黃艷玲 顧偉紅 王挺

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵六局呼和浩特鐵建公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

0 引言

工期控制是對(duì)施工速度和施工進(jìn)度的全面控制。地鐵盾構(gòu)施工能否成功，關(guān)鍵在于工期的控制優(yōu)化。影響盾構(gòu)施工的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，不僅包括盾構(gòu)機(jī)的總推力、土艙壓力、刀盤扭矩等機(jī)械因素，也包括盾構(gòu)操作人員的專業(yè)素養(yǎng)及作業(yè)班組組織模式、管理方法等人為因素。加之TBM具有同時(shí)、連續(xù)、集中的施工特點(diǎn)，以及施工條件的不確定性，所以建立一個(gè)工期控制優(yōu)化的模型將是一個(gè)綜合的、復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的過(guò)程。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)的性能優(yōu)配進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。陶冶等運(yùn)用SPSS軟件對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)效率的參數(shù)影響因素進(jìn)行分析，討論了各個(gè)參數(shù)變化的敏感程度，并找出了影響盾構(gòu)施工效率的關(guān)鍵因素，提出了盾構(gòu)施工工程中掘進(jìn)參數(shù)控制的合理建議[1]。于德海等通過(guò)模擬盾構(gòu)施工引起的地表沉降的規(guī)律，并結(jié)合工程的實(shí)際地質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行盾構(gòu)施工的三維仿真分析，研究其對(duì)周圍土體環(huán)境的影響[2]。段曉晨等通過(guò)實(shí)例分析，深入論述了盾構(gòu)掘進(jìn)的工時(shí)利用率動(dòng)態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)建立和應(yīng)用過(guò)程[3]。對(duì)于盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，雖然我國(guó)已有了相對(duì)成熟的研究成果[4-8]，但是盾構(gòu)參數(shù)對(duì)于整個(gè)地鐵施工的影響是單一的，而地鐵盾構(gòu)的施工控制是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，構(gòu)成因素眾多，且各個(gè)因素之間又相互關(guān)聯(lián)、相互制約，因此對(duì)單一因素作用的盾構(gòu)施工進(jìn)行研究是片面的，十分有必要對(duì)盾構(gòu)施工的整體控制進(jìn)行研究。

本文擬采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可以借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，用于研究定性與定量的相關(guān)問(wèn)題。它所建立的模型對(duì)于數(shù)據(jù)精度的要求不是很高，因?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型只要所運(yùn)用的因果關(guān)系是正確的，即使最終代入該模型的參數(shù)是近似值，通常也可以運(yùn)行出符合實(shí)際的結(jié)果。而地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中所記錄的數(shù)據(jù)往往是不精確的，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)正好可以彌補(bǔ)這個(gè)數(shù)據(jù)的微小偏差，所以用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)來(lái)研究地鐵盾構(gòu)施工工期的控制是非常合理且科學(xué)的。

1 研究模型

1.1 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，經(jīng)常用于分析結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，建模過(guò)程能夠直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)查分析，并對(duì)模型進(jìn)行不斷完善。模型其實(shí)就是一個(gè)工具，可以進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以對(duì)做出的決策進(jìn)行分析。SD的建模過(guò)程見表1。

表1 SD的建模過(guò)程

1.2 地鐵盾構(gòu)工期優(yōu)化模型的邊界

在建模的過(guò)程中，影響其系統(tǒng)發(fā)展的因素很多，但是要讓一個(gè)模型有用，必須關(guān)注特定的問(wèn)題而非試圖詳細(xì)反映整個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)清晰的目標(biāo)是成功建模最重要的因素，一個(gè)為特定目標(biāo)而建立的模型會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)潔清楚，因?yàn)橹涣腥肷婕白罱K目標(biāo)的相關(guān)因素。要想明確地鐵盾構(gòu)工期控制模型的邊界，首先應(yīng)該分析影響該模型的因素。

1.2.1 人為因素

在地鐵項(xiàng)目的建設(shè)過(guò)程中，不同崗位人員的管理水平、操作水平、所受培訓(xùn)的程度等都會(huì)影響項(xiàng)目的工期。具體可分為以下幾點(diǎn)：

(1)盾構(gòu)操作人員。在盾構(gòu)的掘進(jìn)過(guò)程中，操作人員的操作熟練程度、工作的時(shí)間及受教育水平等都會(huì)對(duì)TBM的工期造成一定的影響。

(2)盾構(gòu)技能管理者。在TBM運(yùn)作過(guò)程中，技術(shù)人員解決技術(shù)問(wèn)題的能力、技術(shù)專業(yè)能力、學(xué)習(xí)能力等也會(huì)影響工程項(xiàng)目工期。

(3)管理人員。在工程項(xiàng)目管理過(guò)程中，管理人員的管理水平、處理突發(fā)事件的能力、協(xié)調(diào)能力及被信服的程度等同樣會(huì)影響工程項(xiàng)目的整體管理水平。

1.2.2 材料因素

在項(xiàng)目施工過(guò)程中，材料也在很大程度上影響著項(xiàng)目的進(jìn)度。材料的供應(yīng)與采購(gòu)、材料的質(zhì)量(支撐材料的質(zhì)量、裝置結(jié)構(gòu)的質(zhì)量)、材料的保管等都將影響工程項(xiàng)目的質(zhì)量、強(qiáng)度及抗震能力，從而影響工期。

1.2.3 盾構(gòu)機(jī)械因素

在地鐵施工項(xiàng)目中，盾構(gòu)機(jī)械是影響工期的最重要的因素，包括機(jī)械本身的各個(gè)機(jī)械參數(shù)及引起盾構(gòu)延誤的一些因素。具體的影響因素分析如下：

(1)刀具檢查與更換。

(2)掘進(jìn)時(shí)間。管片安裝及機(jī)型的選擇等。

(3)地質(zhì)因素。巖石爆裂、涌水現(xiàn)象、危險(xiǎn)巖石的處理等。

(4)機(jī)械故障。機(jī)械原因、皮帶輸送機(jī)故障、潤(rùn)滑系統(tǒng)故障及除塵器故障等。

(5)工地的組織延誤因素。停電、出渣遇到阻礙、渣車換道、給排水不及時(shí)等。

1.2.4 管理因素

大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，管理因素在工期控制事件中占有很大的比重。地鐵項(xiàng)目屬于勞動(dòng)密集型項(xiàng)目，管理因素在地鐵施工中發(fā)揮了重要的作用。管理因素具體包括：

(1)組織機(jī)構(gòu)。人員的流動(dòng)性、內(nèi)部的協(xié)調(diào)性及信息的傳達(dá)機(jī)制。

(2)建設(shè)單位。處理突發(fā)事件的效率、配合情況、工程款的支付。

(3)監(jiān)理單位。專業(yè)水平、人員的配備情況、監(jiān)理經(jīng)驗(yàn)、溝通及協(xié)調(diào)能力等。

除了涉及工程本身的一些因素，環(huán)境也是影響地鐵施工的重要因素，包括自然環(huán)境和政治環(huán)境。對(duì)于該模型邊界的劃分，結(jié)合實(shí)際情況，主要考慮項(xiàng)目的自身結(jié)構(gòu)因素，將計(jì)劃工期看作外生變量進(jìn)行模型控制，去除環(huán)境等難以量化且變化概率不大的因素，界限劃分見表2。

表2 系統(tǒng)模型的邊界表

1.3 地鐵盾構(gòu)工期控制模型的假設(shè)

地鐵盾構(gòu)施工的工期一般比較長(zhǎng)，涉及的影響因素復(fù)雜，很難建立一個(gè)與實(shí)際施工過(guò)程完全符合的模型，所以應(yīng)該考慮理論與實(shí)際的差異，將一些特殊因素一般化。為了方便建立研究模型的本質(zhì)結(jié)構(gòu)，做出以下假設(shè)：

假設(shè)1：為了保證施工如期進(jìn)行，施工過(guò)程中可能用到的材料和輔助的設(shè)施應(yīng)按需到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)。

假設(shè)2：為施工所提供的勘察及設(shè)計(jì)資料無(wú)誤，沒(méi)有因?yàn)榈刭|(zhì)勘查錯(cuò)誤引起的工期延誤。

假設(shè)3：一切對(duì)地鐵盾構(gòu)有影響的外部施工條件相對(duì)應(yīng)比較穩(wěn)定，如盾構(gòu)機(jī)類型的選擇以及企業(yè)內(nèi)部的項(xiàng)目管理模式等不會(huì)發(fā)生重大改變。

2 地鐵盾構(gòu)的工期控制模型的構(gòu)建

2.1 TBM過(guò)程子系統(tǒng)

TBM施工過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)不同的工作性質(zhì)，將其分解成很多小的組成部分，施工管理者可以針對(duì)這些組成部分對(duì)項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度加以控制。施工過(guò)程子系統(tǒng)模型研究的就是這些細(xì)小的組成部分在系統(tǒng)中根據(jù)反饋關(guān)系隨時(shí)間累積的過(guò)程。

由于在施工過(guò)程中存在返工、機(jī)械故障等復(fù)雜的反饋系統(tǒng)，致使在實(shí)際施工中所要完成的工作量多于計(jì)劃工程量。施工過(guò)程子系統(tǒng)是整個(gè)工期控制模型的基礎(chǔ)，在盡量多考慮這種復(fù)雜的反饋結(jié)構(gòu)的情況下，描述地鐵項(xiàng)目從工程開工到竣工的工程量的變化情況。施工過(guò)程子系統(tǒng)以已完成合格工作和已完成工作為存量，反映工程量隨時(shí)間的變化，如圖1所示。

2.2 人員子系統(tǒng)

人力資源也是影響模型進(jìn)度的重要因素。在工程的進(jìn)行過(guò)程中，進(jìn)度的拖延將直接影響進(jìn)度壓力，進(jìn)度壓力又將影響工作強(qiáng)度。在工作強(qiáng)度的影響下，系統(tǒng)可以通過(guò)增加新員工來(lái)追趕進(jìn)度，所以新員工的入職率將直接影響工程的施工速度。新員工入職后，要想立即作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體完成相應(yīng)的工作，需要對(duì)新員工做必要的培訓(xùn)。與此同時(shí)，內(nèi)部員工也可能因?yàn)楦鞣N原因離職，因此同樣需要考慮員工的離職率。進(jìn)度壓力與工作強(qiáng)度的不斷增大也會(huì)引發(fā)員工與盾構(gòu)機(jī)械的疲勞度，從而影響工作效率。人員子系統(tǒng)以新增職工人數(shù)為存量，以新入職人數(shù)與離職員工人數(shù)作為輔助變量，以此反映員工人數(shù)對(duì)工期的影響，如圖2所示。

圖1 TBM過(guò)程子系統(tǒng)模型

2.3 盾構(gòu)子系統(tǒng)

在地鐵的施工過(guò)程中，盾構(gòu)施工占很大的比例，盾構(gòu)機(jī)械將在很大程度上影響地鐵的工期。作為一種施工機(jī)械，盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)決定其運(yùn)行的效率，在不同的地質(zhì)情況下，技術(shù)人員通過(guò)控制參數(shù)的變化使盾構(gòu)的效率達(dá)到相對(duì)好的狀態(tài)。在盾構(gòu)子系統(tǒng)中，以設(shè)計(jì)盾構(gòu)參數(shù)取值作為存量，施工過(guò)程中實(shí)際的盾構(gòu)參數(shù)值將以一定的調(diào)整速率接近設(shè)計(jì)值，通過(guò)找出相關(guān)的影響因素，選取相應(yīng)的調(diào)整周期，使盾構(gòu)機(jī)在理想狀態(tài)下施工。建立盾構(gòu)子系統(tǒng)如圖3所示。

2.4 地鐵盾構(gòu)施工工期控制的總模型

上文將地鐵TBM系統(tǒng)劃分為3個(gè)子系統(tǒng)，在對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上分別建立了相應(yīng)的工期系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。但是，本文所研究的工期控制只有以地鐵TBM總系統(tǒng)為準(zhǔn)，才能更好地體現(xiàn)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系，所以需要對(duì)所建立的模型進(jìn)行聯(lián)接和融洽?？紤]到各系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真軟件Vensim，最終建立了地鐵TBM施工工期控制的總模型，如圖4所示。

3 實(shí)證論證

3.1 工程概況及模型設(shè)定

3.1.1 工程概況

本文擬采用成都地鐵1號(hào)線工程盾構(gòu)施工為對(duì)象進(jìn)行模擬仿真。經(jīng)過(guò)研究分析，選定小天竺站—省體育館站為研究對(duì)象。該區(qū)段有左右線兩臺(tái)加泥式復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)工作，左線的盾構(gòu)機(jī)比右線的早開工1個(gè)月，所以選取其中的一條主線即可。本文選取左線為主要研究論證對(duì)象。

圖2 人員子系統(tǒng)模型

圖3 盾構(gòu)子系統(tǒng)模型

左線全長(zhǎng)875.364m，工程總量為412 000m3，工期總共250d，施工期間的主要人員的配備總?cè)藬?shù)為175人。在質(zhì)量目標(biāo)上，要求工程質(zhì)量合格率為100%，確保工程質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級(jí)。

3.1.2 模型參數(shù)設(shè)定

根據(jù)該工程現(xiàn)有數(shù)據(jù)，為了方便研究，同時(shí)又能說(shuō)明問(wèn)題，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)合案例實(shí)際，對(duì)進(jìn)度壓力與工作強(qiáng)度、工作強(qiáng)度與人員培訓(xùn)的比率等難以量化的反饋關(guān)系，用表函數(shù)來(lái)表示，將時(shí)間跨度設(shè)定為250d，仿真步長(zhǎng)以d為單位。盾構(gòu)機(jī)正常工作時(shí)間以20h工作制為標(biāo)準(zhǔn)，每天集中保養(yǎng)4h，待完成工作和計(jì)劃進(jìn)度的初始值為0個(gè)單位。

3.2 仿真結(jié)果分析

將以上模型設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)代入圖4所示的地鐵TBM工期控制總模型，并利用Vensim軟件模擬TBM施工的實(shí)際運(yùn)行情況。

(1)對(duì)地鐵TBM施工工期進(jìn)行模擬并分析，模擬結(jié)果見圖5。從圖中可以看出實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃工作的基本趨勢(shì)是相同的，證明所建立的模型間的組織關(guān)系是正確的。同時(shí)，由于在模型中所涉及的幾個(gè)表函數(shù)中，由于得到的資料有限，不能精確地表示它們之間的比例關(guān)系，致使模型存在一定的偏差。

(2)進(jìn)度壓力的模擬結(jié)果分析如圖6所示。從圖6可以看出進(jìn)度壓力的變動(dòng)情況，大概在92d以后，進(jìn)度壓力值降到0.45以下，此后始終保持在0.3～0.4。

(3)盾構(gòu)工作時(shí)間的模擬結(jié)果分析如圖7所示。施工組織設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)盾構(gòu)的工作時(shí)間為20h/d，在前期進(jìn)度壓力的影響下盾構(gòu)的工作時(shí)間比較久，隨著進(jìn)度壓力趨于穩(wěn)定，盾構(gòu)的工作時(shí)間也基本保持在20h/d左右。

圖4 地鐵盾構(gòu)施工工期的控制模型

圖5 待完成工作與計(jì)劃完成工作對(duì)比圖

圖6 進(jìn)度壓力曲線圖

圖7 盾構(gòu)工作時(shí)間曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)由于資料及認(rèn)識(shí)不足，未能精確表示文章所涉及的表函數(shù)之間的比例關(guān)系，造成模型與實(shí)際的運(yùn)行仍然有一定的偏差，但是兩條曲線相同的走向可以證明將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)用于盾構(gòu)施工的工期控制是科學(xué)合理的。通過(guò)對(duì)比各種情形下項(xiàng)目工期的發(fā)展情況，項(xiàng)目管理者可以判斷出所做的相關(guān)決策對(duì)最終工期所產(chǎn)生的影響，從而達(dá)到對(duì)工期動(dòng)態(tài)控制的目的。

(2)地鐵盾構(gòu)施工涉及的影響因素很多，雖然本文進(jìn)行了詳細(xì)的影響因素分析，但是在建立模型時(shí)考慮到后續(xù)的分析難度以及控制目標(biāo)，在選取相關(guān)變量時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，尤其是在定量分析部分。因此，該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)于地鐵盾構(gòu)施工工期控制系統(tǒng)完整性和適用性有所不足。

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