。

3 结论

影响暗挖施工技术方案选取的主要因素有很多种。通过建立评判矩阵，并计算在上一层目标下各因素的相对权重，最终求出各个暗挖施工技术方案对总目标A的总权重向量为，总权重向量中最大数值所对应的方案即为最优方案。