川藏铁路绿色施工节材措施综合效果评价研究

李雨浓，鲍学英

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州730070)

川藏铁路线路长，沿线途经区域多为高海拔生态环境脆弱地区。随着其建造进程的不断推进，人民对川藏铁路沿线生态环境的保护越发重视。且西藏地区生态环境尤为脆弱，动、植物群落简单，受到影响后恢复困难。因此，为了减少建设过程中的水环境污染、土壤污染、固废排放等对生态环境的破坏，使川藏铁路建设为文明、环保的绿色铁路。在保障工程质量及进度的基础上，寻求合理利用相关施工过程中的节材措施不仅在一定程度上达到了节能降耗的目的，而且减少了在此过程当中对生态环境的影响，对建立可持续发展的绿色铁路有着重要意义。目前，铁路绿色施工节材措施已引起国内外相关专家学者及有关部门的关注。SAWLEY等[1−2]通过分析英国铁路建造过程中使用的可再生材料的现状建立了相应的评价准则。板村太郎等[3]在分析日本国内实际修建铁路工程的经验上，优化或使用高性能替代材料从而建立了针对于铁路建设用材的评价标准。另一方面，张健[4]分析了高速铁路建造过程中可采取的节材措施及其对应的技术特点。鲍学英[5]针对西北寒旱地区铁路绿色施工建立了相应的等级评价体系。相关部门也制定了关于铁路绿色施工、施工节材的对应标准。2014年国家铁路局发布了《绿色铁路客站评价标准》(TB/T 10429—2014)其中针对铁路客站建设项目的绿色施工做出了相应的评价标准。由于目前关于铁路建设项目施工过程中绿色施工节材措施效果的评价理论相对较少。本文借鉴建筑领域对于施工过程中节材措施效果相对成熟的评价体系，结合《绿色铁路客站评价标准》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程绿色施工评价标准》(GB/T 50640—2010)。针对由于川藏铁路所跨地区生态环境的差异、可使用节材措施的程度不同，所导致的施工过程中各种节材措施的综合效果在不同区段对应的评价标准有所区别的问题。本文建立川藏铁路绿色施工节材措施综合效果评价模型，通过引入主观偏好系数结合G1法和改进DEA模型2种主、客观赋权方法，以最终确定效率指数为基准[6−7]，为川藏铁路不同施工区间选取高效、适用性强的节材措施提供参考。

1 影响因素识别

从施工阶段各节材措施自身、经济成本、施工技术承受力3个方面对川藏铁路绿色施工节材措施综合效果的影响因素进行识别。在此基础上，对各影响因素进行细化及提取，构建川藏铁路绿色施工节材措施综合效果评价指标体系，见图1。

图1 评价指标影响因素识别Fig.1 Identification of factors affecting evaluation indicators

2 川藏铁路绿色施工节材措施综合效果评价指标体系

根据对相关影响因素的识别，同时参考《绿色铁路客站评价标准》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程绿色施工评价标准》(GB/T 50640—2010)。在充分考虑川藏铁路沿线生态环境脆弱的基础上，本文从5个方面对节材措施的综合效果进行分析，即为施工技术、经济收益、社会效益、环境影响和其他5个方面。同时为提高节材措施综合效果评价的准确性，对评价指标进行筛选和提取，所建立的川藏铁路绿色施工节材措施综合效果评价指标体系，见表1。

表1 节材措施综合效果评价指标体系Table 1 Evaluation index system of comprehensive effect of material saving measures

3 川藏铁路施工现场一般可选择的节材措施

鉴于川藏铁路途径西藏及四川多地的生态环境脆弱区域，本文借鉴修建青藏铁路工程时实际采取过的节材措施经验。在此基础上，结合国家铁路局2014年所发布的《绿色铁路客站评价标准》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程绿色施工评价标准》(GB/T 50640—2010)中对节材措施的相关评价标准，综合分析川藏铁路施工现场一般可选择的节材措施为：使用高性能材料及节材型工艺、实体性材料降耗、使用可再生材料及余料回收、周转性材料重复使用。在对相关从业专家以问卷调查方式得到综合评分结果的基础上，将4种节材措施对应的相关技术进行细化，以此构建节材措施综合评价指标体系。

3.1 使用高性能材料及节材型工艺

1)改良土路基填料代替AB料，当施工区段在保证路基工程的施工质量且因地质环境使用改良土的经济效益远大于AB料时。2)因施工区段所处生态环境脆弱地区时可使用高性能、对生态环境友好的节材型路基支挡结构的程度。3)根据施工区段当地的地质环境条件使用CFG桩技术。4)施工区段内桥梁工程使用预制拼装式桥梁台背技术5)使用高性能混凝土用于混凝土结构的程度。

3.2 实体性材料降耗

1)施工区段利用低回弹率的隧道混凝土喷敷材料及工艺以降低隧道工程初期支护时混凝土的损耗。2)使用路基填料、混凝土拌和站信息化配料降低因人工计算偏差导致材料消耗增多。3)因铁路施工周期长、施工区段使用材料本地化的程度影响施工材料因运输而引起的损耗。4)BIM节材技术应用于施工材料的精细化计算从而避免施工过程中材料的不必要损耗。5)作为主要施工材料的水泥、砂浆受制于其生产技术及运输方式，损耗率高居不下。为解决此项问题，使用预拌砂浆、散装水泥作为现浇砂浆及袋装水泥的替代选择。

3.3 周转性材料重复使用

1)使用高性能、重复使用次数多的工具式模板、脚手架以降低其的消耗率。2)提高制梁场工装构件的通用程度，已达到节约材料、环境友好、降低成本的目的。

3.4 使用可再生材料及余料回收

1)使用隧道弃渣、路堑开挖等大量的土石方类固废物。2)因铁路工程施工过程中部分施工材料需运输到施工现场所产生的包装材料如木板、塑料薄膜等加以利用。3)充分利用价格低廉、性能优良的可再生材料，如：粉煤灰、灰渣、矿渣、钢渣、沥青等。4)在对材料性能要求较低的施工点(混凝土垫层、砌筑砂浆等)可使用废弃混凝土、砂石、碎砌块等作为混凝土再生骨料。

综合以上关于川藏铁路施工现场一般可选择的节材措施分析，构建川藏铁路绿色施工节材措施体系，见表2。

表2 川藏铁路施工现场一般可选择的节材措施Table 2 Materials-saving measures generally selected for construction site of Sichuan-Tibet Railway

4 G1法和改进DEA模型基本理论

G1法[8]即序关系分析法，是在AHP法的基础上简化赋权过程改进而来的一种主观赋权方法。改进DEA模型为一种客观赋权方法。通过主观偏好系数及线性加权的方法，组合2种主、客观赋权方法并以此为评价指标的综合权重。

4.1 基于G1法的指标权重的确定

G1法即为指标间逐个比较判断重要性的一种主观赋权方法。在凸显决策者偏好及重要指标作用的基础上简化了构造判断矩阵及一致性检验的赋权过程。步骤如下。

4.1.1 指标间序关系的确定

若各施工节材措施评价指标Xi和Xj在相应的评价方面下具有如下关系式：Xi>Xj(i,j=1,2,3,n)则称Xi的重要程度高于Xj。根据此种方法对评价指标集中的评价指标进行相对重要性排序，确定指标间序关系，如下式所示，

4.1.2 理性判断

4.1.3确定权重

根据rk的定义进行求积，计算如下：

计算第n个评价指标的权重，即

4.2 改进的DEA模型

为解决DEA模型[9−10]在赋权过程中可能会出现的评价指标权重数值不合理且多组指标权重重叠的问题，本文选取一种改进的DEA模型[11]进行客观权重的确定。

4.2.1 有效决策单元的确定

将前文所提的4种绿色施工节材措施组成4个决策单元DMUq(q=1,2,…,4)。从5个方面对4种节材措施进行分析，即每个决策单元输入、输出指标分别为v，u满足关系式v+u=5。

决策单元DMUq的输入、输出向量分别记为Xq，Yq，则有

式中：xs,q,yt,q分别为决策单元DMUq的s个输入指标值，s=1,2,…,v；第t个输出指标值，t=1,2,…,u。

则有输入、输出指标的权重向量分别为K,G：

构建最优、最劣虚拟决策单元DMUm+1,DMUm+2，其中m为总的决策单元数。

虚拟最优决策单元DMUm+1的输入和输出指标值为别记为Xm+1和Ym+1：

则满足如下关系式，

同理，可得DMUm+2的输入、输出向量的取值，即

4.2.2 公共权重的确定

以最劣决策单元DMUm+2为最差目标、最优决策单元DMUm+1的约束条件为hm+1=1，则有，

式中：ks和gt为最优决策单元DMUm+1的输入、输出指标的权重值。

即为在满足最优决策单元DMUm+1的效率指数最优的无数组解中，选取使得最劣决策单元DMUm+2的效率指数最小的解，并以此为公共权重。

式中：hm+2为最劣决策单元DMUm+2所对应效率指数；gt为最劣决策单元DMUm+2输出向量所对应权重值。

综合评价模型为，

对评价指标的数据进行归一化处理，得到

4.3 基于G1法和改进DEA的综合评判模型

依据《绿色铁路客站评价标准》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程绿色施工评价标准》(GB/T 50640—2010)引入主观偏好系数θ，结合2种主、客观赋权方法从而形成综合赋权法，确定指标的综合权重[12]为W′。计算公式如下：

式中：W和W*分别为G1法和改进的DEA模型指标权重。

4.4 效率指数

效率指数即为衡量各绿色施工节材措施对于施工区段的适用程度[13]的基准，指数越大节材措施越适用于该施工区段，计算公式如下：

式中：w′t和w′s分 别 为决策单元DMUq对 应输入、输出指标的综合权重；yt，i和xs，i为输入、输出指标值。

5 评价过程

针对文中构建的川藏铁路绿色施工节材措施综合效果评价指标体系，将每种节材措施作为一个决策单元，通过纵向分析每个决策单元即每种满足需求的节材措施应考虑哪些方面，如表1所示。并同时在同一施工区段，对于文中选取的4种节材措施进行横向比较从而得到节材措施间的优劣排序，如表2所示。最终通过得出各节材措施的效率指数来确定节材措施对于施工区段的适用程度，具体评价过程如图2所示。

图2 评价过程Fig.2 Evaluation process

6 实例应用

川藏铁路理塘境段以雅江和白玉为两端,区间内海拔落差大，生态环境脆弱、恢复难度大[14]。研究川藏铁路理塘县境内段建设过程中的绿色施工节材措施综合效果评价具有一定的代表性。故本文选取川藏铁路理塘境内施工区段作为实例评价对象，选取前文所提的川藏铁路施工现场一般可选择使用的4种节材措施，记为节材措施A，B，C，D。运用本文所提的方评价法对其绿色施工节材措施进行综合效果评价，以此为例说明该方法的实用性。

邀请相关从事铁路绿色施工专家及具有修建青藏铁路工程实际经验的施工方人员共25位，以发放调查问卷的形式得到基于表1及表2的评价结果。具体打分规则按照百分制进行打分，最终得分取其平均值。通过对收回问卷进行有效性分析后得出4种节材措施综合评价指标标准集见表3、各节材措施平均得分见表4。

表3 节材措施综合评价指标标准集Table 3 Standard set of comprehensive evaluation indicators for material saving measures

6.1 基于G1法的指标主观权重的确定

依据本文构建的评价指标体系，通过对前文所提专家问卷的分析和整理。得出指标间的相对重要度排序为：根据专家对于指标间相对重要程度的理性判断，近似给出r2=1.2,r3=1.6,r4=1.4，r5=1.6。可 得r2r3r4r5=4.300 8，r3r4r5=

6.2 基于改进DEA模型客观权重的确定

将施工技术、社会效益和其他方面的评价记为各决策单元的投入评价，记为v1，v2和v3，而在经济、环境方面的评价为收益评价，记为u1和u2。构造的最优、最劣决策单元为DMU5和DMU6。则有DMU5的输入向量为X5=[69 76 57]T，输出向量Y5=[93 88]T；DMU6的 输 入 向 量X6=[91 80 80]T,输出向量Y6=[68 74]T。

对2组新向量进行数据归一化处理，形成新的矩阵E。

以矩阵E为准，根据前文所提改进DEA模型的定义，所构建的模型为；

运用MATLAB软件中LMI工具组件对上式进行求解，可得u1=3.724，u2=0，v1=0，v2=0，v3=5.154。再对得到的数据归一化处理，从而得到各个评价指标的权重系数；0.580，因此得出公共权重向量为W*=[0 0.419 0 0 0.581]T

6.3 综合权重的确定

依据前文所提的主观偏好系数确定方法，选取偏好系数为θ=0.6。根据式(17)可得出综合权重为：

6.4 效率指数的确定

通过得到的各个评价指标的综合权重，根据式(18)得出四种节材措施效率指数的优劣排序：

同理可得h2，h3，h4效率指数分别为0.940 7，0.811 1，1.051 7。

根据计算结果易得h4的效率指数最大，即为使用可再生材料及余料回收节材措施为川藏铁路理塘县境内段建设过程中综合效果最好的节材措施。评价结果与现有文献资料及调研结果[15]具有良好的吻合性。

7 结论

1)通过对指标权重进行线性加权及运用主观偏好系数的方式结合主、客观两种赋权方法。在凸显决策者主观偏好及重要指标作用的同时，又充分考虑到施工过程中的实际情况。在此基础上得到的评价结果更为全面、合理。

2)本文一方面从施工技术、经济收益、社会效益，环境影响及其他5个方面出发，将节材措施综合效果评价指标分为投入型及收益型。另一方面，结合川藏铁路施工区段所处地区生态环境特点、施工条件等细化各节材措施种类。以此为基准的节材措施综合效果评价体系可更为全面、客观的衡量节材措施对于施工区段的适用程度。在保证工程质量及施工进度的前提条件下，为正在建设的川藏铁路施工区段选取针对性强、效益突出的节材措施提供一种新的方法和思路。