王 夢(mèng)，馬浩森，馮 悅，徐萬里

（1.華南師范大學(xué) 政治與公共管理學(xué)院，廣東 廣州 510006，E-mail：gzxuwanli@126.com；2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

隨著我國(guó)對(duì)建設(shè)生態(tài)環(huán)保、資源節(jié)約、科技創(chuàng)新和智能建造型工程的實(shí)踐，工程方案開始涉及多元化目標(biāo)，以應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的施工環(huán)境，這使得方案的選擇成為一個(gè)系統(tǒng)性難題。因此厘清方案選擇與決策的內(nèi)在邏輯，進(jìn)而選擇最優(yōu)方案，對(duì)復(fù)雜工程高質(zhì)量建設(shè)具有重大理論和現(xiàn)實(shí)意義。

過去40 年間，得益于水工盾構(gòu)隧洞工程決策者重視方案的優(yōu)選應(yīng)用，我國(guó)工程建設(shè)取得輝煌成就。南水北調(diào)中線穿黃隧洞針對(duì)長(zhǎng)距離水下軟土地層大膽選擇盾構(gòu)隧洞預(yù)應(yīng)力復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)，克服了軟土地層高壓隧洞大變形世界級(jí)難題；武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸工程從多角度比選深層隧道開挖工法并最終確定頂管與盾構(gòu)組合方案，成功建成國(guó)內(nèi)距離最長(zhǎng)的輸送型深層排水工程。與此同時(shí)學(xué)界對(duì)方案比選的關(guān)注度也不斷提升，基于中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）和Web of Science 以“方案比選”和“Scheme Comparison”為關(guān)鍵詞檢索發(fā)現(xiàn)：文獻(xiàn)數(shù)量在2000—2022 年間呈顯著上升趨勢(shì)，方案比選在環(huán)境[1]、工業(yè)[2]、交通[3]、工程[4]等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但水工盾構(gòu)隧洞工程方案比選在理論和實(shí)踐層面存在多重問題待解決：一是部分復(fù)雜工程直選單一方案，缺少比選無法實(shí)現(xiàn)決策最優(yōu)化；二是比選評(píng)價(jià)體系尚未達(dá)成共識(shí)，比選流程的系統(tǒng)性、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性不足；三是部分單調(diào)的綜合評(píng)價(jià)方法受人為因素和專家經(jīng)驗(yàn)制約，比選結(jié)果帶有主觀色彩；四是貫穿于工程實(shí)施全過程的方案比選研究多聚焦于設(shè)計(jì)階段，忽略了施工階段優(yōu)選方案對(duì)工程建設(shè)的增值。可見對(duì)于工程方案比選這一復(fù)雜難題，總結(jié)普適性理論成果、提出規(guī)律性決策建議仍待進(jìn)一步研究和探討。

基于此，本文依托重大民生水利工程——珠江三角洲水資源配置工程，針對(duì)隧洞長(zhǎng)、豎井深、工期緊、標(biāo)準(zhǔn)高的特點(diǎn)，利用專家群策方法擬定出4種深埋長(zhǎng)距離水工盾構(gòu)隧洞出渣方案。采用模糊評(píng)價(jià)法分別對(duì)各方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，按評(píng)分選擇綜合效益最優(yōu)的方案。既為水工盾構(gòu)隧洞出渣方案比選提供一套相對(duì)完備的綜合評(píng)價(jià)體系，又為方案比選和創(chuàng)新技術(shù)向?qū)嵺`轉(zhuǎn)化應(yīng)用提供方法論與技術(shù)支撐。

1 工程方案比選方法發(fā)展與分析

1.1 綜合評(píng)價(jià)的步驟及方法

工程方案綜合評(píng)價(jià)比選步驟：選取指標(biāo)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系→計(jì)算確定指標(biāo)權(quán)重→綜合評(píng)價(jià)。選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，對(duì)成果豐富、手段成熟的領(lǐng)域常用專家咨詢、文獻(xiàn)分析等定性判斷方法；對(duì)內(nèi)容新穎、成果未成型的領(lǐng)域，則適當(dāng)補(bǔ)充定量手段，如補(bǔ)充計(jì)算指標(biāo)的相關(guān)指數(shù)[5]等。

確定權(quán)重及綜合評(píng)價(jià)的方法有主觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)法[6]，常見綜合評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法（AHP）、專家意見法（Delphi）[7]、模糊評(píng)價(jià)法（FCE）[8]、熵權(quán)法（EA）[9]、主成分分析法（PCA）[10]和TOPSIS[11]，其各有優(yōu)劣。為克服單一賦權(quán)的缺陷，一些學(xué)者用組合賦權(quán)使評(píng)價(jià)更科學(xué)有效。Peide Liu[12]提出專家群策確定評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重，結(jié)合TOPSIS 法對(duì)方案進(jìn)行排序。王燕榮[13]采用模糊綜合評(píng)判與BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合方法解決高層建筑結(jié)構(gòu)選型問題。李剛等[14]運(yùn)用加法、乘法合成、極差最大化、客觀修正主觀4 種方法研究組合賦權(quán)合理性。姜偉等[15]運(yùn)用層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立盾構(gòu)掘進(jìn)適應(yīng)性評(píng)價(jià)模型。

行業(yè)層面看，水工盾構(gòu)隧洞工程綜合評(píng)價(jià)體系較其他領(lǐng)域完善度低，學(xué)者多針對(duì)工程提出單一方案，鮮少進(jìn)行方案比選。學(xué)術(shù)層面看，部分學(xué)者過于強(qiáng)調(diào)方法研究而忽略了實(shí)證分析，或無視工程差異照搬評(píng)價(jià)方法。總體來說，運(yùn)用綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行水工盾構(gòu)隧洞施工方案比選的成果中，尚未形成完備的理論框架，因此研究需將綜合評(píng)價(jià)與實(shí)證分析深入結(jié)合，既考慮方法、體系創(chuàng)新，完善理論框架；又通過對(duì)具體工程應(yīng)用評(píng)價(jià)，總結(jié)出可推廣性經(jīng)驗(yàn)，并在發(fā)展尚不成熟的工程領(lǐng)域引入其他領(lǐng)域成型的綜合評(píng)價(jià)研究成果加以完善。

1.2 層次分析和模糊評(píng)價(jià)法的適用性分析

層次分析法是一種定性定量結(jié)合的非結(jié)構(gòu)化決策分析方法。原理是將問題分解為多個(gè)層次或元素，不同元素兩兩比較后構(gòu)建重要性判斷矩陣，求解得到重要性排序作為決策基礎(chǔ)。利用層次分析法可將專家的經(jīng)驗(yàn)與理性分析相結(jié)合，用于復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化、多目標(biāo)、多標(biāo)準(zhǔn)、多因素的決策問題。

模糊評(píng)價(jià)法是一種模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)目標(biāo)的多個(gè)角度開展綜合評(píng)價(jià)的方法。用模糊變換原理和最大隸屬度原則，將定性評(píng)價(jià)的事物進(jìn)行定量分析，用于模糊復(fù)雜、難以量化和不確定性的評(píng)價(jià)問題。

層次分析法用于因素選取、權(quán)重確定，模糊評(píng)價(jià)法用于方案優(yōu)選，兩種方法結(jié)合互補(bǔ)，克服了層次分析法中模糊指標(biāo)評(píng)定不準(zhǔn)的問題，彌補(bǔ)了模糊評(píng)價(jià)法中人為因素影響指標(biāo)權(quán)重的不足。本文將兩種方法結(jié)合，在出渣方案比選中成功應(yīng)用。

2 依托工程及出渣方案概況

2.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是國(guó)務(wù)院部署的172 項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，采用盾構(gòu)暗挖隧洞輸水，線路總長(zhǎng)113.1 km，總投資354 億元。建設(shè)之初為廣東省歷史上投資額最大、線路最長(zhǎng)、受水區(qū)域最廣，也是世界上輸水壓力最大、盾構(gòu)隧洞最長(zhǎng)的調(diào)水工程。工程穿越珠三角核心城市群，考慮到城市淺層地下空間資源有限，秉持“不占地、少占地、節(jié)約土地資源”的超前建設(shè)理念，在40 m~70m 的深層地下建造隧洞，節(jié)約淺層和地表近兩萬畝土地資源。同時(shí)針對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，設(shè)置16 座圓形盾構(gòu)出渣工作井，直徑26.8m~30.5 m、深度50.02m~71.38 m，投入27 臺(tái)6 m 或8 m 級(jí)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度1850 m~3607 m。

2.2 工程特點(diǎn)

工程具有以下特點(diǎn)：一是工期需求緊，作為提升粵港澳大灣區(qū)水安全保障的戰(zhàn)略性工程，各級(jí)政府及社會(huì)各界高度關(guān)注，在高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求、高質(zhì)量推進(jìn)工程建設(shè)的基礎(chǔ)上，多次調(diào)整壓縮工期；二是出渣難度大，隧洞平均長(zhǎng)度超2.7 km，豎井平均深度超50 m，井下空間小且水平和垂直運(yùn)距長(zhǎng)；三是安全責(zé)任重，線路穿越61 處村居、12 處鐵路、23 處高速、16 處河流航道，穿越地質(zhì)和環(huán)境復(fù)雜；四是環(huán)保要求高，工程施工范圍涉及29 處飲用水源和生態(tài)保護(hù)區(qū)，環(huán)境極其敏感。

2.3 出渣方案分析

深埋長(zhǎng)距離隧洞出渣工效直接制約盾構(gòu)掘進(jìn)速度，且不同出渣方案也會(huì)影響成本、安全等，故方案的比選至關(guān)重要。而隨著我國(guó)城市建設(shè)由地表和淺層向中、深層地下空間發(fā)展，未來會(huì)出現(xiàn)越來越多類似的大埋深、長(zhǎng)距離地下隧洞，因此分析盾構(gòu)隧洞各種出渣方案具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

隧洞出渣方式有3 種：有軌運(yùn)輸、無軌運(yùn)輸和連續(xù)皮帶運(yùn)輸[16]，受洞內(nèi)通風(fēng)和井下空間制約，排除無軌運(yùn)輸。討論擬定4 種出渣方案如表1 所示。

表1 擬定出渣方案

方案中渣土水平運(yùn)輸方式有3 種：一是方案一、方案二在掘進(jìn)反向開挖一條40m 長(zhǎng)后導(dǎo)洞，用于一列拖掛5 個(gè)渣斗的標(biāo)準(zhǔn)編組礦車卸渣：操作管理簡(jiǎn)單且成本可控，但導(dǎo)洞開挖和有軌運(yùn)輸增加了井下安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)渣土轉(zhuǎn)接礦車時(shí)易飛濺影響文明施工；二是方案三在洞口安裝道岔，用于拖掛2 個(gè)渣斗的兩列非標(biāo)準(zhǔn)編組礦車卸渣：無后導(dǎo)洞使出渣準(zhǔn)備更簡(jiǎn)單且成本投入低，但非標(biāo)編組礦車運(yùn)量小、效率低，存在延誤工期的可能，同時(shí)兩列礦車頻繁往返安全風(fēng)險(xiǎn)高；三是方案四洞內(nèi)水平連續(xù)皮帶運(yùn)渣：運(yùn)輸安全且效率高，渣土轉(zhuǎn)接至皮帶時(shí)掉渣少，但存在皮帶系統(tǒng)成本投入高的問題。

方案中渣土垂直運(yùn)輸方式有2 種：一是方案一、方案三采用龍門吊提拉渣斗運(yùn)輸：操作管理簡(jiǎn)單、成本投入低，但垂直運(yùn)輸耗時(shí)長(zhǎng)，工期延誤易引發(fā)成本增加，且頻繁起重吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)高、渣土飛濺影響環(huán)境；二是方案二、方案四采用垂直皮帶運(yùn)輸：運(yùn)渣效率高、工期短、封閉運(yùn)輸文明施工好，但技術(shù)復(fù)雜且與水平皮帶一樣存在成本高的問題。

4 種出渣方案各有優(yōu)劣，需構(gòu)建評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)定，為工程選擇最合適的方案。

3 構(gòu)建模型評(píng)價(jià)出渣方案

首先要選定評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建層次分析模型，利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，再采用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)各方案分別進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，按得分高低選出最優(yōu)方案，比選流程如圖1 所示。

圖1 工程方案比選流程圖

3.1 識(shí)別指標(biāo)建立評(píng)價(jià)層次分析模型

依據(jù)決策問題將相關(guān)因素分為目標(biāo)層、指標(biāo)層和方案層，構(gòu)建有序的遞接層次結(jié)構(gòu)。邀請(qǐng)10 位行業(yè)專家參與，基于工程特點(diǎn)以加快進(jìn)度、節(jié)約成本、保障安全、保證質(zhì)量、施工環(huán)保為原則，選擇進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量、環(huán)保等5 個(gè)一級(jí)指標(biāo)和14 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，如表2 所示。

表2 出渣方案評(píng)價(jià)指標(biāo)表

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立土壓盾構(gòu)隧洞出渣方案比選評(píng)價(jià)模型，如圖2 所示。

圖2 出渣方案比選評(píng)價(jià)模型圖

3.2 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

對(duì)模型準(zhǔn)則層的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重：建立判斷矩陣→求解矩陣組合指標(biāo)權(quán)重→結(jié)果一致性檢驗(yàn)。

3.2.1 構(gòu)建判斷矩陣

采用1~5 標(biāo)度法，由行業(yè)專家根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)，對(duì)各指標(biāo)的重要程度兩兩對(duì)比評(píng)分并構(gòu)建判斷矩陣A=(aij)，其中aij為指標(biāo)ai與指標(biāo)aj相比的重要性標(biāo)度。評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣如表3~表7 所示，其中一級(jí)指標(biāo)進(jìn)度下屬1 個(gè)施工工期二級(jí)指標(biāo)無需構(gòu)建矩陣C1。

表3 一級(jí)指標(biāo)B 的判斷矩陣及特征向量

表4 二級(jí)指標(biāo)C2 的判斷矩陣及特征向量

表5 二級(jí)指標(biāo)C3 的判斷矩陣及特征向量

表6 二級(jí)指標(biāo)C4 的判斷矩陣及特征向量

表7 二級(jí)指標(biāo)C5 的判斷矩陣及特征向量

3.2.2 求解指標(biāo)權(quán)重

使用方根法求解判斷矩陣：

式中，(AW)i為向量AW的第i個(gè)分量。

通過式（1）~式（3）求得指標(biāo)權(quán)重，再對(duì)一、二級(jí)指標(biāo)權(quán)重組合計(jì)算得綜合權(quán)重，如表8 所示。

表8 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3.2.3 結(jié)果一致性檢驗(yàn)

為避免矩陣邏輯性錯(cuò)誤，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

式中，λmax為最大特征值；n為階數(shù)；CR為一致性比率；CI為一致性指標(biāo)；RI由表9 查得。

表9 隨機(jī)一致性RI 表

通過式（4）~式（5）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如表10 所示，CR值均小于0.1，認(rèn)為判斷矩陣合理。

表10 一致性檢驗(yàn)結(jié)果匯總

3.3 模糊評(píng)價(jià)法進(jìn)行方案評(píng)定

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重后，使用模糊評(píng)價(jià)法分別對(duì)每一種方案的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：確定評(píng)價(jià)分級(jí)集合并賦分→各方案指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)→建立模糊評(píng)價(jià)矩陣→合成評(píng)價(jià)結(jié)果→選出最優(yōu)方案。

3.3.1 確定評(píng)價(jià)分級(jí)集合

分級(jí)集合是評(píng)價(jià)者作出的評(píng)價(jià)結(jié)果集合：

式中，vj(j=1，2，…，m)是評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；m是元素個(gè)數(shù)，即等級(jí)次數(shù)。

將出渣方案的各指標(biāo)設(shè)定5個(gè)評(píng)價(jià)分級(jí)：V=（極好、較好、一般、較差、極差），并給每一個(gè)分級(jí)賦分，如表11 所示。

表11 評(píng)價(jià)等級(jí)賦分表

3.3.2 指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)

10位行業(yè)專家針對(duì)4種方案對(duì)應(yīng)的指標(biāo)分別進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià)，各等級(jí)人數(shù)統(tǒng)計(jì)如表12 所示。

表12 出渣方案指標(biāo)評(píng)價(jià)各等級(jí)人數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.3.3 建立模糊評(píng)價(jià)矩陣

根據(jù)設(shè)立的評(píng)價(jià)分級(jí)集合，需逐個(gè)對(duì)方案從每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)U= {u1,u2,u3,…up}上的狀態(tài)表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)判，即確定以單個(gè)指標(biāo)來看方案對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬度（R|ui），其中i=1，2，…，p。由此可以得到各指標(biāo)的隸屬度值，建立模糊評(píng)價(jià)矩陣：

式中，rij(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的可能程度，通常量化為評(píng)語數(shù)量，N表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)語總數(shù)。

使用式（7）~式（8）對(duì)指標(biāo)建立模糊關(guān)系評(píng)價(jià)矩陣R，以方案一的評(píng)價(jià)矩陣為例如下：

3.3.4 合成結(jié)果計(jì)算得分

將評(píng)價(jià)矩陣R與權(quán)重向量W=(ω1，ω2，…，ωn) 進(jìn)行矩陣乘法運(yùn)算，即可得到方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果向量B，表示決策集上各種決策的可能性系數(shù)。

由表8 可知評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量W=（32.7，16.35，16.35，1.545，5.543，7.957，3.265，1.116，2.529，5.058，0.721，1.375，1.955，3.536），使用式（9）計(jì)算各方案結(jié)果向量，歸一化處理后得到隸屬度結(jié)果。

依據(jù)表11 賦分轉(zhuǎn)化評(píng)價(jià)結(jié)果，如表13 所示。

表13 4 種方案綜合得分表

從綜合得分看，分?jǐn)?shù)高低依次為：方案四>方案二>方案三>方案一，方案四“水平+垂直連續(xù)皮帶運(yùn)輸”方案為盾構(gòu)隧洞出渣最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

本文基于珠三角水資源配置工程盾構(gòu)隧洞出渣方案比選的實(shí)證案例，先用調(diào)查分析法識(shí)別評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立分析模型，再用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，最后用模糊評(píng)價(jià)法分別評(píng)價(jià)4 種方案，優(yōu)選出“水平+垂直連續(xù)皮帶運(yùn)輸”這一智能建造新技術(shù)方案。實(shí)證檢驗(yàn)方案綜合效益較好：一是連續(xù)皮帶較傳統(tǒng)門吊出渣效率提升2 倍以上，26 條皮帶出渣區(qū)間均提前完成開挖，為后續(xù)金結(jié)安裝預(yù)留了大量可支配工期；二是長(zhǎng)度超過2 km 的23 條連續(xù)皮帶出渣隧洞綜合成本均受控，其中5 條3 km 以上的超長(zhǎng)隧洞比門吊出渣核算成本更低；三是工程未發(fā)生一例渣土運(yùn)輸安全事故，未出現(xiàn)一例環(huán)保投訴事件，受到社會(huì)各界一致認(rèn)可；盾構(gòu)單元工程100%合格、優(yōu)良率96%以上，達(dá)到創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程的目標(biāo)。

在水工盾構(gòu)隧洞工程中采用層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)法比選施工方案，具備科學(xué)性和合理性，彌補(bǔ)了該領(lǐng)域方案比選研究的缺失，構(gòu)建的評(píng)價(jià)模型可為其他工程方案進(jìn)行客觀、公正的評(píng)價(jià)比選提供借鑒，同時(shí)也為施工新技術(shù)的應(yīng)用提供一種方法論和技術(shù)支撐。但本文模型優(yōu)先出的“水平+垂直連續(xù)皮帶運(yùn)輸”出渣方案僅在深埋長(zhǎng)距離盾構(gòu)隧洞有優(yōu)勢(shì)，存在環(huán)境范圍的局限性。建議在類似工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用，以便從方案比選中總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和完善評(píng)價(jià)體系。