地下工程循环作业网络进度优化

葛振振，吕宗亚，黄 珅

(1.解放军理工大学国防工程学院，江苏南京210007;2.江苏省方山体育训练基地，江苏南京210007)

大型地下工程施工是一项极其复杂的带有随机因素的系统，无法用数学解析模型描述。地下工程施工对于工期的要求较高，时效性较强。地下工程的施工过程是一个由多个工作组成的反复循环过程，对其施工过程的分析，如果采用一般网络模型(CPM/PERT)表示整个工程的循环施工过程相当复杂，无论从节点矢线数量、施工过程中反映的随机因素影响，还是表示的模型准确度都较难满足。循环网络仿真技术CYCLONE的提出有效地解决了这一问题，它利用排队理论和模拟技术结合至网络计划技术中，模拟循环施工过程和随机时间，实现了整个循环施工过程的反映。

地下工程在施工过程中，往往涉及到不同的施工方法。某地下工程施工中使用三种施工方案，分别为方案Ⅰ为人工钻爆法，方案Ⅱ一台三臂凿岩车作业，方案Ⅲ两台三臂凿岩车同时作业。分别比较三种施工方案的施工作业时间进行进度优化。

1 地下工程施工系统分解与协调

地下工程施工是一个极其复杂的系统，对于整个过程的分析，可以利用系统分解协调原理，将这个系统分解为目标相对单一的子系统。通过工程施工进度计划将子系统整合成完整的系统。利用这种分解和整合，更容易把握和控制一个内部结构复杂的系统。

地下工程的开挖施工主要采用钻爆法。钻爆法开挖地下工程实质上是一个反复循环的过程，每次掘进工作面都大约按炮孔深度的尺寸向前推进，一次作为一个循环。本文主要研究地下工程全断面一次开挖法，施工工序:施工准备→超前地质预报→测量放样→钻孔→装药→起爆→通风排烟→清除危石→爆破检查→装渣运输→初期支护→监控量测→下个施工循环。

每个工序的施工时间控制是及其重要的，工序之间的衔接和安排也是施工进度控制非常重要的环节。本文主要讨论不同钻爆法对施工进度的影响研究，并且考虑到施工平行工序的关系，确定关键工序为钻孔、装药、爆破(包括爆破设计、点火爆破、排烟通风)、装渣运输，其他为辅助工序(图1)。

2 地下工程施工进度分析

地下工程开挖过程中，单位时间内的开挖进尺就是施工进度，分析单个循环可得:进度B(T)=单个循环作业长度/单个循环作业时间

在上式中，单个循环时间T包括循环之间的衔接时间，初期支护等平行施工的工作时间在施工过程分析中不作考虑。国防工程施工的循环时间按钻爆法工序分解为钻孔时间、装药时间、通风时间、辅助作业时间及装渣运输时间。所以各个工序的时间总和记为单个循环时间。假定一个循环的时间T，钻孔时间为t1，装药时间为t2，起爆和通风时间为t3，装渣运输时间为t4，其他时间为t5。得出T的公式为:

(3)起爆和通风时间t3。t3=15～30 min;

(5)其他时间t5。这段时间应包括在开挖断面设置钻孔和装运石渣机械与清除爆破危石的时间，及施工过程中时间损失等，根据实际情况计算。

图1 地下工程钻爆法循环网络模型

3 不同钻爆法施工进度对比

3.1 方案Ⅰ施工进度

方案Ⅰ为人工钻爆法，利用风动凿岩台车钻孔，综上分析，方案Ⅰ人工钻爆法单个循环各工序时间如表1。

表1 方案Ⅰ单个循环时间

通过表1可知，钻孔和装渣运输是工程施工单个循环最耗时的工序。在本方案Ⅰ中，人工钻爆法的钻孔这一工序耗时最多，增加了单个循环施工的时间，从而影响了整个国防工程施工的进度。

3.2 方案Ⅱ施工进度

方案Ⅱ为一台三臂凿岩车作业(单车开挖)，综上分析，方案Ⅱ单台车钻孔爆破法单个循环各工序时间如表2。

表2 方案Ⅱ单个循环时间

通过表2可知，钻孔和装渣运输仍然是关键工序，方案Ⅱ采用三臂凿岩车，其钻孔工序所花费时间明显比方案Ⅰ少，从而缩短了单个循环时间，加快了整个工程的施工进度。

3.3 方案Ⅲ施工进度

方案Ⅲ为两台三臂凿岩车同时作业，该工程利用无轨道运输运渣，两台装载机装渣，多台自卸卡车运输，自卸卡车的数量随着循环进尺的推进而增加，以满足施工进度为准。根据现场情况，装渣运输时间为t8=175 min。综上分析，方案Ⅲ两台车钻孔爆破法单个循环各工序时间如表3。

表3 方案Ⅲ单个循环时间

通过表3可知，钻孔和装渣运输是影响循环施工时间的主要因素，方案Ⅲ采用两台三臂凿岩台车作业，钻孔耗时比人工钻孔和单台车作业大大减少。单个循环时间分析中，人工钻爆耗时10.5 h，单凿岩台车耗时9.68 h，双凿岩台车协同耗时8.1 h，均有较大缩减。

3.4 单个循环不同钻爆法时间对比

根据上述计算，方案Ⅰ人工钻爆法单循环施工时间为10.5 h，方案Ⅱ单凿岩台车单循环施工时间为9.68 h，方案Ⅲ两凿岩台车单循环施工时间为8.1 h。单个循环施工时间:方案Ⅰ ＞方案Ⅱ ＞方案Ⅲ。

根据现场1 000个循环施工时间统计，整理出每个施工循环的时间，并进行方案对比，见表4。

表4 三种不同钻爆方法的循环施工时间

通过现场统计的分析，方案Ⅰ比方案Ⅱ耗时少1.8 h，方案Ⅲ比方案Ⅱ耗时少3.7 h。单个循环时间:方案Ⅱ＞方案Ⅰ＞方案Ⅲ。

综上述理论计算和现场统计的循环时间分析，方案Ⅱ虽然采用凿岩台车施工，但是并没有发挥其机械化的优势，其作业效率与现场管理及操作人员的熟练水平有直接影响，所以现场的实际统计时间比计算时间要长，具体实施效果不如方案Ⅰ的人工钻爆法。方案Ⅲ为单个循环最优方案。

4 循环作业仿真网络模拟

根据地下工程钻爆施工循环网络模型，采用C++Build编程，模拟循环过程20次得到模拟计算结果，如表5所示。

表5 不同钻爆法循环模拟

由模拟结果可知，工期由高到低排序:方案Ⅱ﹤方案Ⅰ﹤方案Ⅲ。最佳工期方案为方案Ⅲ，两台凿岩台车协同施工，其次为人工钻爆法，最后为单凿岩台车施工。

统计记录某地下工程施工过程，比较不同钻爆法进度，统计如表6。

表6 不同钻爆法进度

通过表6可知不同钻爆方法的施工进度，比较每天循环次数、每天循环进尺、每循环进尺，分析进度的优劣顺序。由高到低排序:每天循环数，方案Ⅲ＞方案Ⅰ＞方案Ⅱ;每天进尺，方案Ⅲ＞方案Ⅰ＞方案Ⅱ;每循环进尺，方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ。所以最优方案为两台凿岩台车协同施工，其次为人工钻爆法，最后为单凿岩台车施工。

5 结束语

(1)利用网络计划技术，对地下工程的施工过程进行分解和整合，分解为钻孔、装药、爆破(包括爆破设计、点火爆破、排烟通风)、装渣运输，其他为辅助工序。并对各个工序进行进度分析。

(2)根据分解工序进度分析方法，对某地下工程的三种施工方案:方案Ⅰ人工钻爆法、方案Ⅱ一台三臂凿岩车单独作业、方案Ⅲ两台三臂凿岩车作业进行的施工进行进度分析，得出方案Ⅲ＞方案Ⅱ＞方案Ⅰ。

(3)利用循环作业仿真网络，对某地下工程的三种施工方案:人工钻爆法、一台三臂凿岩车单独作业、两台三臂凿岩车作业进行模拟，得出方案Ⅲ＞方案Ⅰ＞方案Ⅱ。

(4)综合比较分析分解计算、循环作业仿真网络模拟、现场统计数据，指出施工中存在的问题，为缩短工期提供依据。

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