川藏鐵路綠色施工節材措施綜合效果評價研究

李雨濃，鮑學英

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州730070)

川藏鐵路線路長，沿線途經區域多為高海拔生態環境脆弱地區。隨著其建造進程的不斷推進，人民對川藏鐵路沿線生態環境的保護越發重視。且西藏地區生態環境尤為脆弱，動、植物群落簡單，受到影響后恢復困難。因此，為了減少建設過程中的水環境污染、土壤污染、固廢排放等對生態環境的破壞，使川藏鐵路建設為文明、環保的綠色鐵路。在保障工程質量及進度的基礎上，尋求合理利用相關施工過程中的節材措施不僅在一定程度上達到了節能降耗的目的，而且減少了在此過程當中對生態環境的影響，對建立可持續發展的綠色鐵路有著重要意義。目前，鐵路綠色施工節材措施已引起國內外相關專家學者及有關部門的關注。SAWLEY等[1?2]通過分析英國鐵路建造過程中使用的可再生材料的現狀建立了相應的評價準則。板村太郎等[3]在分析日本國內實際修建鐵路工程的經驗上，優化或使用高性能替代材料從而建立了針對于鐵路建設用材的評價標準。另一方面，張健[4]分析了高速鐵路建造過程中可采取的節材措施及其對應的技術特點。鮑學英[5]針對西北寒旱地區鐵路綠色施工建立了相應的等級評價體系。相關部門也制定了關于鐵路綠色施工、施工節材的對應標準。2014年國家鐵路局發布了《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)其中針對鐵路客站建設項目的綠色施工做出了相應的評價標準。由于目前關于鐵路建設項目施工過程中綠色施工節材措施效果的評價理論相對較少。本文借鑒建筑領域對于施工過程中節材措施效果相對成熟的評價體系，結合《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程綠色施工評價標準》(GB/T 50640—2010)。針對由于川藏鐵路所跨地區生態環境的差異、可使用節材措施的程度不同，所導致的施工過程中各種節材措施的綜合效果在不同區段對應的評價標準有所區別的問題。本文建立川藏鐵路綠色施工節材措施綜合效果評價模型，通過引入主觀偏好系數結合G1法和改進DEA模型2種主、客觀賦權方法，以最終確定效率指數為基準[6?7]，為川藏鐵路不同施工區間選取高效、適用性強的節材措施提供參考。

1 影響因素識別

從施工階段各節材措施自身、經濟成本、施工技術承受力3個方面對川藏鐵路綠色施工節材措施綜合效果的影響因素進行識別。在此基礎上，對各影響因素進行細化及提取，構建川藏鐵路綠色施工節材措施綜合效果評價指標體系，見圖1。

圖1 評價指標影響因素識別Fig.1 Identification of factors affecting evaluation indicators

2 川藏鐵路綠色施工節材措施綜合效果評價指標體系

根據對相關影響因素的識別，同時參考《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程綠色施工評價標準》(GB/T 50640—2010)。在充分考慮川藏鐵路沿線生態環境脆弱的基礎上，本文從5個方面對節材措施的綜合效果進行分析，即為施工技術、經濟收益、社會效益、環境影響和其他5個方面。同時為提高節材措施綜合效果評價的準確性，對評價指標進行篩選和提取，所建立的川藏鐵路綠色施工節材措施綜合效果評價指標體系，見表1。

表1 節材措施綜合效果評價指標體系Table 1 Evaluation index system of comprehensive effect of material saving measures

3 川藏鐵路施工現場一般可選擇的節材措施

鑒于川藏鐵路途徑西藏及四川多地的生態環境脆弱區域，本文借鑒修建青藏鐵路工程時實際采取過的節材措施經驗。在此基礎上，結合國家鐵路局2014年所發布的《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程綠色施工評價標準》(GB/T 50640—2010)中對節材措施的相關評價標準，綜合分析川藏鐵路施工現場一般可選擇的節材措施為：使用高性能材料及節材型工藝、實體性材料降耗、使用可再生材料及余料回收、周轉性材料重復使用。在對相關從業專家以問卷調查方式得到綜合評分結果的基礎上，將4種節材措施對應的相關技術進行細化，以此構建節材措施綜合評價指標體系。

3.1 使用高性能材料及節材型工藝

1)改良土路基填料代替AB料，當施工區段在保證路基工程的施工質量且因地質環境使用改良土的經濟效益遠大于AB料時。2)因施工區段所處生態環境脆弱地區時可使用高性能、對生態環境友好的節材型路基支擋結構的程度。3)根據施工區段當地的地質環境條件使用CFG樁技術。4)施工區段內橋梁工程使用預制拼裝式橋梁臺背技術5)使用高性能混凝土用于混凝土結構的程度。

3.2 實體性材料降耗

1)施工區段利用低回彈率的隧道混凝土噴敷材料及工藝以降低隧道工程初期支護時混凝土的損耗。2)使用路基填料、混凝土拌和站信息化配料降低因人工計算偏差導致材料消耗增多。3)因鐵路施工周期長、施工區段使用材料本地化的程度影響施工材料因運輸而引起的損耗。4)BIM節材技術應用于施工材料的精細化計算從而避免施工過程中材料的不必要損耗。5)作為主要施工材料的水泥、砂漿受制于其生產技術及運輸方式，損耗率高居不下。為解決此項問題，使用預拌砂漿、散裝水泥作為現澆砂漿及袋裝水泥的替代選擇。

3.3 周轉性材料重復使用

1)使用高性能、重復使用次數多的工具式模板、腳手架以降低其的消耗率。2)提高制梁場工裝構件的通用程度，已達到節約材料、環境友好、降低成本的目的。

3.4 使用可再生材料及余料回收

1)使用隧道棄渣、路塹開挖等大量的土石方類固廢物。2)因鐵路工程施工過程中部分施工材料需運輸到施工現場所產生的包裝材料如木板、塑料薄膜等加以利用。3)充分利用價格低廉、性能優良的可再生材料，如：粉煤灰、灰渣、礦渣、鋼渣、瀝青等。4)在對材料性能要求較低的施工點(混凝土墊層、砌筑砂漿等)可使用廢棄混凝土、砂石、碎砌塊等作為混凝土再生骨料。

綜合以上關于川藏鐵路施工現場一般可選擇的節材措施分析，構建川藏鐵路綠色施工節材措施體系，見表2。

表2 川藏鐵路施工現場一般可選擇的節材措施Table 2 Materials-saving measures generally selected for construction site of Sichuan-Tibet Railway

4 G1法和改進DEA模型基本理論

G1法[8]即序關系分析法，是在AHP法的基礎上簡化賦權過程改進而來的一種主觀賦權方法。改進DEA模型為一種客觀賦權方法。通過主觀偏好系數及線性加權的方法，組合2種主、客觀賦權方法并以此為評價指標的綜合權重。

4.1 基于G1法的指標權重的確定

G1法即為指標間逐個比較判斷重要性的一種主觀賦權方法。在凸顯決策者偏好及重要指標作用的基礎上簡化了構造判斷矩陣及一致性檢驗的賦權過程。步驟如下。

4.1.1 指標間序關系的確定

若各施工節材措施評價指標Xi和Xj在相應的評價方面下具有如下關系式：Xi>Xj(i,j=1,2,3,n)則稱Xi的重要程度高于Xj。根據此種方法對評價指標集中的評價指標進行相對重要性排序，確定指標間序關系，如下式所示，

4.1.2 理性判斷

4.1.3確定權重

根據rk的定義進行求積，計算如下：

計算第n個評價指標的權重，即

4.2 改進的DEA模型

為解決DEA模型[9?10]在賦權過程中可能會出現的評價指標權重數值不合理且多組指標權重重疊的問題，本文選取一種改進的DEA模型[11]進行客觀權重的確定。

4.2.1 有效決策單元的確定

將前文所提的4種綠色施工節材措施組成4個決策單元DMUq(q=1,2,…,4)。從5個方面對4種節材措施進行分析，即每個決策單元輸入、輸出指標分別為v，u滿足關系式v+u=5。

決策單元DMUq的輸入、輸出向量分別記為Xq，Yq，則有

式中：xs,q,yt,q分別為決策單元DMUq的s個輸入指標值，s=1,2,…,v；第t個輸出指標值，t=1,2,…,u。

則有輸入、輸出指標的權重向量分別為K,G：

構建最優、最劣虛擬決策單元DMUm+1,DMUm+2，其中m為總的決策單元數。

虛擬最優決策單元DMUm+1的輸入和輸出指標值為別記為Xm+1和Ym+1：

則滿足如下關系式，

同理，可得DMUm+2的輸入、輸出向量的取值，即

4.2.2 公共權重的確定

以最劣決策單元DMUm+2為最差目標、最優決策單元DMUm+1的約束條件為hm+1=1，則有，

式中：ks和gt為最優決策單元DMUm+1的輸入、輸出指標的權重值。

即為在滿足最優決策單元DMUm+1的效率指數最優的無數組解中，選取使得最劣決策單元DMUm+2的效率指數最小的解，并以此為公共權重。

式中：hm+2為最劣決策單元DMUm+2所對應效率指數；gt為最劣決策單元DMUm+2輸出向量所對應權重值。

綜合評價模型為，

對評價指標的數據進行歸一化處理，得到

4.3 基于G1法和改進DEA的綜合評判模型

依據《綠色鐵路客站評價標準》(TB/T 10429—2014)及《建筑工程綠色施工評價標準》(GB/T 50640—2010)引入主觀偏好系數θ，結合2種主、客觀賦權方法從而形成綜合賦權法，確定指標的綜合權重[12]為W′。計算公式如下：

式中：W和W*分別為G1法和改進的DEA模型指標權重。

4.4 效率指數

效率指數即為衡量各綠色施工節材措施對于施工區段的適用程度[13]的基準，指數越大節材措施越適用于該施工區段，計算公式如下：

式中：w′t和w′s分 別 為決策單元DMUq對 應輸入、輸出指標的綜合權重；yt，i和xs，i為輸入、輸出指標值。

5 評價過程

針對文中構建的川藏鐵路綠色施工節材措施綜合效果評價指標體系，將每種節材措施作為一個決策單元，通過縱向分析每個決策單元即每種滿足需求的節材措施應考慮哪些方面，如表1所示。并同時在同一施工區段，對于文中選取的4種節材措施進行橫向比較從而得到節材措施間的優劣排序，如表2所示。最終通過得出各節材措施的效率指數來確定節材措施對于施工區段的適用程度，具體評價過程如圖2所示。

圖2 評價過程Fig.2 Evaluation process

6 實例應用

川藏鐵路理塘境段以雅江和白玉為兩端,區間內海拔落差大，生態環境脆弱、恢復難度大[14]。研究川藏鐵路理塘縣境內段建設過程中的綠色施工節材措施綜合效果評價具有一定的代表性。故本文選取川藏鐵路理塘境內施工區段作為實例評價對象，選取前文所提的川藏鐵路施工現場一般可選擇使用的4種節材措施，記為節材措施A，B，C，D。運用本文所提的方評價法對其綠色施工節材措施進行綜合效果評價，以此為例說明該方法的實用性。

邀請相關從事鐵路綠色施工專家及具有修建青藏鐵路工程實際經驗的施工方人員共25位，以發放調查問卷的形式得到基于表1及表2的評價結果。具體打分規則按照百分制進行打分，最終得分取其平均值。通過對收回問卷進行有效性分析后得出4種節材措施綜合評價指標標準集見表3、各節材措施平均得分見表4。

表3 節材措施綜合評價指標標準集Table 3 Standard set of comprehensive evaluation indicators for material saving measures

6.1 基于G1法的指標主觀權重的確定

依據本文構建的評價指標體系，通過對前文所提專家問卷的分析和整理。得出指標間的相對重要度排序為：根據專家對于指標間相對重要程度的理性判斷，近似給出r2=1.2,r3=1.6,r4=1.4，r5=1.6?？?得r2r3r4r5=4.300 8，r3r4r5=

6.2 基于改進DEA模型客觀權重的確定

將施工技術、社會效益和其他方面的評價記為各決策單元的投入評價，記為v1，v2和v3，而在經濟、環境方面的評價為收益評價，記為u1和u2。構造的最優、最劣決策單元為DMU5和DMU6。則有DMU5的輸入向量為X5=[69 76 57]T，輸出向量Y5=[93 88]T；DMU6的 輸 入 向 量X6=[91 80 80]T,輸出向量Y6=[68 74]T。

對2組新向量進行數據歸一化處理，形成新的矩陣E。

以矩陣E為準，根據前文所提改進DEA模型的定義，所構建的模型為；

運用MATLAB軟件中LMI工具組件對上式進行求解，可得u1=3.724，u2=0，v1=0，v2=0，v3=5.154。再對得到的數據歸一化處理，從而得到各個評價指標的權重系數；0.580，因此得出公共權重向量為W*=[0 0.419 0 0 0.581]T

6.3 綜合權重的確定

依據前文所提的主觀偏好系數確定方法，選取偏好系數為θ=0.6。根據式(17)可得出綜合權重為：

6.4 效率指數的確定

通過得到的各個評價指標的綜合權重，根據式(18)得出四種節材措施效率指數的優劣排序：

同理可得h2，h3，h4效率指數分別為0.940 7，0.811 1，1.051 7。

根據計算結果易得h4的效率指數最大，即為使用可再生材料及余料回收節材措施為川藏鐵路理塘縣境內段建設過程中綜合效果最好的節材措施。評價結果與現有文獻資料及調研結果[15]具有良好的吻合性。

7 結論

1)通過對指標權重進行線性加權及運用主觀偏好系數的方式結合主、客觀兩種賦權方法。在凸顯決策者主觀偏好及重要指標作用的同時，又充分考慮到施工過程中的實際情況。在此基礎上得到的評價結果更為全面、合理。

2)本文一方面從施工技術、經濟收益、社會效益，環境影響及其他5個方面出發，將節材措施綜合效果評價指標分為投入型及收益型。另一方面，結合川藏鐵路施工區段所處地區生態環境特點、施工條件等細化各節材措施種類。以此為基準的節材措施綜合效果評價體系可更為全面、客觀的衡量節材措施對于施工區段的適用程度。在保證工程質量及施工進度的前提條件下，為正在建設的川藏鐵路施工區段選取針對性強、效益突出的節材措施提供一種新的方法和思路。