徐軼慷，肖 鈺，吳 蕾，張永進(jìn)

(浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，杭州 310002)

隧洞群施工進(jìn)度管理與控制是一個(gè)具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性的復(fù)雜體系，各項(xiàng)施工環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系又相互限制。其施工過程受到諸多因素的影響以及潛在不確定風(fēng)險(xiǎn)的干擾，需要運(yùn)用各種施工資源實(shí)現(xiàn)進(jìn)度目標(biāo)[1]。

隧洞群施工進(jìn)度的影響因素包括地形地質(zhì)條件、水文氣象條件、施工環(huán)節(jié)多樣性、施工設(shè)備數(shù)量大且規(guī)格多、施工場(chǎng)地狹窄、各工作面之間的協(xié)調(diào)與配合等多個(gè)方面。無論是在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，還是在工程施工階段，都不易準(zhǔn)確確定或有效控制工期。因此，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究人員和工程技術(shù)人員針對(duì)隧洞群施工進(jìn)度管理與控制問題開展了豐富的研究工作。文獻(xiàn)[2-4]分別提出或建立了隧洞群或大型地下洞室進(jìn)度仿真以及仿真結(jié)果的評(píng)價(jià)與優(yōu)選模型，有效推動(dòng)了隧洞群施工進(jìn)度仿真理論方法的發(fā)展。但是隧洞群的施工進(jìn)度編制及控制是一個(gè)需要不斷調(diào)整、逐步優(yōu)化的過程，相關(guān)工作的重復(fù)性很強(qiáng)，如能將相關(guān)的理論研究成果開發(fā)為輔助決策系統(tǒng)，則可顯著提高工作效率及進(jìn)度成果的可靠性，但在這方面的相關(guān)報(bào)道并不多見。文獻(xiàn)[5]以穿黃工程為背景，僅簡單介紹了隧洞盾構(gòu)施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)開發(fā)的基本構(gòu)想。

為此，為有效促進(jìn)隧洞群施工進(jìn)度仿真技術(shù)的發(fā)展，本文以鉆爆法施工為背景，較系統(tǒng)地研究隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)，主要介紹進(jìn)度仿真模型、仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)以及仿真系統(tǒng)在千島湖配水工程輸水隧洞群進(jìn)度仿真中的應(yīng)用，以期為相關(guān)工作提供參考與借鑒。

1 隧洞群施工進(jìn)度仿真模型

隧洞群施工進(jìn)度仿真模型是仿真系統(tǒng)的內(nèi)核與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，需要滿足客觀條件和實(shí)際應(yīng)用的要求，以便模擬和分析施工進(jìn)度系統(tǒng)在工程實(shí)施階段未來時(shí)刻的狀態(tài)，真實(shí)地反映實(shí)際施工過程詳情。根據(jù)隧洞群鉆爆法施工系統(tǒng)的總體特征，基于離散事件系統(tǒng)仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)、循環(huán)操作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方法與理論，組建兩個(gè)層面的隧洞群施工過程模擬模型，具體為宏觀層面的控制層模型與微觀層面的實(shí)施層模型。

在宏觀層面的控制層模型中，施工工序構(gòu)成隧洞群施工的基本組成單元。每一項(xiàng)工序由施工方案、機(jī)械設(shè)備、施工資源、技術(shù)方法和施工人員等相關(guān)信息組成，采用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃技術(shù)Critical Path Method網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行說明，以此搭建工程施工區(qū)域的總體CPM網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞群施工進(jìn)度計(jì)劃的宏觀控制。

在微觀層面的實(shí)施層模型中，施工活動(dòng)成為工序作業(yè)的基本操作環(huán)節(jié)，每項(xiàng)施工活動(dòng)都為宏觀層面所屬工序的再次分解。采用循環(huán)操作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Cycle Operation Network模型對(duì)單條隧洞施工過程的測(cè)量、鉆孔、裝藥、爆破、支護(hù)、出渣、襯砌、灌漿等施工環(huán)節(jié)進(jìn)行建模，能夠充分體現(xiàn)隧洞群施工過程循環(huán)反復(fù)的特點(diǎn)，并通過隨機(jī)分布參數(shù)的方法處理隨機(jī)因素可能帶來的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)單條隧洞詳細(xì)施工過程的微觀描述。

在本項(xiàng)研究工作中，充分考慮隧洞鉆爆法施工的每一項(xiàng)細(xì)節(jié)及其相互銜接關(guān)系，所建立的單條隧洞鉆爆法施工CYCLONE實(shí)施層模型如圖1所示。

圖1 單條隧洞鉆爆法施工CYCLONE實(shí)施層模型

2 仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)是基于框架結(jié)構(gòu)主干，由眾多具備相對(duì)獨(dú)立功能、獨(dú)立體系的子系統(tǒng)作為枝葉共同組建并可以實(shí)現(xiàn)特定設(shè)計(jì)功能的完整系統(tǒng)。各項(xiàng)子系統(tǒng)的設(shè)定與定義充分考慮了彼此之間的主次關(guān)系與屬性關(guān)系，按照相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)進(jìn)行整理與歸類。由此，隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)細(xì)化形成工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，施工工藝仿真子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)，成果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)與幫助子系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。各項(xiàng)子系統(tǒng)之間既相對(duì)獨(dú)立，又相互聯(lián)系，分別用于完成預(yù)定設(shè)計(jì)用途。

圖2 隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊，為系統(tǒng)運(yùn)行提供相關(guān)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。施工工藝仿真子系統(tǒng)是模擬系統(tǒng)后續(xù)工作的前提和保障，從宏觀層次與微觀層次以數(shù)值模擬的方式再現(xiàn)了隧洞群施工的全過程。網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)是仿真系統(tǒng)的重要內(nèi)容，分為實(shí)施方案評(píng)價(jià)選擇、關(guān)鍵線路選取與施工進(jìn)度管理控制等詳細(xì)部分，針對(duì)施工工藝仿真子系統(tǒng)得出的模擬數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析與比較。成果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)把仿真結(jié)論以數(shù)據(jù)或者圖表的形式顯示出來，例如推薦的施工方案、準(zhǔn)確的關(guān)鍵路線圖、詳細(xì)的施工橫道圖等，便于技術(shù)人員更加直觀的了解施工方案。幫助子系統(tǒng)的作用是輔助技術(shù)人員在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，更好的管理和使用仿真系統(tǒng)發(fā)揮相應(yīng)的功能。

3 仿真系統(tǒng)功能體系設(shè)計(jì)

3.1 工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)是隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)的施工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，通過數(shù)據(jù)錄入界面可以錄入隧洞群基本信息、爆破方案參數(shù)、機(jī)械設(shè)備型號(hào)與效率等施工所需參數(shù)，具有施工數(shù)據(jù)的輸入、輸出、存儲(chǔ)、刪除與修改等作用。

工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)中數(shù)據(jù)種類較多，主要包括工程基本數(shù)據(jù)、水文氣象數(shù)據(jù)、隧洞結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、施工機(jī)械數(shù)據(jù)、物質(zhì)材料數(shù)據(jù)和其他施工參數(shù)，每一類施工數(shù)據(jù)都有相應(yīng)的錄入界面，便于操作使用。具體地說，工程基本數(shù)據(jù)涉及隧洞數(shù)量、隧洞長度、地形地質(zhì)條件等信息，水文氣象數(shù)據(jù)涉及降雨、流量、水位等信息，隧洞結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)涉及洞室形式、斷面面積等信息，施工機(jī)械數(shù)據(jù)涉及鑿巖臺(tái)車、梭式礦車、自卸汽車、裝載機(jī)、耙渣機(jī)的效率與數(shù)量等信息，物質(zhì)材料數(shù)據(jù)涉及炸藥爆破性能、混凝土配合比、物資材料屬性等信息，如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)通過工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)輸入或者修改設(shè)計(jì)方案與施工方案數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)在各種施工方案情況下的工程施工進(jìn)度仿真以及進(jìn)度比選，獲得不同仿真參數(shù)條件下對(duì)應(yīng)的施工進(jìn)度計(jì)劃。

3.2 施工工藝仿真子系統(tǒng)

施工工藝仿真子系統(tǒng)是隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)中對(duì)工程施工全過程進(jìn)行仿真模擬的模塊體系。以千島湖配水工程輸水隧洞群鉆爆法施工為例，單條隧洞由施工支洞和施工主洞組成，即單條隧洞施工工藝仿真由施工支洞工藝仿真和施工主洞工藝仿真組成，鉆孔、爆破、支護(hù)、出渣、襯砌、灌漿等作業(yè)工序依次施工。同時(shí)，隧洞之間的銜接順序、排列組合方式仿真等都屬于施工工藝仿真子系統(tǒng)的功能范疇，需要真實(shí)、準(zhǔn)確的反映出來。

根據(jù)隧洞群鉆爆法施工系統(tǒng)解析，施工工藝仿真子系統(tǒng)在起始條件節(jié)點(diǎn)處進(jìn)入模擬狀態(tài)，按照洞室開挖掘進(jìn)流程對(duì)爆破出渣施工、襯砌施工與灌漿施工等逐項(xiàng)逐環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真運(yùn)行，直至在終止條件節(jié)點(diǎn)處結(jié)束模擬狀態(tài)。施工工藝仿真子系統(tǒng)運(yùn)算每道環(huán)節(jié)的持續(xù)時(shí)間，整個(gè)循環(huán)之和為一次循環(huán)進(jìn)尺所需時(shí)間，循環(huán)時(shí)間累加之和為該項(xiàng)工序的持續(xù)工期。此外，起始樁號(hào)、終止樁號(hào)，已完成進(jìn)尺長度、剩余進(jìn)尺長度和循環(huán)次數(shù)等施工數(shù)據(jù)也隨著仿真的推進(jìn)而不斷變化，且可以得到相關(guān)具體數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)施工工藝仿真子系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)通過施工工藝仿真子系統(tǒng)能夠?qū)M定施工方案進(jìn)行施工全過程模擬，獲得施工方案的施工進(jìn)度、施工工期以及資源消耗等信息，是仿真系統(tǒng)后續(xù)進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)

通過工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和施工工藝仿真子系統(tǒng)兩個(gè)功能模塊的使用，仿真系統(tǒng)可以模擬隧洞群在順序?qū)嵤┓桨?、并?lián)實(shí)施方案、混合實(shí)施方案等初步擬定的可能的施工方案的詳細(xì)施工流程，如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)

按照仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)的施工方案評(píng)價(jià)選擇模塊負(fù)責(zé)從施工工期、施工機(jī)械設(shè)備等方面比較與評(píng)價(jià)各種施工方案經(jīng)濟(jì)是否合理，有限的施工資源條件下能否實(shí)現(xiàn)快速施工，可行性程度是否較高等內(nèi)容，進(jìn)而選定綜合條件較好、符合工程實(shí)際的施工方案。

網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)的施工關(guān)鍵線路分析模塊負(fù)責(zé)從龐大的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖中找出完成工程建設(shè)總時(shí)間跨度之最的路徑，即為關(guān)鍵線路，制定施工進(jìn)度計(jì)劃引導(dǎo)實(shí)施[6]。關(guān)鍵線路上的每項(xiàng)環(huán)節(jié)都可能干擾到工程工期的正常進(jìn)度，需要格外重視。同時(shí)，通過改變隧洞部分施工環(huán)節(jié)順序、施工機(jī)械設(shè)備類型與數(shù)量等一項(xiàng)或者多項(xiàng)施工參數(shù)或者調(diào)整一些可能存在的風(fēng)險(xiǎn)參數(shù)，能夠模擬這些因素對(duì)于工程工期的影響程度和影響范圍，以便施工過程中及時(shí)做好應(yīng)對(duì)措施。

網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)的施工進(jìn)度管理控制模塊依據(jù)得出的數(shù)據(jù)與模擬的結(jié)論，提出相應(yīng)的建議與措施，保障工程建設(shè)順利實(shí)施，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度的高效管理與實(shí)時(shí)控制。

3.4 成果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)

根據(jù)上述相關(guān)模塊的運(yùn)行實(shí)施，仿真系統(tǒng)成果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)負(fù)責(zé)把獲得的模擬數(shù)據(jù)以合理的施工方案、準(zhǔn)確的關(guān)鍵路線圖與清晰的施工橫道圖等形式呈現(xiàn)出來，為技術(shù)人員提供直觀的參考。

千島湖配水工程輸水隧洞群鉆爆法施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)期望得出的模擬結(jié)論包括優(yōu)選科學(xué)合理的施工方案，尋求快速準(zhǔn)確的關(guān)鍵路線與制定高效有序的施工進(jìn)度計(jì)劃等。同時(shí)，其中也涵蓋單條輸水隧洞的初始開挖實(shí)施時(shí)間、施工支洞工序持續(xù)時(shí)間、施工主洞工序持續(xù)時(shí)間、施工收尾結(jié)束時(shí)間等相關(guān)的信息?？紤]到千島湖配水工程輸水隧洞群施工體系控制層面所含工序較多，因而可以選取不同類型、不同時(shí)段的典型子項(xiàng)目作為工程代表，繪制具體圖表，用于進(jìn)一步的分析與研究。

成果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)便于管理人員準(zhǔn)確掌握工程施工系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，制定高效的施工進(jìn)度安排，達(dá)到在實(shí)際工程建設(shè)中，以較小的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)獲得較優(yōu)的工程效益的目的。

3.5 幫助子系統(tǒng)

仿真系統(tǒng)幫助子系統(tǒng)主要用于滿足技術(shù)人員所需的使用幫助文件與程序日志的管理。

使用幫助文件有助于技術(shù)人員更好地了解和掌握仿真系統(tǒng)，進(jìn)而更理想的應(yīng)用于工程實(shí)際。而程序日志的作用是記錄技術(shù)人員操作仿真系統(tǒng)的活動(dòng)，涉及登錄時(shí)間、退出時(shí)間與主要活動(dòng)等內(nèi)容。

4 工程應(yīng)用

杭州市第二水源千島湖配水工程是浙江省和杭州市各級(jí)決策與管理機(jī)構(gòu)的重大戰(zhàn)略決策，是有效緩解杭州市飲用水安全與需求的重大舉措。

輸水隧洞群線路長約113 km，作為配水工程中的關(guān)鍵性建筑物，本輸水隧洞具有長度大、部分洞段埋深較深、沿線地形地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大等特點(diǎn)，在隧洞開挖、通風(fēng)、出渣、排水、襯砌等施工方案的選擇以及施工進(jìn)度控制等方面的問題更為突出，選取合理可行的隧洞開挖方案、編制快速有效的施工進(jìn)度是本工程建設(shè)的核心問題，對(duì)盡早發(fā)揮工程整體效益具有十分重大的意義。

按照初步設(shè)計(jì)階段的施工總體方案，加快施工進(jìn)度，千島湖～閑林水庫輸水隧洞沿線共設(shè)置了32條施工支洞，如圖6所示。由于隧洞進(jìn)口和出口均有相應(yīng)建筑物施工，為避免干擾，隧洞進(jìn)口和出口不作為隧洞出渣工作面，另外隧洞沿線5個(gè)埋管出露口將作為隧洞施工出渣工作面，加上每個(gè)支洞上下游2個(gè)工作面，因此整個(gè)輸水隧洞主要共有69個(gè)施工工作面。

圖6 隧洞分標(biāo)及支洞布置概化圖

經(jīng)過本工程在隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算，所得的各支洞工作面承擔(dān)工作內(nèi)容所需要的理論時(shí)間如表1所示。

從表1的數(shù)據(jù)以及與相關(guān)的工程設(shè)計(jì)方案對(duì)比可知：①現(xiàn)有的施工組織設(shè)計(jì)方案在施工支洞數(shù)量上的設(shè)置是合理的，可以將工程工期控制在許可的范圍內(nèi)(可研階段所批復(fù)總工期為42個(gè)月)。②工程工期控制段為畫塢口支洞及其控制段，不考慮政策處理等不確定因素，其理論計(jì)算工期約為40個(gè)月(不含準(zhǔn)備工期及掃尾工作)。考慮到實(shí)際施工過程中的不確定性與相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)較多，在做好相關(guān)地質(zhì)條件預(yù)報(bào)與應(yīng)急預(yù)案的前提下，控制段施工工期基本可以滿足要求。③從表1各支洞及其對(duì)應(yīng)施工洞段的工期來看，可在后續(xù)的招投標(biāo)階段和施工過程中考慮優(yōu)化項(xiàng)目的開工時(shí)序及標(biāo)段的優(yōu)化組合，以實(shí)現(xiàn)均衡施工資源投入量以及管理工作量的目的。

表1 各支洞對(duì)應(yīng)施工時(shí)間 月

5 結(jié) 語

隧洞群施工過程復(fù)雜，影響與限制因素眾多，不確定性及其風(fēng)險(xiǎn)因素多樣，不易準(zhǔn)確、快速制定和控制隧洞群施工進(jìn)度計(jì)劃。

本項(xiàng)研究成果“基于鉆爆法的隧洞群施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)”采用框架結(jié)構(gòu)形式，由工程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)，施工工藝仿真子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析子系統(tǒng)，成果統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)與幫助子系統(tǒng)共同組成，將與隧洞群鉆爆法施工作業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、模擬運(yùn)行、統(tǒng)計(jì)分析及其他功能體系有機(jī)結(jié)合為統(tǒng)一整體，實(shí)現(xiàn)了施工進(jìn)度仿真與優(yōu)化、施工方案仿真與優(yōu)化與施工工期調(diào)整與優(yōu)化等預(yù)定設(shè)計(jì)功能，強(qiáng)化了現(xiàn)場(chǎng)管理能力，提高了工程建設(shè)水平，為施工組織設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度實(shí)時(shí)控制提供了準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)和合理的方法措施。

本系統(tǒng)成果已經(jīng)在杭州市第二水源千島湖配水工程輸水隧洞群中得到成功應(yīng)用，有效解決了在前期規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的進(jìn)度計(jì)劃制定與優(yōu)化問題，為工程建設(shè)的順利開展提供了有效的輔助決策與技術(shù)支持功能。此外，由于在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與編制中充分考慮了通用性與普適性，有望在其他采用鉆爆法施工的隧洞群及地下工程中推廣應(yīng)用。

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