长隧洞TBM施工全过程仿真优化研究

3 模型的建立
3 1 TBM 施工流程仿真模型构成 循环网络模型的运行被视 为各种资源的 相互结 合、 相互作用的过程, 整个过程是资源实体的动态流动 过程. CYCLONE 定义了五种特 定图示符号来 描述各 种状态 ( 见图 1) , 根据施工作业及逻辑关系, 将它们用矢 线连接起来, 并加入控制机制, 就可以建立 TBM 施工循环 过程的模拟模型 (见图 2), 用 CYCLONE 定义的图示符 号.
. 研究其
施工规律, 可为 TBM 施工技术先进的管理手段. TB M 是通过掘进行程和复位行程来完成掘进工作 循环的, 所开挖的掌子面为同心圆轨迹, 岩渣由周边式 铲斗并通过漏斗和溜槽卸到皮带运输机上运到洞外. 整 个隧道施工就是以 掘进、 支护、 排运 !三项工作为基础 循环进行的, 其中掘进和弃渣排运是同步进行的, 这是 掘进机的核心工作, 它决定着工程施工的掘进速度, 以 及与之相应的各个配套工序工作的衔接和工作质量要 求. TB M 施工的这种协调性、 连续性和密集性特点决定 其施工管理必须采用大系统的观点, 以系统工程的思想
整施工方案 , 适当增加渣车数 量, 尽量使开挖和出 渣 工作能够同 步进行 . 另外隧 洞 A 的地质 段 3 是Ⅴ 类 围岩 , 附加的衬砌时间较长 , 相应车辆有更充足的 时 间出渣 , 所以等 待出渣 时间比 率反 而比地 质段 2 还 小 . 由以上分析可知 , TBM 施工必须对隧道施工的 基 本要求和单 项作业 的作用 与关 系, 结 合具 体工程 的 具体要求进 行分析 , 使 各个工 序以最 佳的 工作匹 配 关系来工作 . 开挖、 出渣、 衬砌 协调地进行 , 才能发 挥 出 TBM 最大的潜力 .
语
将融合网络计划技术和循环网络模拟技术的全过 程仿真方法应用到 TB M 施工中 , 可以逼真地模拟 T B M 施工过程, 为施工组织设计提供科学依据. 同时, 采用 CPM 可以优化其施工方案 , 控制施工进度; CYCLONE 层可获得机械设备的使用效率, 并提供优化机械设备 配套方案. 这样就克服了循环网络仿真技术的复杂性, 同时利用了 CPM 网络的进度分析功能, 取长补短, 达 到了方便、 实用的目的 . 研究成果在某输水长隧洞施工 中体现了较好的实用性 , 证实该项技术为优化地安排 施工进度、 制定经济合理的 TBM 施工管理方案和机械 设备配套方案提供了有效计算和分析工具 . 参考文献:
W ater R esources and H ydropow er Eng ineering Vo l. 36 N o. 4
收稿日期 :
2005 01 12 ) , 男 , 教授 , 博士生导师.
作者简介 : 钟登华 ( 1963
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钟登华 , 等 ∀长隧洞 TBM 施工全过程仿真优化研究
在仿真过程中 , 全程仿 真钟用于仿 真 CPM 网 络 层的仿真轨迹 , 它采用时间步 长法推进. 在仿真 过程 中 , 当检 测到 有 事件 发 生时 , 仿 真 钟保 留 当时 的 状 态 , 然后将控制 权交给 CYCLONE 层 , 启 动本地仿 真 钟 , 设置模型初始状态 . 本地仿真钟也采用时间 步长 法推进 . 以工程准备施工的状态作为初始状态 , 以开 始施工的时刻作为本地仿真钟的零点 . 从该点开始 , 向 前推进一个时间步长 , 然后对模型中的所有节点进 t 行扫描 , 检测是否有满足条件的活动发生 , 同时跟踪各 种资源的使用情况. 如果有活动发生 , 它们被认为发生 在 t的终止处, 相应地改变系统的状态 , 统计各种资
短渣车的长度 , 同时也缩减 Californ ia 道岔的长度 , 提 高渣车效率 , 应尽量采用大容量的渣车. 当然, 也要考 虑隧洞直径和净空要求的限制 . 通常为两列渣车, 每列 渣车数量可根据出渣量及材料运输量来确定; 渣车的 运行速度与牵引机车类型和施工情况有关 , 也可参考 同类工程来确定 . 值得注意的是随着隧洞开挖的进行, 渣车完成一个循环所需时间越来越长 , 可能会导致开 挖与出渣速度不匹配 , 这时需增加渣车列数. ( 4) 衬砌时间 . 根据国内外工程经验, 完成一个循 环的衬砌通常需 40~ 60 m in. ( 5) TBM 完成一个循环所需时间和 TB M 重定位 时间. 这两个参数可由机器性能确定 .
中图分类号 : TV 51 文献标识码 : B 文章编号 : 1000 0860( 2005) 04 0085 03
Study on sim ulation and op ti m ization of tunneling w ith TBM for long tunn el ZHONG Deng hua , YANG X ia o gang, L I Jing ru
表 1 某输水工程的隧洞特性
隧洞 名称 洞径 /m 地质条件 Ⅲ类 Ⅳ类 /Ⅴ类 隧洞 A 3 655 Ⅱ 类 Ⅲ类 / Ⅳ类 ( 硬 ) Ⅴ 类 Ⅱ 类 Ⅲ类 / Ⅳ类 ( 硬 ) 隧洞 B 3 655 Ⅱ 类 Ⅲ类 / Ⅳ类 ( 软 ) Ⅲ类 Ⅳ类 /Ⅱ类
水利水电技术
3 2
TBM 仿真模型参数的选择
( 1) TBM 穿透率, 即在不停机的情况下每小时开 挖进尺 . 影响该参数主要由 TBM 自身能力和岩石的类 型来决定 , 但实际开挖速度不仅与 TBM 穿透率有 关 , 而且受到 TBM 停机时间和隧洞支护速度等因素的 影响和限制 , 通常比 TB M 穿透率低 . 可以根据国内外 的工程实例类比来确定. ( 2) 循环进尺 , 即每个循环的开挖长度 . 主要由生 产厂商和机器类型来决定 . ( 3) 渣车数量和运行速度. 为了减少卸渣时间, 缩
4 仿真成果分析
根据已建立的模型及选定的模型参数 , 开发了针 对 TBM 的隧道施工过程模拟计算的软件 , 并具有一定 的通用性, 可以用来完成该模拟计算 . 然后通过多方案 比较和参数修改就可以得到合理的工期和费用方案 .
图 1 五种图示符号
某输水工程全线总长 97 356 km, 其中两条地 质 情况好的隧洞 ( 共 21 529 740 m ) 采 用掘进机 开挖 , 隧洞情况如表 1 所列 , 该工程的 CPM 层网络模型 见 图 3 .
水利水电技术 第 36 卷
2005 年第 4 期
长隧洞 TBM 施工全过程仿真优化研究
钟ห้องสมุดไป่ตู้华, 杨晓刚, 李景茹
(天津大学 建筑工程学院, 天津 300072)
【 摘
要 】 隧洞 TBM 施工工序繁多, 机械设备配套选择和工序协调性对开挖速度影响很大 , 有必要对
其施工过程进行仿真 . 循环网络模拟技术 ( CYCLONE )和 CPM 技术已广泛地应用于工程施工中. 全过程 仿真技术将二者结合 , 取长补短 , 通过计算分析可以得出合理的机械设备配套组合及优化的施工方案, 有助于 TB M 施工实现各工序协调进行, 从而使 TBM 施工技术在隧道开挖中获得成功的应用 . 【 关键词 】 隧洞 T B M 施工 ; 循环网络模拟技术; 全过程仿真; 机械设备配套组合
图 2 TBM 施工循环网络仿真模型
源的使用时间或空闲时间. 重复上述作法直到该项工 程结束 , 然后把控制权返回给全程仿真钟 , 并把本地仿 真钟的状态及资源利用率等信息一同返回给 当前事 件 , 作为当前事件的仿真结果保存起来. 然后全程仿真 钟继续推进 , 重复上述过程, 直到整个工程结束. 之后 对仿真结果进 行各种计算、 分析 , 可获得施工 进度安 排、横道图、 关键路线、 施工强度、 施工高峰期、 资源利 用率等结果 .
( Schoo l o f C iv il Eng ineer ing , T ianjin U n ive rs ity , T ianjin 300072, Ch ina) Abstrac t : T he w ork ing procedures of the tunne ling w ith TBM a re var ious and the rate o f the tunne ling footage is greatly a ffected by the comb ination of the m ach ineries and the coordination of the w ork ing procedures, so the tunne ling process is necessa ry to be si m u la ted. A t present , the techniques of the Cyc lic O peration N e t w ork ( CYCLON E) and CP M are w idely used in the si m u la tion o f the construction concerned; ho w ever , the si m ulation o f the who le construction process w ith comb in ing both the techn iques to ge ther m akes it possib le to ga in the reasonable comb ination o fm ach iner ies to opti m ize the construction schedu le dur ing the tunne ling w ith T BM; by wh ich better coo rd ination o f a ll the w ork ing pro cedures dur ing the tunne ling can be realized, and then the T BM tunne ling technique can be used successfully as we ll. K ey word s : tunne ling w ith TBM; Cyc lic O peration N etwork ( CYCLONE); si m ulation of who le construction process ; co m bina tion of m ach ine ries
5 结
图 3 CPM 网络层仿真模型 表 2 隧洞仿真成果分析
地质段 长度 /m /m 地质 段 1 隧 洞 A 地质 段 2 地质 段 3 地质 段 4 隧 洞 B 地质 段 1 地质 段 2 重定位 附加衬 等待出 循环 掘进时 月进度 时 间 砌时间 渣时间 时间 间比率 /m 比 率 比 率 比 率 /h /% /% /% /% 24 25 67 37 25 30 735 696 263 485 707 604 62 5 40 45 27 32 25 18 8 18 6 7 12 2 18 15 45 18 7 42 2 3 60 8 50 60
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[ 6]
长度 /m 980 3 180 200 3 300 7 000 6 469
第 36 卷
衬砌 方式 管片 衬砌 管片 衬砌
2005 年第 4 期
钟登华, 等 ∀长隧洞 TBM 施工全过程仿真优化研究
通过 TBM 施工全过程仿真不仅可计算工期和进 度安排 , 还可以得到掘进机开挖过程的详细仿真数据. 仿真中可针对隧洞地质条件的变化 , 从进口端开始划 分成不同的地质段, 按地质条件计算它们的掘进时间 和速度等参数.
1 引
言
为指导, 对施工进行全过程仿真研究, 以实现量化管理.
全断面隧道掘进机 ( TBM )在适宜的条件下 , 具有掘 进效率高、 对围岩扰动小、 开挖面好、 劳动保护能力强等 一系列优点, 已成为隧洞开挖普遍方法之一
[ 1, 2]
2 TBM 施工全过程仿真原理
由于 TBM 施工的循环特性 , 可以引入 CYCLONE 技术对施工过程进行仿真分析, 优化施工进度安排和 设备配套等 . 全过程仿真技术充以 CPM 网络模型作为 框架, 再把框架中的节点细化成 CYCLONE 模型 , 形成 一个分层次的模型结构. 其中 CPM 网络层是面向用户 的 , CYCLONE 层隐藏在 CPM 网络层之下, 可以灵活地 控制底层模型, 并向 CPM 网络层提供了接口. 这样就 克服了循环网络仿真技术的复杂性 , 同时利用了 CPM [ 3~ 5] 网络的进度分析功能 , 达到了方便、 实用的目的 .