■ 乔晓冉
地铁施工工法的选择在理论上是综合考虑场地条件、工程地质条件和水文地质条件、地面交通状况、建设质量、建设周期、工程造价等各项因素后得到的最佳结果。随着科学技术的不断发展,我国的地铁施工工法不断增多,初步分类有明挖法、盖挖顺筑法、盖挖逆筑法、明暗挖结合法、浅埋暗挖法、盾构法等[1]。但在我国现阶段地铁施工的实际过程中,着重考虑片面影响因素后所采取施工工法的种类较多,归其根源是较多影响因素不存在定量指标,仅具有一定程度上的定性关系[2],但各项影响因素之间相互关联。如何衡量各项影响因素的权重,成为地铁施工工法选择亟需解决的难题。研究利用AHP层次分析法(简称AHP法)并通过Matlab程序,从各影响因素权重定量的角度合理选择地铁施工工法。
影响因素评价需要依靠完善的衡量标准——评价指标体系。对地铁施工工法各影响因素的效果进行评价,需建立地铁施工工法选择的评价指标体系。利用该体系,为缩短建设周期、保证工程建设质量、节省工程造价、提高道路服务水平、满足地质水文条件、优化断面交通状况等综合因素提供科学定量的依据。因此,建立完善的评价指标体系是实现地铁施工工法科学选择的必要条件。评价指标的选取应满足实际工程的需要,结合可比性、可测性、层次性、简易性、协调性等多项原则综合考虑。
根据地铁施工工法影响因素应遵循系统性、科学性、实用性与相对独立性等原则,采用AHP法建立地铁施工工法综合影响的评价指标体系(见图1),该体系包括道路通行水平、工程经济造价、工程建设周期等多重目标。
2.1.1 构建判断矩阵
美国应用运筹学家T. L. Saaty提出的1~9标度法对不同指标进行两两比较,构造判断矩阵M=(aij),计算各指标的权重,比较过程将思维判断数量化。判断矩阵1~9标定及其内容见表1[3]。
图1 地铁施工工法综合影响因素评价指标体系
表1 判断矩阵1~9标定及其内容
2.1.2 特征根计算
通过建立判断矩阵,采用Matlab程序求解判断矩阵M的特征根,得到最大特征根λmax及其对应的特征向量相关原理如下[4]:
(1)计算n阶判断矩阵各行元素乘积的n次根:
(2)将上述所得结果进行正交化处理,得到各影响要素的权重:
式中:aij为要素i与要素j比较值,且aij=1/aji,由表1可得aij存在17种取值可能性,为1、1/2、1/3、1/4、1/5、1/6、1/7、1/8、1/9、2、3、4、5、6、7、8、9,为由aij所得到的n阶判断矩阵;Mi为n阶判断矩阵M中各行元素的乘积;(n阶判断矩阵M中各行元素乘积)的n次根;为将Wi正交化处理得到的结果,得到每一项影响要素的权重。
2.1.3 一致性检验
通过T. L. Saaty提出的平均随机一致性指标对判断矩阵M进行一致性检验,检验结果见表2。RI为随机一致性指标,用来检验矩阵的一致性,若不满足一致性检验要求,则需修改判断矩阵。
根据各平均一致性指标,得到矩阵M的一致性指数CI=(λmax-n)/(n-1),随机一致性比率CR=CI/RI,若CR<0.1,则认为M满足一致性检验要求,否则改变M的权重系数,直到满足CR<0.1的要求。
2.2.1 综合影响因素
采用Matlab程序进行相关计算,综合影响因素评价判断矩阵表见表3。
λmax=3.018 3,CI=(3.018 3-3.000 0)/2=0.009 15,CR=0.009 15/0.58=0.015 78<0.1,综合影响因素满足一致性检验要求。
2.2.2 建设因素指标A
采用Matlab程序进行相关计算,建设因素指标A判断矩阵表见表4。
λmax=3.085 8,CI=(3.085 8-3.000 0)/2=0.042 9,CR=0.042 9/0.58=0.074 0<0.1,建设因素指标A满足一致性检验要求。
表2 判断矩阵的评价随机一致性指标
表3 综合影响因素评价判断矩阵表
表4 建设因素指标A判断矩阵表
2.2.3 交通因素指标B
采用Matlab程序进行相关计算,交通因素指标B判断矩阵表见表5。
λmax=5.298 5,CI=(5.298 5-5.000 0)/4=0.074 6,CR=0.074 6/1.12=0.066 6<0.1,交通因素指标B满足一致性检验要求。
2.2.4 环境因素指标C
采用Matlab程序进行相关计算,环境因素指标C判断矩阵表见表6。
λmax=3.003 7,CI=(3.003 7-3.000 0)/2=0.001 8,CR=0.001 8/0.58=0.003 2<0.1,环境因素指标C满足一致性检验要求。
地铁施工工法在建设因素、交通因素、环境因素的多个层次上统筹兼顾,通过上述指标权重计算可知,各种因素所占权重不同,如工程造价和建设周期所占权重较大,围挡占有面积和围挡位置占比相对较小。11种影响因素采用专家调查法确定不同影响因素的大概权重,虽然给出地铁施工工法选择的评价体系,但由于比较因素种类繁多,在准确性上存在不足。为保证地铁施工工法不同因素间对比的可靠性,减少比较因素的种类,对综合因素中占比超过5%的主要影响因素采取二次比较分析,得到不同施工工法的权重指标。
表5 交通因素指标B判断矩阵表
表6 环境因素指标C判断矩阵表
根据工程造价、建设周期、道路通行能力、工程地质条件4项评价指标对地铁施工工法的影响进行比较,得到判断矩阵,求得三阶矩阵的最大特征值,并对其进行一致性检验。通过以上数据分析,在保证地铁施工工程地质条件的前提下,依次为工程造价、建设周期、道路通行能力。地铁施工工法对比见表7,总分析结果见表8。
表7 地铁施工工法对比
表8 总分析结果表
通过AHP法决策可得,在工程地质条件较差的情况下,应采用暗挖法施工;在道路通行能力较好的情况下,应采用明挖法施工。
通过计算分析可得:地铁施工工法影响因素的各个指标中,建设因素占决定性作用(权重>0.5);其次是交通因素(权重>0.3),在地铁施工建设的前期,必须提前做好地铁施工期间的交通疏解规划工作;虽然环境因素所占权重相对较小(权重<0.2),但依然是地铁施工工法选择的一个重要影响因素。
通过该研究,确定建设因素和交通因素在地铁施工工法选择中的重要性,对权重占比相对较大的因素进行二次层次分析,有利于不同因素间的权重比较,提高了占比权重定值的准确性。总体来看,采用AHP法进行地铁施工工法选择,具有较强的实用意义和工程前景,能更好地为地铁施工人员提供合理的施工工法选择,从而确保施工的顺利进行。
[1] 李兵. 地铁车站施工风险管理研究[D]. 北京:北京交通大学,2006.
[2] 黄海波. CNG汽车加气站设备技术水平评价指标体系[J].天然气工业,2004(3):115-119.
[3] 徐丹丹.城市公共交通换乘枢纽体系效率评价[J].山西建筑,2011(9):27-29.
[4] 谭晓琳.低碳模式下确定评价向量权重的方法研究——基于层次分析(AHP)法[J]. 交通标准化,2011(9):104-106.