1、2002年3月系統工程理論與實踐第3期文章編號:100026788(20020320125206復雜地下洞室群施工系統仿真與進度研究張偉波1,黃河2,李景茹1,楊慶學1,鐘登華1(1.天津大學建筑工程學院,天津300072;2.國家電力公司成都勘測設計研究院,四川成都610072摘要:大型地下洞室群施工是一個極其復雜的過程本文系統地研究了大型地下洞室群施工問題,提出了集循環網絡計算機仿真技術、可視化面向資源仿真建模技術、網絡計劃分析與優化技術及基于G IS的動態演示技術于一體的地下洞室群施工系統分析理論方法,為選擇合理的施工組織方式和最佳的機械設備配置方案、編制可行的施工進度計劃和直觀掌握了解

2、地下洞室群施工過程提供了有力的分析方法研制開發了地下洞室群施工系統仿真與進度分析計算機軟件(ESA S,在溪洛渡地下洞室群施工組織設計中獲得了成功的應用關鍵詞:大型地下洞室群施工;系統仿真;循環網絡仿真;網絡計劃分析與優化;地理信息系統;動態演示中圖分類號:TU91文獻標識碼:AStudy on Con structi on System Si m u lati on and Schedu le fo r L arge2scale U nderground Structu re GroupZHAN G W ei2bo1,HU AN G H e2,L I J ing2ru1YAN G Q ing

3、2xue1,ZHON G D eng2hua1(1.Schoo l of C ivil Engineering,T ian jin U n iversity,T ian jin300072,Ch ina;2.Chengdu H ydroelectric Investigati on D esign In stitu te of State Pow er Co rpo rati on of Ch ina,Chengdu610072,Ch inaAbstract:T he large2scale underground structu re group con structi on is an e

4、x trem elycomp licated p rocess.In th is paper,the con structi on p rocess of large2scale undergroundstructu re group has been studied system atically.A new m ethod on con structi on systemanalysis fo r large2scale underground structu re group,w h ich com b ines cyclic operati onnetw o rk,netw o rk

5、p lan and op ti m um,visual resou rce2o rien ted modeling techn ique andan i m ati on demon strati on techn ique based2on G IS,is in troduced.T he app roachdescribed in th is paper p rovides a quan titative analyzing too l fo r choo sing the reasonab lecon structi on o rgan izati on,ob tain ing the

6、op ti m um equ i pm en t set p lan,comp iling thecon structi on schedu le,and grasp ing the con structi on p rocesses.M o reover,thesoftw are of con structi on system si m u lati on and schedu le fo r underground structu regroup(ESA Shas been developed by au tho rs,w h ich is app lied successfu lly

7、to thecon structi on o rgan izati on and design of X iluodu p ro ject.Keywords:large2scale underground structu re group con structi on;system si m u lati on;cyclic operati on netw o rk;netw o rk p lan and op ti m um;G IS;an i m ati on demon strati ontechn ique收稿日期:2000207220資助項目:“九.五”國家重點科技攻關項目(9622

8、21205203202(2;高等學校骨干教師資助計劃(633;國家自然科學基金(50179023621系統工程理論與實踐2002年3月1引言水利水電工程地下洞室群施工是一個極其復雜的過程,許多因素將影響其施工進度各單個洞室的施工條件復雜、工序繁多在施工過程中,不但各工序配合與相互干擾錯綜復雜,而且受到各方面眾多因素影響與限制,在安排各個洞室施工先后順序及隧洞施工程序時,需要顧及對工程的總工期、圍巖穩定、施工強度、各個工作面的干擾程度以及交通運輸等問題的影響大型地下洞室群施工系統無論在規模上還是在復雜程度上都十分罕見,沒有成熟的施工經驗可供借鑒,僅依靠設計人員采用傳統的方法分析計算,難以優化地選

9、擇施工機械設備及施工方案,難以定量地確定各施工工序之間的干擾程度,尤其是各施工通道的布置、斷面尺寸在沒有各通道的動態交通流量的情況下,要做到既經濟又合理,這是很困難的由于地下洞室群施工工序繁多,各工序之間邏輯關系復雜,快速、準確地把握整個洞室群施工全過程也是很困難的因此,有必要采用科學的系統分析方法和先進技術手段,全面系統地分析地下洞室群施工中的各方面因素以及各方面相互聯系和制約關系,使各洞室之間、各工序之間以及各種機械設備相互配合、相互協調,使設計與施工組織更加科學化,提高大型地下洞室群施工組織設計的現代化水平進行地下洞室群施工系統仿真與進度研究,首先,要尋求合理的機械設備配備方案,單個洞室

10、和洞室群的機械設備配備數量直接影響其施工進度和工程造價其次,要合理安排洞室群施工的先后順序,以得到經濟可行的施工進度再者,需要分析在給定施工進度和機械設備配套情況下,在施工高峰期,各支洞系統能否滿足交通運輸要求通過施工高峰期交通運輸分析,論證既定的施工進度能否付諸實施若由于交通擁擠不能達到既定進度,這時,就需采用相應的措施,如改變單項洞室的某種機械配備數量,或采用其它型號的機械設備,或者改變地下洞室群各洞室的施工順序,或者開辟新的施工通道等最后,利用動態演示技術把復雜的地下洞室群施工過程用運動著的畫面形象地描述出來,使仿真結果可視化基于以上目的,本文提出了集循環網絡計算機仿真技術、可視化面向資

11、源仿真建模技術、網絡計劃分析與優化技術及基于G IS的動態演示技術于一體的大型地下洞室群施工系統仿真理論方法,并研制開發了相應的計算機軟件,為復雜的地下洞室群施工系統分析提供了有力的計算與分析工具緊密配合溪洛渡地下洞室群施工組織設計工作,應用本文所提出的理論方法以及所研制開發的系統軟件(ESA S,對溪洛渡地下廠房系統施工問題進行了全面系統的研究與計算分析,為施工組織設計提供了一系列成果和施工方案通過定量計算與分析,進行多方案的比較和優化,得出了滿意的方案2金沙江溪洛渡水電站地下廠房系統概況金沙江溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣境內的金沙江下游,其工程引水發電系統(簡稱地下廠房系統,

12、下同由進水口、引水洞、主、副廠房、母線洞、主變室、電纜出線井、通風洞、尾水管及連接洞、尾水調壓室、尾水隧洞、廠房防滲設施及地面開關站等組成(參見文獻1各洞室均位于新鮮完整的巖體中,水平埋深350m以上,豎向埋深450m左右左岸引水發電系統共計:石方明挖503.4萬m3,石方洞挖403.88萬m3,混凝土145.77萬m3;右岸引水發電系統共計:石方明挖299.27萬m3,石方洞挖398.55萬m3,混凝土148.80萬m3(均不含附加量地下廠房系統三大洞室上、下游端均布置有施工通道地下廠房系統的開挖程序示意圖參見圖13循環網絡仿真技術與可視化面向資源仿真建模技術循環施工過程采用傳統的主導機械生

13、產率方法來確定其它設備和勞動力的需求量很難達到優化的目的如采用一般網絡模型來表達整個工程循環施工過程,則極其繁雜此外,它也難以反映施工過程中某些隨機時間因素及其影響循環網絡仿真技術(詳見文獻2-4正是適用于循環施工過程的分析與資源優化通過模型的仿真計算可以計算出不同資源水平和施工組織情況下,循環施工過程的工期和費用;通過靈敏度分析可以得到合理的機械設備配備數量和理想可行的工期成本施工方案這種仿真技術既適用于地下洞室群單項洞室施工的仿真計算分析也適用于多工作面同時施工的仿真計算分析可視化面向資源仿真建模是施工系統仿真建模的一種新方法(詳見文獻5-7合理地確定模型庫 圖1溪洛渡地下廠房系統開挖程序

14、示意圖構造方法及其單元模型的定義與設計、系統環境和邊界條件的集成表述方式以及定義能夠全面反映進程間關系的聯接結構是開發可視化面向資源建模系統的關鍵這里引入了資源進程的概念,采用了面向對象的單元模型庫;采取施工項目說明的形式描述施工系統物理特征;定義了直接與間接聯接結構,實現了可視化條件下面向資源的建模過程,保證一定建模靈活性的同時簡化了建模過程研制了地下洞室群施工系統仿真建模軟件,開發了可視化面向資源建模系統結合在溪洛渡大型地下洞室群施工系統仿真研究中的實際應用,證明了該研究思路的正確性及軟件的實用性4溪洛渡地下洞室群單項洞室施工仿真計算分析單項洞室分成兩類,即隧洞和三大洞室各單項洞室開挖均采

15、用鉆爆法,其分層情況視斷面形狀和大小而定鉆爆法施工是一個由鉆孔、爆破、通風散煙、安全檢查、出碴和支護等幾大工序組合而成的循環過程由于施工條件不同,各洞室以及同一洞室的各層的施工程序可能是不相同的在建立單項洞室施工循環網絡模型時,首先應研究各個洞室以及每一洞室的每一層的施工過程,把整個過程離散成若干組成的施工活動(工序,確定完成各活動所需的資源及其數目,然后統籌各洞室各層的施工工序、資源,依據循環網絡模型組成部分及節點的邏輯關系,建立單項洞室施工過程的循環網絡仿真模型(圖略通過對單項洞室施工過程的循環網絡仿真模型進行計算機仿真分析,改變循環進尺和機械設備(如鉆機、裝載機、自卸汽車等的數量和型號,

16、可以得到不同組合情況下的施工工期、施工費用等參數對于各種721第3期復雜地下洞室群施工系統仿真與進度研究不同組合情況下所得到的參數進行靈敏度分析,可得到優選方案表1僅列出了優化后的主廠房左岸上游工作面模擬計算成果表1主廠房左岸上游工作面模擬計算成果分層主廠房上1上2中1中2中3下1下2下3下4分段長度(m209209209209151151151113113鉆機數量(臺2H1782H1781ROC1ROC1ROC1ROC1ROC1ROC1ROC循環進尺(m2.41.84.54.53.03.25.05.03.8裝載機(臺 型號2 4m32 4m32 4m32 4m32 4m32 4m32 4m3

17、2 4m32 4m3自卸汽車(輛 型號10 32t10 32t10 32t12 32t12 32t12 32t12 32t12 32t12 32t 循環時間(h22.723.431.530.731.331.331.731.531.2工期天120.0113.161.860.166.562.641.030.239.0月4.84.52.52.42.72.51.61.21.65溪洛渡地下廠房系統施工進度分析根據各洞室施工的銜接關系及相互制約條件編制了施工進度網絡模型(圖略模型共有56個節點, 74道工序基于單項洞室施工仿真計算結果,統計各單項洞室施工所需歷時和開挖方量經計算,左岸地下廠房系統施工關鍵路

18、線依次為廠房上支洞洞挖、主廠房上1挖、頂拱支護、主廠房上2挖、主廠房中1挖、吊車梁混凝土、主廠房中2挖、主廠房中3挖、主廠房下1挖,主廠房下2挖,主廠房下3挖,主廠房下4挖、一期澆筑、埋件安裝及二期澆筑、機組安裝發電廠房上支洞施工開始于第二年7月,第七年1月第一批機組發電,總工期為90個月(7年6個月洞室群施工的特點之一是受施工交通線及通風散煙限制較大因此,優化的重點在于資源均衡問題通過均衡施工強度,可部分解決施工交通線擁擠問題,同時可減小由于機械設備及勞動力數量的變化而增加的費用在初始計算成果中,開挖強度很不均衡非關鍵線路上時差很多,有必要進行工期不變的開挖強度均衡優化通過軟件優化后,得到開

19、挖強度柱狀圖、施工進度橫道圖單洞最大開挖強度為1.325萬m3 月,多工作面最大開挖強度總和為8.95萬m3 月,從施工程序安排和施工進度、開挖強度上來說都是合理的但是,在施工高峰期,施工通道能否滿足交通運輸要求,還需在后面進一步論證6溪洛渡地下洞室群施工仿真計算分析通過地下廠房系統施工的網絡進度分析及網絡資源均衡優化后,可得到多工作面同時施工的信息其中進廠交通洞系統為最擁擠的施工通道,有四個工作面同時進行開挖作業第一工作面:尾調4洞挖,第二工作面:引水洞豎井洞挖,第三工作面:主廠房中1洞挖,第四工作面:主變室D層洞挖為分析4個工作面同時工作的相互干擾和相互影響,對單項洞室計算成果及施工進度進

20、行比較論證,有必要采用循環網絡計算機仿真技術來進行多工作面同時施工的仿真分析,以獲得運輸路線上的行車密度、排隊情況等運輸線路上共有三個交叉口第一交叉口是二、四開挖工作面施工的匯合點;第三叉口為第一、二、三、四工作面匯合點各工作面均為鉆孔出碴平行作業根據各工作面的工作順序和出碴路線情況,建立其循環網絡仿真模型從仿真計算結果來看,第三交叉口具有最大行車密度(單向25輛 h對第三交叉口雙向汽車流量進行統計,四個工作面同時施工穩定最大行車密度51輛 h,車輛排隊的機率為0.1%經仿真計算表明,在施工高峰期,施工通道能滿足交通運輸要求,總工期7年6個月的施工進度安排是可行的821系統工程理論與實踐200

21、2年3月7地下洞室群施工動態演示地下洞室群施工過程是非常復雜的通過循環網絡計算機仿真技術和網絡計劃分析與優化技術,合理地安排了洞室群施工的先后順序,獲得了可行的施工進度,同時獲得了大量的詳細的施工信息由于地下洞室群施工工序繁多,各工序之間邏輯關系復雜,快速、準確地把握整個洞室群施工的全貌是比較困難的,然而動態演示技術提供了協調、組織、展示信息的途徑由于G IS 所特有的地形顯示功能,地下洞室群施工過程的三維動態演示系統采用地理信息系統開發從地下洞室群施工動態演示系統中可以獲得以下信息:1虛擬的工程環境制作工程的三維模型,在計算機內虛構一個完整的工程布置,從各種各樣的視角和路徑都能看見既能在遠處

22、觀看工程全貌,也能就近了解細部結構主廠房、主變室、尾調室、引水洞、母線洞、尾水管等建筑物結構的相互關系清晰明了,地下洞室群所處的地形地貌一目了然2地下洞室群在各個時刻的形象進度動態演示系統有時間坐標軸,想看任意時刻的形象進度,在任意時刻按暫停鍵即可3單項洞室開挖過程、工作面數量和開挖程序等信息4洞室群施工中各單洞施工的邏輯關系5施工期間任一時刻同時施工的工序及其名稱6施工期間任一時刻的施工強度以及已經開挖的總方量圖2為施工至第5年3月的三維動態演示過程圖地下洞室群施工動態演示系統把動態演示技術引入到地下洞室群施工系統分析中,以數據的直觀可視化為出發點,再現了當前優化方案下地下洞室群施工過程中各

23、工序的時間、空間和邏輯關系,將地下洞室群施工過程用運動著的畫面形象地描繪出來,從而揭示系統的動態行為特征,為全面、準確、快速地掌握施工全過程提供了有力的分析工具 圖2溪洛渡地下洞室群施工至第5年3月的三維動態演示圖921第3期復雜地下洞室群施工系統仿真與進度研究130 8結束語 系統工程理論與實踐 2002 年 3 月 大型地下洞室群施工過程是極其復雜的, 采用科學的系統分析方法和先進技術手段, 系統地研究地下 洞室群施工中各方面因素, 統籌各方面的制約關系, 將洞室施工進行合理組織安排, 使各洞室、 工序及機械 設備相互協調配合, 對于加快洞室群施工進度, 降低工程造價, 保證工程順利進行非

24、常必要 大型地下洞室 群施工系統仿真與進度研究分為四部分進行, 即: 單項洞室施工計算機仿真計算分析; 地下洞室群施 工進度分析; 地下洞室群施工系統仿真計算分析; 基于 G IS 的地下洞室群施工動態演示 通過溪洛渡 地下廠房系統施工系統仿真計算分析, 說明上述研究問題的思路是切實可行的, 它概括了大型地下洞室群 施工中的主要問題 通過大型地下洞室群施工系統仿真與進度研究, 研制開發了大型地下洞室群施工系統仿真軟件 ESA S軟件編制過程中采用了面向對象的程序設計思想, 較大地提高了程序開發效率及程序的可靠性從 溪洛渡地下洞室群施工系統仿真計算成果來看, 該軟件功能較強, 能夠滿足實際需要,

25、 具有一定的通用性 在地下洞室群施工組織設計中, 過去傳統的設計方法很難得到嚴密的、 科學的和具有說服力的成果 本文提出了集循環網絡計算機仿真技術、 可視化面向資源仿真建模技術、 網絡計劃分析與優化技術及基于 G IS 的動態演示技術于一體的大型地下洞室群施工系統仿真理論方法, 并研制開發了相應的計算機軟件, 為復雜的地下洞室群施工系統分析提供了有力的計算與分析工具, 可以較充分和全面地表達洞室群施工 的復雜情況和過程, 并獲得較有說服力的成果; 大大提高了地下洞室群施工組織設計的現代化水平 研究 成果具有廣闊的應用前景 參考文獻: 1 金沙江溪洛渡水電站預可行性研究報告 R . 成都勘測設計研究院, 1996. 2 鐘登