韓慶全，賈紫涵，段曉晨，王煥麗，羅麗嬌

（1.石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司西阜分公司，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院）

1 引言

西阜高速石家莊段長度為34.338 km，西阜大道梁隧道于靈壽縣陳莊鄉(xiāng)大道梁村，所處地質(zhì)有V級、IV級、III級、II級四種，其中II級圍巖居多，占總線長的一半以上，II級圍巖在爆破開挖時，極易發(fā)生巖爆，破壞巖體。初期支護(hù)采用錨、噴、網(wǎng)、鋼拱架結(jié)合的方式進(jìn)行施工，二次襯砌選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。大道梁隧道段為整個工程的重點(diǎn)控制項(xiàng)目，其施工特點(diǎn)為下:①隧道施工工作面較窄，各工種施工存在相互交叉、平行、協(xié)同等相互干擾的情況，管理難度增大。②隧道建設(shè)地區(qū)位于地層構(gòu)造帶，當(dāng)在可溶地段與斷層破碎帶施工時，易發(fā)生涌突水（泥）等事故。③隧道洞身長、通風(fēng)性差，在瓦斯地段易發(fā)生安全事故。

針對以上問題，本論文在收集和整理大量類似工程進(jìn)度控制數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，集成BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色預(yù)測及BIM技術(shù)方法對大道梁隧道施工進(jìn)度方案進(jìn)行事先三維、非線性、智能預(yù)測和優(yōu)化，同時進(jìn)行動態(tài)智能進(jìn)度預(yù)警和優(yōu)化控制，適時、直觀、科學(xué)、準(zhǔn)確地為管理者提供決策支持和輔助建議。

針對長大隧道建設(shè)環(huán)境復(fù)雜多變、進(jìn)度管理難度大的現(xiàn)狀，國內(nèi)外學(xué)者提出利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、S曲線、仿真技術(shù)、模糊理論等方法對隧道施工進(jìn)度進(jìn)行管理和控制[1，2]；Run Tao等學(xué)者[3]將進(jìn)度、質(zhì)量及成本綜合考慮，以期實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)綜合效益最大；郭士禮等人[4]利用3D+GIS技術(shù)對高速公路施工進(jìn)度進(jìn)行動態(tài)管理；胡蘭等人[5]利用蒙特卡洛構(gòu)建了隧道施工進(jìn)度及成本的函數(shù)關(guān)系模型，對隧道施工進(jìn)度進(jìn)行預(yù)測和控制。但本論文所提出的在類似已完工程進(jìn)度大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，集成BPNN、GM(Grey Model)、BIM等技術(shù)對隧道施工進(jìn)度進(jìn)行智能三維非線性預(yù)測和動態(tài)優(yōu)化的方法，查無文獻(xiàn)報道，具有一定新意和應(yīng)用價值。

2 建立隧道施工工期靜態(tài)目標(biāo)優(yōu)化模型

2.1 隧道工程分解

隧道施工主要包括開挖初級支護(hù)、襯砌、機(jī)電安裝以及其附屬項(xiàng)目等。結(jié)合大道梁隧道施工特點(diǎn)，運(yùn)用WBS(Work Breakdown Structure)工作分解方法將其劃分為施工前期準(zhǔn)備工作、洞口開挖及明洞施工、超前支護(hù)、開挖、初期支護(hù)、仰拱填充和襯砌施工7個階段，26個具體工序，給合工序間先后銜接關(guān)系繪制出網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃圖，用以計(jì)算出隧道施工最優(yōu)方案，如圖1所示。

圖1 大道梁隧道施工網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 分析并計(jì)算各工序時間消耗

結(jié)合收集到已完類似工程數(shù)據(jù)的多少以及相應(yīng)工程特征選擇不同的工序時間預(yù)測方法。本文主要從三個方面進(jìn)行論述。

2.2.1 數(shù)據(jù)較多時，工序時間預(yù)測方法

當(dāng)收集到的已完類似案例數(shù)據(jù)較多時，選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對各個施工工序時間消耗進(jìn)行預(yù)測。以下以工序風(fēng)管安裝為例，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測過程進(jìn)行說明。

第一步，選取影響時間消耗定額的主要工程特征，并對其進(jìn)行量化。通過現(xiàn)場調(diào)研及施工經(jīng)驗(yàn)，選取了風(fēng)管直徑、鋼板材質(zhì)、風(fēng)管壁厚、法蘭類型、法蘭壓力等級、電焊機(jī)類型等6個特征作為影響風(fēng)管安裝時間消耗的重要因素，并對其進(jìn)行量化，如表1所示。

第二步，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[6]。將選取的6個工程特征值：風(fēng)管直徑、鋼板材質(zhì)、風(fēng)管壁厚、法蘭類型、法蘭壓力等級、電焊機(jī)類型，分別用I1～I(xiàn)6表示，作為預(yù)測模型輸入單元；模型輸出為每小時安裝面積，用T1表示；節(jié)點(diǎn)傳輸函數(shù)為Sigmoid函數(shù)；隱層單元取2×6+1=13個。在收集的案例中通過PSO粒子群優(yōu)化法，篩選出了42個與大道梁隧道風(fēng)管安裝工程相似度較高的案例，取前40個樣本數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)的訓(xùn)練樣本，41、42倆組數(shù)據(jù)作為測試樣本，見表2。

表1 風(fēng)管安裝工時消耗類目量化表

表2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表

圖2 網(wǎng)絡(luò)收斂過程

第三步，采用MATLABR2014a軟件建立預(yù)測模型，圖2為網(wǎng)絡(luò)收斂過程，最終訓(xùn)練精度達(dá)到10－10，已接近10－12，達(dá)到模型精度要求。

用樣本41和42對收斂后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每次預(yù)測結(jié)果不唯一，為了減小誤差，將測試樣本運(yùn)行20次，將20次的預(yù)測值求均值，并將其與樣本的實(shí)際值對比，如表3所示。

表3 結(jié)果分析

結(jié)果表明，第41組實(shí)際值與預(yù)測值之間的誤差為2.83%，42組實(shí)際值與預(yù)測值之間的誤差為2.67%，均小于5%，滿足工程實(shí)際需求。

第四步，對大道梁隧道每小時風(fēng)管安裝面積進(jìn)行預(yù)測。結(jié)合大道梁隧道實(shí)際情況及施工組織設(shè)計(jì)，對工程特征進(jìn)行定量化描述，量化值為（3，2，1，3，2，2），用Matlab運(yùn)行20次求均值后得到的結(jié)果為7.25㎡，即每小時風(fēng)管安裝面積為7.25㎡。

2.2.2 數(shù)據(jù)較少時，工序時間預(yù)測方法

當(dāng)收集的已完類似隧道案例數(shù)據(jù)量較少時，選用灰色 GM（1，1）方法對施工工序時間消耗進(jìn)行預(yù)測[7，8]，下面以大道梁隧道V級圍巖開挖速度灰色預(yù)測為例，進(jìn)行說明。

第一步，通過對案例的篩選，找出7個工程的施工工藝及結(jié)構(gòu)與大道梁隧道工程相似的數(shù)據(jù)信息，從中選擇五個高速公路隧道V級圍巖開挖速度信息為96m/周、98m/周、101m/周、103m/周、105m/周。對本工程開挖速度預(yù)測如下：

①設(shè)原始數(shù)列為公式（1），構(gòu)建GM（1，1）模型并檢驗(yàn)。

其中，X（0）（k）為灰導(dǎo)數(shù)，（k取1,2,3,4,5）

②對X（0）作累加，得 X（1）?

③對 X（1）作緊鄰均值生成，得白化背景值 Z（1）（k）：

第二步，建立大道梁隧道V級圍巖開挖速度預(yù)測模型。

時間響應(yīng)式公式：

第三步，檢測誤差。通過上述時間響應(yīng)公式求出X（1）模擬值，從而還原出 X（0）的模擬值，計(jì)算其誤差值為0.9967>0.9，滿足精度要求，因此，可以預(yù)測大道梁隧道圍巖開挖速度：

則大道梁隧道V級圍巖開挖預(yù)測速度為108.62m/周。

2.2.3 無數(shù)據(jù)時，工序時間預(yù)測方法

若收集不到類似已完工程數(shù)據(jù)，可以通過專家意見、詢問現(xiàn)場施工人員經(jīng)驗(yàn)等方法，利用三時估計(jì)法對隧道各施工工序時間消耗進(jìn)行預(yù)測。

2.3 確定工期管理的重點(diǎn)控制工序

通過上述預(yù)測出的工序時間消耗，結(jié)合施工網(wǎng)絡(luò)圖,計(jì)算出總工期為510d,并確定其關(guān)鍵線路為：進(jìn)口左洞洞口開挖及明洞(B)→第1段V級圍巖超前支護(hù)、開挖及初級支護(hù)(E1)→第2段VI級圍巖超前支護(hù)、開挖及初級支護(hù)(F1)→第3段III級圍巖開挖及初級支護(hù)(G1)→第4段II級圍巖開挖及初級支護(hù)(H1)→第4段II級圍巖襯砌(H2)。

2.4 構(gòu)建原因?qū)Σ呋A(chǔ)數(shù)據(jù)庫及預(yù)警響應(yīng)體系

分析已完類似工程施工過程中出現(xiàn)的進(jìn)度問題，構(gòu)建原因?qū)Σ呋A(chǔ)數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合原因?qū)Σ邤?shù)據(jù)庫構(gòu)建預(yù)警響應(yīng)體系[9]。當(dāng)一周累計(jì)進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際值間的偏差小于10%時，為一級預(yù)警，由項(xiàng)目部確定糾偏措施；當(dāng)累計(jì)進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際值間的偏差在10%～30%時，屬于二級預(yù)警；當(dāng)累計(jì)進(jìn)度計(jì)劃與實(shí)際值間的偏差在30%以上時，為三級預(yù)警，必須上報項(xiàng)目公司總經(jīng)理，由總經(jīng)理組織項(xiàng)目公司總工程師與項(xiàng)目部共同商議決定。

3 建立隧道施工工期動態(tài)優(yōu)化控制系統(tǒng)

3.1 確定控制周期

大道梁隧道施工地質(zhì)條件較為復(fù)雜，影響工程施工因素眾多，施工難度大，需要實(shí)時關(guān)注施工狀況，將隧道施工進(jìn)度管理周期定為1周。

3.2 進(jìn)度動態(tài)優(yōu)化控制

下面以大道梁隧道V級圍巖開挖為例進(jìn)行說明施工動態(tài)控制過程。選取2017年9月4日和2017年9月10日作為兩個循環(huán)控制周期，2017年9月4日隧道V級圍巖開挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：計(jì)劃開挖進(jìn)度為15.5 m/d，實(shí)際開挖時度14.9 m/d，工程實(shí)際進(jìn)度小于計(jì)劃目標(biāo)，拖延0.4 m/d；進(jìn)度偏差計(jì)算得2.6%<10%，屬于一級預(yù)警，按預(yù)警體系采取一級響應(yīng)行動，由項(xiàng)目部自行解決。

結(jié)合問題原因，對其進(jìn)行原因分析如下：①供應(yīng)商不能及時供應(yīng)機(jī)械設(shè)備。②圍巖施工過程中，沒有進(jìn)行全過程實(shí)時監(jiān)測，導(dǎo)致出現(xiàn)小范圍塌方，影響開挖進(jìn)度。③施工現(xiàn)場臨時問題解決效率較低。

應(yīng)對措施：①加強(qiáng)對供應(yīng)商的溝通，確證機(jī)械設(shè)備投入能滿足工程需求。②安排專人對地質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時檢測，以降低施工對周邊環(huán)境及土層的影響。③加強(qiáng)施工現(xiàn)場管理人員的培訓(xùn)，提高其解決現(xiàn)場問題能力。

利用PDCA進(jìn)行循環(huán)控制，在下一周期執(zhí)行本一周期確定的措施。統(tǒng)計(jì)并計(jì)算2017年9月10日相關(guān)內(nèi)容，通過計(jì)算，實(shí)際進(jìn)度小于計(jì)劃值，進(jìn)度偏差為1.3%<2.6%，則表明上一周期確定的措施執(zhí)行效果較好，但本周期仍存在其他問題，需要找到問題原因，并結(jié)合問題原因確定應(yīng)采取的措施，按以上步驟不斷循環(huán)，直至工程完工。若是施工過程中發(fā)生新的進(jìn)度問題，需要根據(jù)問題制定新的對策，并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補(bǔ)充，直到工程完成進(jìn)度管理目標(biāo)。

4 西阜大道梁隧道施工管理三維模型實(shí)施

4.1 構(gòu)建大道梁隧道三維靜態(tài)模型

首先建立大道梁隧道的BIM技術(shù)模型，按照大道梁隧道設(shè)計(jì)圖紙，利用revit軟件構(gòu)建隧道BIM三維技術(shù)模型[10]。模型主要包含隧道進(jìn)口、隧道洞內(nèi)、初級支護(hù)錨桿、鋼筋網(wǎng)和二次襯砌模型。利用Lumion軟件對所見模型進(jìn)行渲染，部分渲染圖及三維漫游如圖3、圖4所示。

圖3 錨桿和鋼筋網(wǎng)初級支護(hù)三維模型

圖4 三維漫游

4.2 構(gòu)建三維施工過程信息模型

將建好的revit大道梁隧道模型和編制的Project進(jìn)度信息導(dǎo)入Navisworks軟件中，然后通過將3D模型附加施工任務(wù)名稱、類型和時間，創(chuàng)建大道梁隧道4D施工過程信息模型，為施工進(jìn)度監(jiān)控創(chuàng)造條件，如圖5所示。

圖5 將BIM模型和Project進(jìn)度計(jì)劃導(dǎo)入Navisworks展示

4.3 利用BIM集成模型，輔助管理者進(jìn)行施工進(jìn)度監(jiān)控

在Navisworks軟件“Timeline”窗口可以對隧道施工進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時瀏覽[11]，主要包括各個工序的計(jì)劃與實(shí)際日期、橫道圖、各個工序任務(wù)完成情況、工序延期及提前情況等，如圖6所示；利用軟件動態(tài)模擬隧道進(jìn)度情況，深黑色部分表示工程進(jìn)度延后、淺灰色部分表示工程進(jìn)度超時，實(shí)時跟蹤施工收集工程信息，運(yùn)用BIM模型對工程信息進(jìn)行分析，若發(fā)生進(jìn)度偏差則需根據(jù)問題原因?qū)Σ邤?shù)據(jù)庫和預(yù)警體系，及時采取措施，保證工程順利完工。

圖6 任務(wù)超前或延遲不同狀態(tài)顯示

5 結(jié)語

通過對隧道工程施工進(jìn)度BIM智能控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，將網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃、灰色系統(tǒng)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PDCA循環(huán)及BIM技術(shù)等方法應(yīng)用于隧道施工進(jìn)度管理。本文通過大道梁隧道工程實(shí)例證明，所建模型能夠?qū)崿F(xiàn)對其施工進(jìn)度的動態(tài)、可視化管理，幫助管理人員監(jiān)測施工出現(xiàn)的問題，及時找到原因并采取相應(yīng)措施，提高管理水平及效率，該模型可以推廣到類似隧道工程施工進(jìn)度管理中。