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洛渡工程地下厂房系统由进水口、引水洞、主厂房、副厂房、母线洞、主变室、电缆出线井、通风洞、尾水管及连接洞、尾水调压室、尾水隧洞、厂房防渗设施及地面开关站等组成。各洞室均位于新鲜完整的岩体中,水平埋深350m以上,竖向埋深450m左右。左岸引水发电系统共计:石方明挖503.4万m3,石方洞挖403.88万m3,混凝土145.77万m3;右岸引水发电系统共计:石方明挖299.27万m3,石方洞挖398.55万m3,混凝土148.80万m3(均不含附加量)[1]

关键词:大型地下洞室群;施工;系统仿真;可视化建模;动态演示

摘 要:大型地下洞室群施工过程十分复杂,很难用传统的方法求得合理的施工组织安排。本文首次提出了集循环网络计算机模拟技术、可视化面向资源建模技术、网络计划分析与优化技术及动态演示技术于一体的地下洞室群施工系统分析理论方法,并将地下洞室群施工系统仿真划分为4个有机组成部分来进行,即:单项洞室施工计算机模拟计算分析;地下洞室群施工进度分析;地下洞室群施工系统模拟计算分析以及地下洞室群施工动态演示。开发了地下洞室群施工系统分析计算机软件(xld),并成功地应用于溪洛渡地下洞室群施工组织设计中。

2 循环网络模拟技术与可视化面向资源建模技术

3 溪洛渡地下洞室群施工模拟计算分析

地下洞室群施工系统分析计算机软件

3.1 地下洞室群单项洞室施工模拟计算分析单项洞室分成两类,即隧洞和三大洞室。各单项洞室开挖均采用钻爆法,钻爆法施工是一个由钻孔、爆破、通风散烟、安全检查、出碴和支护等几大工序组合而成的循环过程。在建立单项洞室施工循环网络模型时,首先应研究各个洞室以及各项洞室的每一层的施工过程,把整个过程离散成若干组成的施工活动(工序),确定完成各活动所需的资源及其数目,而后根据循环网络模拟技术和可视化面向资源建模技术,在计算机辅助可视化条件下,选取施工项目所需资源进程单元模型,并确定其间联接关系,以及从仿真数据库中读取与各资源进程单元模型相关的机械设备、劳动力、材料、活动持续时间、时间分布类型以及项目状况等。这样便建立了单项洞室施工过程的循环网络模型。

模是施工系统建模的一种新方法(详见文献[3]),它从资源的角度重新认识了施工系统,将施工系统描述为一组面向资源的进程[4]。每一资源进程与单元模型相对应,这些单元模型的集合构成了模型库。建模系统所需的基本参数,包括资源分配、时间参数、现场状况等,则由仿真数据库获得。通过定义能够全面反映单元模型间关系的联接结构,联接模型库的各资源进程单元模型就可以构造出面向资源的模拟模型。图2是可视化面向资源建模的系统结构图。资源进程单元模型以及能够全面反映进程间关系的联接结构的定义与设计是开发可视化面向资源建模系统的关键。可视化条件下面向资源的建模过程,保证一定建模灵活性的同时简化了建模过程。

2.2 可视化面向资源建模技术可视化面向资源建

2.1.1 模拟钟这里采用的模拟方法是最小时钟扫描法。模拟过程中需配备两个时间表,即事件表和顺序表。当一个过程开始时记入事件表内,当工作结束时记入顺序表内。最后一个记在顺序表中的过程表示最后结束的工作过程;顺序表记载的时间表示当前模拟时刻。开始令初始的模拟时刻为0,检查有无可以开始的活动,当实施该活动所必需的全部系统资源均已具备投入条件时,该活动即可开始。然后根据此活动所需历时计算其结束时间为:结束时间=现在时间十历时,并将此活动号及其结束时间记入事件表中。当不具备系统资源投入的条件而无新的活动开始时,将事件中最早结束的活动号及其结束时间记入顺序表中,并将它从事件表中除去,模拟钟即指到刚记入顺序表的时间,活动结束后系统资源即被释放。

通过对单项洞室施工过程的循环网络模型进行计算机模拟分析,改变循环进尺和机械设备(如钻机、装载机、自卸汽车等)的数量和型号,可以得到不同组合情况下的施工工期、施工费用等参数。对于各种不同组合情况下所得到的参数进行灵敏度分析,可得到优选方案。表1仅列出了优化后的主厂房左岸上游工作面模拟计算成果。

图2 可视化面向资源建模的系统结构

1 溪洛渡地下厂房系统工程特征及施工通道溪

基于上述问题,进行地下洞室群施工系统仿真研究,首先,要寻求合理的机械设备配备方案,单项洞室和洞室群的机械设备配备数量直接影响其施工进度和工程造价。其次,要合理安排洞室群施工的先后顺序,得到经济可行的施工进度。最后,在给定施工进度和机械设备配套情况下,进行施工高峰期交通运输分析,论证各支洞系统能否满足交通运输要求。

大型地下洞室群施工系统仿真研究综合运用循环网络计算机模拟技术、可视化面向资源建模技术、网络计划分析与优化技术和动态演示技术,并根据系统分析的理论与方法将整个研究工作划分为以下4个部分。(1)首先以各个单洞与三大洞室的分别施工为研究对象,寻求各单项洞室经济合理的机械设备配套组合以及合理的施工工期。这一步采用循环网络计算机模拟技术和可视化面向资源建模技术建立单洞施工循环网络模型,并通过分析计算,获得各单项洞室的施工工期、费用以及机械设备配套等数据。(2)在通过单项洞室施工模拟分析得到各单项洞室施工工期的基础上,采用网络计划与优化技术,编制整个地下洞室群施工系统的网络进度计划,建立地下厂房系统施工网络模型,通过施工强度优化,合理地安排洞室群施工进度。(3)在既定的施工进度基础上,从中找出若干个施工强度较大的典型时段,建立多工作面同时施工循环网络模型,并进行地下洞室群多工作面同时施工的模拟计算分析,对既定的施工进度给予论证,获然通拥塞情况、行车密度等重要参数。(4)采用动态演示技术研制开发出地下洞室群施工过程的二维和三维动态演示系统,把复杂的地下洞室群施工过程用运动着的画面形象地描绘出来,为直观充分地掌握了解地下洞室群施工过程提供有力的分析工具。

钟登华 张伟波 郑家祥

水利水电工程地下洞室群施工是一个极其复杂的过程,许多因素将影响其施工进程。各单项洞室的施工条件复杂、工序繁多。在施工过程中,各工序配合与相互干扰错综复杂。在安排各个洞室施工先后顺序及隧洞施工程序时,需要顾及对工程的总工期、施工强度以及交通运输等问题的影响。

2.1.2 统计钟为了求得施工系统机械设备的使用率,需对其闲置时间进行统计,需要设置与各机械设备相应的统计钟。当活动结束且某机械设备从活动中退出时,其相应的统计钟就打开;当该机械设备进入活动中时,相应的统计钟就关闭。统计钟的开、关之间的时间即为该机械设备的闲置时间(闲置时间=关闭时刻-打开时刻)。开始时,要打开全部的统计钟,模拟结束时要关闭全部的统计钟,以便计算出各机械设备在第一次投入工作以及最后一次退出使用之后的闲置时间。

配合溪洛渡地下洞室群施工组织设计工作,应用本文所提出的理论方法以及所研制发的系统软件(xld),对溪洛渡地下厂房系统施工问题进行了全面系统的研究与分析计算,为施工组织设计提供了一系列成果和施工方案。通过定量计算与分析,进行多方案的比较和优化,得出了满意方案。

2.1 循环网络模拟技术循环施工过程采用传统的主导机械生产率方法来确定其它设备和劳动力的需求量,很难达到优化的目的;采用一般网络模型则极其繁杂,并且难以反映施工过程中某些随机时间因素及其影响。循环网络模拟技术(详见文献[2])正是适用于循环施工过程的分析与资源优化。通过模型的模拟计算可以计算出不同资源水平和施工组织情况下,循环施工过程的工期和费用;通过灵敏度分析可以得到合理的机械设备配备数量和理想可行的工期成本施工方案。

循环网络系统的模拟属于离散系统模拟,使用模拟钟来体现模拟时间的运行轨迹。模拟钟不断地向前运行,不断地检查所研究的系统,并确定系统资源的流向和活动的发生与否。

溪洛渡地下厂房系统三大洞室上、下游端均布置有施工通道。施工通道布置情况示意见图1。

图1 溪洛渡地下洞室群施工通道布置示意

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