地下洞室群施工系統(tǒng)分析計算機軟件

鐘登華 張偉波 鄭家祥

摘 要：大型地下洞室群施工過程十分復雜，很難用傳統(tǒng)的方法求得合理的施工組織安排。本文首次提出了集循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計算機模擬技術(shù)、可視化面向資源建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計劃分析與優(yōu)化技術(shù)及動態(tài)演示技術(shù)于一體的地下洞室群施工系統(tǒng)分析理論方法，并將地下洞室群施工系統(tǒng)仿真劃分為4個有機組成部分來進行，即：單項洞室施工計算機模擬計算分析；地下洞室群施工進度分析；地下洞室群施工系統(tǒng)模擬計算分析以及地下洞室群施工動態(tài)演示。開發(fā)了地下洞室群施工系統(tǒng)分析計算機軟件(XLD)，并成功地應(yīng)用于溪洛渡地下洞室群施工組織設(shè)計中。

關(guān)鍵詞：大型地下洞室群；施工；系統(tǒng)仿真；可視化建模；動態(tài)演示

　　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程。各單項洞室的施工條件復雜、工序繁多。在施工過程中，各工序配合與相互干擾錯綜復雜。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、施工強度以及交通運輸?shù)葐栴}的影響。
基于上述問題，進行地下洞室群施工系統(tǒng)仿真研究，首先，要尋求合理的機械設(shè)備配備方案，單項洞室和洞室群的機械設(shè)備配備數(shù)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，得到經(jīng)濟可行的施工進度。最后，在給定施工進度和機械設(shè)備配套情況下，進行施工高峰期交通運輸分析，論證各支洞系統(tǒng)能否滿足交通運輸要求。　　
大型地下洞室群施工系統(tǒng)仿真研究綜合運用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計算機模擬技術(shù)、可視化面向資源建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計劃分析與優(yōu)化技術(shù)和動態(tài)演示技術(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)分析的理論與方法將整個研究工作劃分為以下4個部分。(1)首先以各個單洞與三大洞室的分別施工為研究對象，尋求各單項洞室經(jīng)濟合理的機械設(shè)備配套組合以及合理的施工工期。這一步采用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計算機模擬技術(shù)和可視化面向資源建模技術(shù)建立單洞施工循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，并通過分析計算，獲得各單項洞室的施工工期、費用以及機械設(shè)備配套等數(shù)據(jù)。（2）在通過單項洞室施工模擬分析得到各單項洞室施工工期的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)絡(luò)計劃與優(yōu)化技術(shù)，編制整個地下洞室群施工系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進度計劃，建立地下廠房系統(tǒng)施工網(wǎng)絡(luò)模型，通過施工強度優(yōu)化，合理地安排洞室群施工進度。（3）在既定的施工進度基礎(chǔ)上，從中找出若干個施工強度較大的典型時段，建立多工作面同時施工循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型，并進行地下洞室群多工作面同時施工的模擬計算分析，對既定的施工進度給予論證，獲然通擁塞情況、行車密度等重要參數(shù)。(4)采用動態(tài)演示技術(shù)研制開發(fā)出地下洞室群施工過程的二維和三維動態(tài)演示系統(tǒng)，把復雜的地下洞室群施工過程用運動著的畫面形象地描繪出來，為直觀充分地掌握了解地下洞室群施工過程提供有力的分析工具。
配合溪洛渡地下洞室群施工組織設(shè)計工作，應(yīng)用本文所提出的理論方法以及所研制發(fā)的系統(tǒng)軟件（XLD），對溪洛渡地下廠房系統(tǒng)施工問題進行了全面系統(tǒng)的研究與分析計算，為施工組織設(shè)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(yōu)化，得出了滿意方案。

1 溪洛渡地下廠房系統(tǒng)工程特征及施工通道溪
洛渡工程地下廠房系統(tǒng)由進水口、引水洞、主廠房、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(diào)壓室、尾水隧洞、廠房防滲設(shè)施及地面開關(guān)站等組成。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(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)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）[1]

圖1 溪洛渡地下洞室群施工通道布置示意
溪洛渡地下廠房系統(tǒng)三大洞室上、下游端均布置有施工通道。施工通道布置情況示意見圖1。

2 循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)與可視化面向資源建模技術(shù)
2.1 循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)　循環(huán)施工過程采用傳統(tǒng)的主導機械生產(chǎn)率方法來確定其它設(shè)備和勞動力的需求量，很難達到優(yōu)化的目的；采用一般網(wǎng)絡(luò)模型則極其繁雜，并且難以反映施工過程中某些隨機時間因素及其影響。循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)（詳見文獻[2])正是適用于循環(huán)施工過程的分析與資源優(yōu)化。通過模型的模擬計算可以計算出不同資源水平和施工組織情況下，循環(huán)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(shè)備配備數(shù)量和理想可行的工期成本施工方案。
循環(huán)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模擬屬于離散系統(tǒng)模擬，使用“模擬鐘”來體現(xiàn)“模擬時間”的運行軌跡。模擬鐘不斷地向前運行，不斷地檢查所研究的系統(tǒng)，并確定系統(tǒng)資源的流向和活動的發(fā)生與否。
2.1.1 模擬鐘　這里采用的模擬方法是“最小時鐘掃描法”。模擬過程中需配備兩個“時間表”，即事件表和順序表。當一個過程開始時記入事件表內(nèi)，當工作結(jié)束時記入順序表內(nèi)。最后一個記在順序表中的過程表示最后結(jié)束的工作過程；順序表記載的時間表示當前模擬時刻。開始令初始的模擬時刻為0，檢查有無可以開始的活動，當實施該活動所必需的全部系統(tǒng)資源均已具備投入條件時，該活動即可開始。然后根據(jù)此活動所需歷時計算其結(jié)束時間為：結(jié)束時間＝現(xiàn)在時間十歷時，并將此活動號及其結(jié)束時間記入事件表中。當不具備系統(tǒng)資源投入的條件而無新的活動開始時，將事件中最早結(jié)束的活動號及其結(jié)束時間記入順序表中，并將它從事件表中除去，模擬鐘即指到剛記入順序表的時間，活動結(jié)束后系統(tǒng)資源即被釋放。
2.1.2 統(tǒng)計鐘　為了求得施工系統(tǒng)機械設(shè)備的使用率，需對其閑置時間進行統(tǒng)計，需要設(shè)置與各機械設(shè)備相應(yīng)的統(tǒng)計鐘。當活動結(jié)束且某機械設(shè)備從活動中退出時，其相應(yīng)的統(tǒng)計鐘就打開；當該機械設(shè)備進入活動中時，相應(yīng)的統(tǒng)計鐘就關(guān)閉。統(tǒng)計鐘的開、關(guān)之間的時間即為該機械設(shè)備的閑置時間（閑置時間＝關(guān)閉時刻-打開時刻）。開始時，要打開全部的統(tǒng)計鐘，模擬結(jié)束時要關(guān)閉全部的統(tǒng)計鐘，以便計算出各機械設(shè)備在第一次投入工作以及最后一次退出使用之后的閑置時間。
2.2 可視化面向資源建模技術(shù)　可視化面向資源建

圖2 可視化面向資源建模的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
模是施工系統(tǒng)建模的一種新方法(詳見文獻[3])，它從資源的角度重新認識了施工系統(tǒng)，將施工系統(tǒng)描述為一組面向資源的進程[4]。每一資源進程與單元模型相對應(yīng)，這些單元模型的集合構(gòu)成了模型庫。建模系統(tǒng)所需的基本參數(shù)，包括資源分配、時間參數(shù)、現(xiàn)場狀況等，則由仿真數(shù)據(jù)庫獲得。通過定義能夠全面反映單元模型間關(guān)系的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，聯(lián)接模型庫的各資源進程單元模型就可以構(gòu)造出面向資源的模擬模型。圖2是可視化面向資源建模的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖�！≠Y源進程單元模型以及能夠全面反映進程間關(guān)系的聯(lián)接結(jié)構(gòu)的定義與設(shè)計是開發(fā)可視化面向資源建模系統(tǒng)的關(guān)鍵�？梢暬瘲l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。

3 溪洛渡地下洞室群施工模擬計算分析
3.1 地下洞室群單項洞室施工模擬計算分析　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用鉆爆法，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(huán)過程。在建立單項洞室施工循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型時，首先應(yīng)研究各個洞室以及各項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(shù)目，而后根據(jù)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)和可視化面向資源建模技術(shù)，在計算機輔助可視化條件下，選取施工項目所需資源進程單元模型，并確定其間聯(lián)接關(guān)系，以及從仿真數(shù)據(jù)庫中讀取與各資源進程單元模型相關(guān)的機械設(shè)備、勞動力、材料、活動持續(xù)時間、時間分布類型以及項目狀況等。這樣便建立了單項洞室施工過程的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型。
通過對單項洞室施工過程的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型進行計算機模擬分析，改變循環(huán)進尺和機械設(shè)備(如鉆機、裝載機、自卸汽車等）的數(shù)量和型號，可以得到不同組合情況下的施工工期、施工費用等參數(shù)。對于各種不同組合情況下所得到的參數(shù)進行靈敏度分析，可得到優(yōu)選方案。表1僅列出了優(yōu)化后的主廠房左岸上游工作面模擬計算成果。

3.2 地下廠房系統(tǒng)施工進度分析　基于單項洞室施工模擬計算所得的各單項洞室施工所需歷時和開挖方量，根據(jù)各洞室施工的銜接關(guān)系及相互制約條件編制了網(wǎng)絡(luò)施工進度模型。模型共有56個節(jié)點，74道工序。經(jīng)計算，左岸地下廠房系統(tǒng)施工關(guān)鍵路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(fā)電。廠房上支洞施工開始于第二年7月，第十年1月第一批機組發(fā)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(yōu)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(shè)備及勞動力數(shù)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(guān)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(yōu)化。通過軟件優(yōu)化后，得到開挖強度柱狀圖、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。
3.3 地下洞室群施工模擬計算分析　通過地下廠房系統(tǒng)施工的網(wǎng)絡(luò)進度分析及網(wǎng)絡(luò)資源均衡優(yōu)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(tǒng)為最擁擠的施工通道，有四個工作面同時進行開挖作業(yè)，第一工作面：尾調(diào)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。為分析四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行比較論證，以及運輸路線上的行車密度、排隊情況等分析，有必用循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計算機模擬技術(shù)來進行多工作面同時施工的模擬分析。
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(yè)。根據(jù)各工作面的工作順序和出碴路線情況，建立其循環(huán)網(wǎng)絡(luò)模型。從模擬計算結(jié)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(tǒng)計，四個工作面同時施工穩(wěn)定最大行車密度51輛／h，車輛排隊的機率為0.1%.經(jīng)模擬計算表明，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。
3.4 地下洞室群施工動態(tài)演示　地下洞室群施工過程是非常復雜的。通過循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計算機模擬技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)計劃分析與優(yōu)化技術(shù)，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，同時獲得了大量詳細信息。由于地下洞室群施工工序繁多，各工序之間邏輯關(guān)系復雜，快速、準確地把握現(xiàn)行方案下整個洞室群施工的全貌是比較困難的，然而動態(tài)演示技術(shù)提供了協(xié)調(diào)、組織、展示信息的途徑。利用Visual C++開發(fā)平臺開發(fā)了地下洞室群施工過程的二維和三維動態(tài)演示系統(tǒng)。
圖3和圖4分別為2003年的二維縱面和三維動態(tài)演示圖。地下洞室群施工動態(tài)演示系統(tǒng)把動態(tài)演示技術(shù)引入到地下洞室群施工系統(tǒng)分析中，以數(shù)據(jù)的直觀可視化為出發(fā)點，再現(xiàn)了當前優(yōu)化方案下地下洞室群施工過程中各工序的時間、空間和邏輯關(guān)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(tǒng)的動態(tài)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3 2003年縱面動態(tài)演示形象進度

圖4 2003年三維動態(tài)演示形象進度

4 結(jié)束語
大型地下洞室群施工過程是極其復雜的，采用科學的系統(tǒng)分析方法和先進技術(shù)手段，系統(tǒng)地研究地下洞室群施工中各方面因素，統(tǒng)籌各方面的制約關(guān)系，將洞室施工進行合理組織安排，使各洞室、工序及機械設(shè)備相互協(xié)調(diào)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常必要。大型地下洞室群施工系統(tǒng)仿真研究分為四部分進行，即：①單項洞室施工計算機模擬計算分析：②地下洞室群施工進度分析；③地下洞室群施工系統(tǒng)模擬計算分析；④地下洞室群施工動態(tài)演示。通過溪洛渡地下廠房施工系統(tǒng)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(tǒng)仿真與動態(tài)演示系統(tǒng)研究，研制開發(fā)了大型地下洞室群施工系統(tǒng)仿真軟件XLD.軟件編制過程中采用了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，較大地提高了程序開發(fā)效率及程序的可靠性。從溪洛渡地地下洞室群施工系統(tǒng)仿真計算成果來看，該軟件功能較強，能夠滿足實際需要，具有一定的通用性。
在地下洞室群施工組織設(shè)計中，過去傳統(tǒng)的設(shè)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(huán)網(wǎng)絡(luò)計算機模擬技術(shù)、可視化面向資源建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計劃分析與優(yōu)化技術(shù)及動態(tài)演示技術(shù)于一體的大型地下洞室群施工系統(tǒng)仿真理論方法，并研制開發(fā)了相應(yīng)的計算機軟件，為復雜的地下洞室群施工系統(tǒng)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(shè)計的現(xiàn)代化水平。研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景。