地下工程循環作業網絡進度優化

葛振振，呂宗亞，黃 珅

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京210007;2.江蘇省方山體育訓練基地，江蘇南京210007)

大型地下工程施工是一項極其復雜的帶有隨機因素的系統，無法用數學解析模型描述。地下工程施工對于工期的要求較高，時效性較強。地下工程的施工過程是一個由多個工作組成的反復循環過程，對其施工過程的分析，如果采用一般網絡模型(CPM/PERT)表示整個工程的循環施工過程相當復雜，無論從節點矢線數量、施工過程中反映的隨機因素影響，還是表示的模型準確度都較難滿足。循環網絡仿真技術CYCLONE的提出有效地解決了這一問題，它利用排隊理論和模擬技術結合至網絡計劃技術中，模擬循環施工過程和隨機時間，實現了整個循環施工過程的反映。

地下工程在施工過程中，往往涉及到不同的施工方法。某地下工程施工中使用三種施工方案，分別為方案Ⅰ為人工鉆爆法，方案Ⅱ一臺三臂鑿巖車作業，方案Ⅲ兩臺三臂鑿巖車同時作業。分別比較三種施工方案的施工作業時間進行進度優化。

1 地下工程施工系統分解與協調

地下工程施工是一個極其復雜的系統，對于整個過程的分析，可以利用系統分解協調原理，將這個系統分解為目標相對單一的子系統。通過工程施工進度計劃將子系統整合成完整的系統。利用這種分解和整合，更容易把握和控制一個內部結構復雜的系統。

地下工程的開挖施工主要采用鉆爆法。鉆爆法開挖地下工程實質上是一個反復循環的過程，每次掘進工作面都大約按炮孔深度的尺寸向前推進，一次作為一個循環。本文主要研究地下工程全斷面一次開挖法，施工工序:施工準備→超前地質預報→測量放樣→鉆孔→裝藥→起爆→通風排煙→清除危石→爆破檢查→裝渣運輸→初期支護→監控量測→下個施工循環。

每個工序的施工時間控制是及其重要的，工序之間的銜接和安排也是施工進度控制非常重要的環節。本文主要討論不同鉆爆法對施工進度的影響研究，并且考慮到施工平行工序的關系，確定關鍵工序為鉆孔、裝藥、爆破(包括爆破設計、點火爆破、排煙通風)、裝渣運輸，其他為輔助工序(圖1)。

2 地下工程施工進度分析

地下工程開挖過程中，單位時間內的開挖進尺就是施工進度，分析單個循環可得:進度B(T)=單個循環作業長度/單個循環作業時間

在上式中，單個循環時間T包括循環之間的銜接時間，初期支護等平行施工的工作時間在施工過程分析中不作考慮。國防工程施工的循環時間按鉆爆法工序分解為鉆孔時間、裝藥時間、通風時間、輔助作業時間及裝渣運輸時間。所以各個工序的時間總和記為單個循環時間。假定一個循環的時間T，鉆孔時間為t1，裝藥時間為t2，起爆和通風時間為t3，裝渣運輸時間為t4，其他時間為t5。得出T的公式為:

(3)起爆和通風時間t3。t3=15～30 min;

(5)其他時間t5。這段時間應包括在開挖斷面設置鉆孔和裝運石渣機械與清除爆破危石的時間，及施工過程中時間損失等，根據實際情況計算。

圖1 地下工程鉆爆法循環網絡模型

3 不同鉆爆法施工進度對比

3.1 方案Ⅰ施工進度

方案Ⅰ為人工鉆爆法，利用風動鑿巖臺車鉆孔，綜上分析，方案Ⅰ人工鉆爆法單個循環各工序時間如表1。

表1 方案Ⅰ單個循環時間

通過表1可知，鉆孔和裝渣運輸是工程施工單個循環最耗時的工序。在本方案Ⅰ中，人工鉆爆法的鉆孔這一工序耗時最多，增加了單個循環施工的時間，從而影響了整個國防工程施工的進度。

3.2 方案Ⅱ施工進度

方案Ⅱ為一臺三臂鑿巖車作業(單車開挖)，綜上分析，方案Ⅱ單臺車鉆孔爆破法單個循環各工序時間如表2。

表2 方案Ⅱ單個循環時間

通過表2可知，鉆孔和裝渣運輸仍然是關鍵工序，方案Ⅱ采用三臂鑿巖車，其鉆孔工序所花費時間明顯比方案Ⅰ少，從而縮短了單個循環時間，加快了整個工程的施工進度。

3.3 方案Ⅲ施工進度

方案Ⅲ為兩臺三臂鑿巖車同時作業，該工程利用無軌道運輸運渣，兩臺裝載機裝渣，多臺自卸卡車運輸，自卸卡車的數量隨著循環進尺的推進而增加，以滿足施工進度為準。根據現場情況，裝渣運輸時間為t8=175 min。綜上分析，方案Ⅲ兩臺車鉆孔爆破法單個循環各工序時間如表3。

表3 方案Ⅲ單個循環時間

通過表3可知，鉆孔和裝渣運輸是影響循環施工時間的主要因素，方案Ⅲ采用兩臺三臂鑿巖臺車作業，鉆孔耗時比人工鉆孔和單臺車作業大大減少。單個循環時間分析中，人工鉆爆耗時10.5 h，單鑿巖臺車耗時9.68 h，雙鑿巖臺車協同耗時8.1 h，均有較大縮減。

3.4 單個循環不同鉆爆法時間對比

根據上述計算，方案Ⅰ人工鉆爆法單循環施工時間為10.5 h，方案Ⅱ單鑿巖臺車單循環施工時間為9.68 h，方案Ⅲ兩鑿巖臺車單循環施工時間為8.1 h。單個循環施工時間:方案Ⅰ ＞方案Ⅱ ＞方案Ⅲ。

根據現場1 000個循環施工時間統計，整理出每個施工循環的時間，并進行方案對比，見表4。

表4 三種不同鉆爆方法的循環施工時間

通過現場統計的分析，方案Ⅰ比方案Ⅱ耗時少1.8 h，方案Ⅲ比方案Ⅱ耗時少3.7 h。單個循環時間:方案Ⅱ＞方案Ⅰ＞方案Ⅲ。

綜上述理論計算和現場統計的循環時間分析，方案Ⅱ雖然采用鑿巖臺車施工，但是并沒有發揮其機械化的優勢，其作業效率與現場管理及操作人員的熟練水平有直接影響，所以現場的實際統計時間比計算時間要長，具體實施效果不如方案Ⅰ的人工鉆爆法。方案Ⅲ為單個循環最優方案。

4 循環作業仿真網絡模擬

根據地下工程鉆爆施工循環網絡模型，采用C++Build編程，模擬循環過程20次得到模擬計算結果，如表5所示。

表5 不同鉆爆法循環模擬

由模擬結果可知，工期由高到低排序:方案Ⅱ﹤方案Ⅰ﹤方案Ⅲ。最佳工期方案為方案Ⅲ，兩臺鑿巖臺車協同施工，其次為人工鉆爆法，最后為單鑿巖臺車施工。

統計記錄某地下工程施工過程，比較不同鉆爆法進度，統計如表6。

表6 不同鉆爆法進度

通過表6可知不同鉆爆方法的施工進度，比較每天循環次數、每天循環進尺、每循環進尺，分析進度的優劣順序。由高到低排序:每天循環數，方案Ⅲ＞方案Ⅰ＞方案Ⅱ;每天進尺，方案Ⅲ＞方案Ⅰ＞方案Ⅱ;每循環進尺，方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ。所以最優方案為兩臺鑿巖臺車協同施工，其次為人工鉆爆法，最后為單鑿巖臺車施工。

5 結束語

(1)利用網絡計劃技術，對地下工程的施工過程進行分解和整合，分解為鉆孔、裝藥、爆破(包括爆破設計、點火爆破、排煙通風)、裝渣運輸，其他為輔助工序。并對各個工序進行進度分析。

(2)根據分解工序進度分析方法，對某地下工程的三種施工方案:方案Ⅰ人工鉆爆法、方案Ⅱ一臺三臂鑿巖車單獨作業、方案Ⅲ兩臺三臂鑿巖車作業進行的施工進行進度分析，得出方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ。

(3)利用循環作業仿真網絡，對某地下工程的三種施工方案:人工鉆爆法、一臺三臂鑿巖車單獨作業、兩臺三臂鑿巖車作業進行模擬，得出方案Ⅲ＞方案Ⅰ＞方案Ⅱ。

(4)綜合比較分析分解計算、循環作業仿真網絡模擬、現場統計數據，指出施工中存在的問題，為縮短工期提供依據。

［1］張偉波.大型地下洞室群施工系統仿真理論與應用研究［D］.天津大學，2002

［2］鐘登華，李景茹.復雜地下洞室群施工交通系統仿真與優化研究［J］.系統仿真學報，2002，14(2):140－142

［3］顧晶彪.公路隧道不同鉆爆法對施工進度的影響研究［D］.重慶交通大學，2012

［4］陳燕順.建筑工程項目施工組織與進度控制［M］.北京:機械工業出版社，2003