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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)與城市發(fā)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(jīng)成為連接鐵路兩側(cè)片區(qū)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程。涉鐵道路建設(shè)與傳統(tǒng)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(fù)雜。傳統(tǒng)的方案比選中，往往以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為衡量施工方案的重要指標(biāo)，不能綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)定量指標(biāo)和社會(huì)環(huán)境影響定性指標(biāo)。目前，很多專家、學(xué)者將多種評(píng)價(jià)方法應(yīng)用到施工方案比選中[2-3]。通過研究大量文獻(xiàn)和工程實(shí)例，基于層次分析法將影響三環(huán)路施工方案的工藝費(fèi)用、工藝技術(shù)復(fù)雜程度、工程施工對(duì)鐵路橋墩沉降變形影響、工程施工風(fēng)險(xiǎn)性等因素，作為主要的指標(biāo)建立涉鐵道路施工方案比選的決策模型，并基于三環(huán)路施工方案的比選的實(shí)際工程案例印證該模型的實(shí)用性和合理性。

1 層次分析法概述

美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.saaty 于20 世紀(jì)70 年代提出的層次分析法，是對(duì)方案的多指標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行分析的一種層次化、結(jié)構(gòu)化決策方法，是一種解決多目標(biāo)的復(fù)雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法[4]。目前，層次分析方法應(yīng)用廣泛，涉及經(jīng)濟(jì)計(jì)劃管理、能源科技、軍事、農(nóng)業(yè)、教育、醫(yī)療和環(huán)境等多個(gè)領(lǐng)域[5-8]。據(jù)了解，經(jīng)典的層次分析法可分為五步：

一是創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)模型。

二是建立判別矩陣。

三是計(jì)算單準(zhǔn)則權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。

四是層次總排序并做一致性檢驗(yàn)。

五是分析決策模型并確定最優(yōu)方案。

2 三環(huán)路下穿常益長(zhǎng)高鐵實(shí)例分析

2.1 三環(huán)路施工方案

寧鄉(xiāng)市三環(huán)路與在建常益長(zhǎng)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(diǎn)道路里程K0+251.528（對(duì)應(yīng)在建常益長(zhǎng)高速鐵路里程DK126+598.160），交叉角度為90°。道路交叉處設(shè)計(jì)公路里程長(zhǎng)度為66m，位于直線上。三環(huán)路下穿在建常益長(zhǎng)高速鐵路為樁板梁形式，鐵路梁底標(biāo)高99.201m，道路設(shè)計(jì)高程93.57m，未對(duì)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(huán)路上部結(jié)構(gòu)均采用三跨一聯(lián)（3×20m）等截面普通鋼筋混凝土連續(xù)板梁。主梁為等高度板梁，梁寬2545cm，梁高為115cm，支點(diǎn)處加高至165cm?，F(xiàn)澆梁縱橋向設(shè)置向上的二次拋物線預(yù)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(jié)合三環(huán)路施工圖設(shè)計(jì)與地貌土質(zhì)情況又重點(diǎn)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)段步高1.5m，豎向間隔內(nèi)布置斜桿。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況部分立桿間距需做調(diào)整時(shí)，可適當(dāng)加密，且最大間距不得大于0.9m（見圖1）。

圖1 三環(huán)路滿堂支架施工工藝圖

力學(xué)傳遞程序：現(xiàn)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(chǔ)。

模板：采用厚15mm 竹膠板，底?？v向鋪設(shè)φ48×27mm 鋼管，中心距為20cm，側(cè)模及端模采用竹膠板10 號(hào)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(biāo)準(zhǔn)段步高1.5m。

頂、底托：為盤扣式支架配套標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行預(yù)壓，采用預(yù)制混凝土塊堆載預(yù)壓，預(yù)壓重量為板梁及附加荷載重量的110%，壓載分三級(jí)進(jìn)行，消除土模非彈性變形后，校核預(yù)拱度。而后安裝側(cè)模、綁扎鋼筋，經(jīng)檢查合格后進(jìn)行后續(xù)混凝土的澆筑?；炷敛捎蒙袒欤苫炷凉捃囘\(yùn)至三環(huán)路施工現(xiàn)場(chǎng)，泵車完成混凝土澆筑。養(yǎng)護(hù)采用澆水覆蓋土工布養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)生周期不少于14d。達(dá)到設(shè)計(jì)拆模強(qiáng)度后拆除模板，分離土模，清運(yùn)填砂（見圖2）。

圖2 三環(huán)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(fèi)用省100.72 萬元，土模法方案工期短、工藝費(fèi)用省，明顯較優(yōu)。

表1 三環(huán)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(zhǔn)備（3d）—支架搭設(shè)、預(yù)壓（20d）（分跨進(jìn)行）—底、外模（5d）—鋼筋綁扎（15d）—混凝土澆筑（2d）—養(yǎng)護(hù)（28d）—支架拆除（5d）。合理調(diào)配勞動(dòng)力，制梁各工序流水作業(yè)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(jù)板梁制作整個(gè)流程需要78d(含預(yù)壓、搭拆支架)左右。如圖2 所示，土模法施工方案為施工準(zhǔn)備（2d）—土模施工（3d）—土模預(yù)壓（5d）—安裝模板（5d）—鋼筋綁扎（15d）—混凝土澆筑（2d）—養(yǎng)護(hù)（28d）—附屬施工（7d）。土模法板梁制作整個(gè)流程需要67d(含預(yù)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(yōu)。

從工藝費(fèi)用方面分析：滿堂支架施工方案需提前平整場(chǎng)地，做好排水措施，準(zhǔn)備支架并人工安拆，工程費(fèi)用為207.92 萬元。土模法施工方案可采用機(jī)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(diào)配，整體施工工藝費(fèi)用較滿堂支架施工可節(jié)省100.72 萬元。

從工藝技術(shù)復(fù)雜程度方面分析：滿堂支架施工方案首先要對(duì)地基整平預(yù)壓處理，滿足驗(yàn)收要求后開始搭設(shè)支架，支架安裝完畢，檢驗(yàn)合格后方可安裝模板[10]；其次，模板檢查合格后進(jìn)行加載預(yù)壓并做好監(jiān)測(cè)；最后，根據(jù)預(yù)壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況開展下一道工序，整個(gè)過程都要實(shí)施鐵路橋墩沉降監(jiān)測(cè)。土模法施工方案施工方便，保證質(zhì)量：首先，對(duì)地基分層壓實(shí)處理；其次，滿足驗(yàn)收要求后開始進(jìn)行加載預(yù)壓并做好監(jiān)測(cè)；最后，根據(jù)預(yù)壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況開展下一道工序，整個(gè)過程工藝技術(shù)簡(jiǎn)單可操作。

從工程施工對(duì)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(tái)頂位移限制應(yīng)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(duì)鐵路橋墩沉降變形影響主要在支架安裝及支架預(yù)壓施工過程。根據(jù)周邊同類型施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，支架安裝對(duì)鐵路橋墩沉降影響可忽略，支架預(yù)壓對(duì)鐵路橋墩沉降累計(jì)變化量最大為-1.3mm。而土模法施工方案對(duì)鐵路橋墩沉降變形影響主要在土模壓實(shí)及土模預(yù)壓施工過程中，土模預(yù)壓施工對(duì)鐵路橋墩沉降累計(jì)變化量最大為-1.7mm，均滿足規(guī)范要求。

從工程施工風(fēng)險(xiǎn)性方面分析：滿堂支架施工涉及高處作業(yè)、用電作業(yè)、起重吊裝作業(yè)、施工機(jī)械作業(yè)等，若管理或操作不當(dāng)易造成安全事故。土模法施工方案涉及用電作業(yè)、起重吊裝作業(yè)、施工機(jī)械作業(yè)等，施工風(fēng)險(xiǎn)低，操作簡(jiǎn)單，方便施工管理。

研究結(jié)論：綜上分析，土模法施工方案工期短、投資少，工藝技術(shù)簡(jiǎn)便，對(duì)鐵路橋墩的沉降影響滿足要求，工程施工風(fēng)險(xiǎn)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(huán)路涉鐵段施工方案的具體應(yīng)用

將三環(huán)路涉鐵工程施工方案作為目標(biāo)層Z，將影響施工方案的主要因素的工期、工藝費(fèi)用、工藝技術(shù)復(fù)雜程度、工程施工對(duì)鐵路橋墩沉降變形影響、工程施工風(fēng)險(xiǎn)性（分別用A1～A5表示）等5 個(gè)主要因素作為準(zhǔn)則層A，結(jié)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(biāo)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(jù)三環(huán)路樁板橋施工要求，結(jié)合隨機(jī)抽取的9位評(píng)審專家的意見，獲得關(guān)鍵指標(biāo)作為準(zhǔn)則層，并論證準(zhǔn)則層各指標(biāo)對(duì)三環(huán)路樁板橋施工方案相對(duì)重要程度，構(gòu)建判別矩陣表見表2。

表2 準(zhǔn)則層判斷矩陣表

建立判斷矩陣如下：

經(jīng)計(jì)算，得到準(zhǔn)則層各因子對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重，其權(quán)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(yàn)要求。

根據(jù)上文2.2 對(duì)滿堂支架施工方案、土模法施工方案的優(yōu)劣分析，為便于量化比較，根據(jù)專家打分情況，采用模糊評(píng)價(jià)法可得出各評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的分值如表3 所示。

表3 模糊評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)上文表1 中數(shù)據(jù)分析并結(jié)合表3，對(duì)方案層B優(yōu)劣進(jìn)行分析，如表4 所示。

表4 方案層判斷矩陣表

分別計(jì)算方案層B對(duì)各準(zhǔn)則層因子的相對(duì)權(quán)重：

方案層對(duì)工期的相對(duì)權(quán)重

方案層對(duì)工藝費(fèi)用的相對(duì)權(quán)重

方案層對(duì)工藝技術(shù)復(fù)雜程度的相對(duì)權(quán)重

方案層對(duì)工程施工對(duì)鐵路橋墩沉降變形影響的相對(duì)權(quán)重

方案層對(duì)工程施工風(fēng)險(xiǎn)性的相對(duì)權(quán)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(duì)目標(biāo)層(三環(huán)路涉鐵工程施工方案)的組合權(quán)重。土模法施工方案對(duì)三環(huán)路涉鐵工程施工方案的權(quán)重為Z=0.677，滿堂支架施工方案對(duì)三環(huán)路涉鐵工程施工方案的權(quán)重為Z=0.323，評(píng)價(jià)結(jié)果如表5 所示。

表5 各方案層權(quán)重值

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

4 結(jié)論

其一，本文研究三環(huán)路樁板橋施工方案比選的影響因子，根據(jù)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(shù)簡(jiǎn)便，對(duì)鐵路橋墩的沉降影響滿足要求，工程施工風(fēng)險(xiǎn)可控。

其二，通過層次分析法，以三環(huán)路涉鐵項(xiàng)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(jù)專家調(diào)查打分結(jié)果與層次分析法所得結(jié)論一致，進(jìn)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(duì)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(diǎn)是能夠?qū)?fù)雜多影響因子、多方案比選的過程變得系統(tǒng)化，結(jié)果變得直觀化，結(jié)論變得客觀化。