地下洞室群施工程序的仿真模擬研究

地下洞室群合理的施工程序對維護圍巖穩定、保證施工安全、實現快速、經濟施工有著重要的意義。然而,地下洞室群的施工程序受工程所處自然條件、施工技術水平及相應機械設備配置、交通條件、洞室空間結構形式、支護形式、施工安全、施工質量、環境控制等多種因素影響,且這些相互制約的因素往往又都是隨機而復雜多變的,傳統的方法難以較為準確地估計與測度[ 1 ] 。隨著計算機的應用與推廣,特別是近三十年來,地下洞室施工的模擬研究取得了長足的發展,國內外先后研制出“地質模型—施、“ 莫斯特柯夫工方法—成本報告系統”“卡爾程序”、“ “ 循環分析模擬模型”、日本國鐵隧道施工數據庫”、運行網絡模型”等[ 2 ] 。這些成果運用后,大多被認為“取得了良好的經濟效益和技術進步,但還有許多工作需要做”。這些工作主要是:如何實現系統施工程序的仿真模擬,怎樣使模擬運行參數選擇和成果修正折減更便捷可行,努力縮短運行時間增強實用性和可操作性,如何實現施工技術與管理的統一。而以隨機的生產線平衡原理[ 3 ] ,動態數組和公共時鐘為基礎,結合地下洞室施工特點和經驗總結而開發的CPE ( Construction Procedure’s Emulation of Under2 ground Multi2tunnel & Multi2champer) 系統對上述工作有明顯的改進。
1 　系統開發原理和思路
1. 1 　施工循環的平衡優選
CPE 系統以隨機的生產線平衡原理為基礎,結合地下洞室施工特點,對施工循環進行平衡優選。生產過程計算機管理的生產線平衡是對連續地重復進行的生產過程的生產線進行優化設計。其原理包含了生產線,單位作業,作業點,周期,執行作業的約束—作業內容約束、技術約束、設備約束、位置約束, 平衡滯后時間,平衡滯后等概念。對地下洞室施工而言,相應即是:施工循環,施工工序,工序數,施工循環歷時,施工內容、施工方法及工藝流程、機械設備配置、施工通道及環境控制,施工機械設備閑置時間,機械設備閑置率等概念。原理的核心思想是“單位作業的劃分不完全從技術角度而是從客觀實踐的觀點來判斷”。結合地下洞室施工特點和經驗總結, 除生產線平衡優化目標函數和約束,CPE 系統還設立了規則工班、主要機械設備完成的關鍵工序歷時及所占施工循環歷時的比例等工程約束和優選函數以優化施工循環設計,努力實現人、機、地三不閑。
1. 2 　設立動態數組和公共時鐘,實現仿真模擬
CPE 系統將地下洞室群劃分為施工系統、施工分標、施工分項、施工分部、施工分段(塊) 等六個層次,用六維動態數組來描述;并設立了不同長度的公共時鐘。不同用戶根據各自需求填充空間層次結構數組和仿真模擬參數,系統優選出施工循環后,由施工分段(塊) 的仿真模擬,逐層同步疊加,直至完成對施工系統的仿真模擬。CPE 系統仿真模擬流程如圖1 所示。
1. 3 　建立網絡動態數組實現對施工交通的仿真模擬
CPE 系統將地下洞室群不同施工程序的交通網絡劃分為施工起訖點如拌和樓、棄碴場,施工道路如不同高程的公路、橋纜,施工通道如施工支洞、溜碴井等三個層次;并設立公時概念,公時為相對時間單位,用戶可根據工程規模、仿真模擬精度要求用15 min 、30 min 等去取整真實時間。CPE 系統以公時為時間序列單位同步疊加便得到施工通道、施工道路的實時行車密度、最大行車密度及最小行車間距,也可得到施工起訖點的實時強度和過程線,為施工交通設計和管理、拌和樓的供料強度和棄碴場的最大存量設計等提供指導和參考。