基于系统动力学的地铁盾构施工的工期控制模型研究*

黄艳玲 顾伟红 王挺

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁六局呼和浩特铁建公司，内蒙古 呼和浩特 010050)

0 引言

工期控制是对施工速度和施工进度的全面控制。地铁盾构施工能否成功，关键在于工期的控制优化。影响盾构施工的因素错综复杂，不仅包括盾构机的总推力、土舱压力、刀盘扭矩等机械因素，也包括盾构操作人员的专业素养及作业班组组织模式、管理方法等人为因素。加之TBM具有同时、连续、集中的施工特点，以及施工条件的不确定性，所以建立一个工期控制优化的模型将是一个综合的、复杂的、动态的过程。

国内外众多学者对盾构的性能优配进行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。陶冶等运用SPSS软件对盾构掘进效率的参数影响因素进行分析，讨论了各个参数变化的敏感程度，并找出了影响盾构施工效率的关键因素，提出了盾构施工工程中掘进参数控制的合理建议[1]。于德海等通过模拟盾构施工引起的地表沉降的规律，并结合工程的实际地质情况和现场检测的实际数据进行盾构施工的三维仿真分析，研究其对周围土体环境的影响[2]。段晓晨等通过实例分析，深入论述了盾构掘进的工时利用率动态优化系统建立和应用过程[3]。对于盾构参数优化问题，虽然我国已有了相对成熟的研究成果[4-8]，但是盾构参数对于整个地铁施工的影响是单一的，而地铁盾构的施工控制是一个复杂的系统，构成因素众多，且各个因素之间又相互关联、相互制约，因此对单一因素作用的盾构施工进行研究是片面的，十分有必要对盾构施工的整体控制进行研究。

本文拟采用系统动力学进行研究。系统动力学可以借助计算机进行模拟，用于研究定性与定量的相关问题。它所建立的模型对于数据精度的要求不是很高，因为一个系统动力学模型只要所运用的因果关系是正确的，即使最终代入该模型的参数是近似值，通常也可以运行出符合实际的结果。而地铁盾构施工过程中所记录的数据往往是不精确的，系统动力学正好可以弥补这个数据的微小偏差，所以用系统动力学来研究地铁盾构施工工期的控制是非常合理且科学的。

1 研究模型

1.1 系统动力学(SD)

系统动力学主要模拟系统的结构和功能，经常用于分析结构比较复杂的系统，建模过程能够直接实现对系统的调查分析，并对模型进行不断完善。模型其实就是一个工具，可以进行学习，也可以对做出的决策进行分析。SD的建模过程见表1。

表1 SD的建模过程

1.2 地铁盾构工期优化模型的边界

在建模的过程中，影响其系统发展的因素很多，但是要让一个模型有用，必须关注特定的问题而非试图详细反映整个系统。一个清晰的目标是成功建模最重要的因素，一个为特定目标而建立的模型会相对简洁清楚，因为只列入涉及最终目标的相关因素。要想明确地铁盾构工期控制模型的边界，首先应该分析影响该模型的因素。

1.2.1 人为因素

在地铁项目的建设过程中，不同岗位人员的管理水平、操作水平、所受培训的程度等都会影响项目的工期。具体可分为以下几点：

(1)盾构操作人员。在盾构的掘进过程中，操作人员的操作熟练程度、工作的时间及受教育水平等都会对TBM的工期造成一定的影响。

(2)盾构技能管理者。在TBM运作过程中，技术人员解决技术问题的能力、技术专业能力、学习能力等也会影响工程项目工期。

(3)管理人员。在工程项目管理过程中，管理人员的管理水平、处理突发事件的能力、协调能力及被信服的程度等同样会影响工程项目的整体管理水平。

1.2.2 材料因素

在项目施工过程中，材料也在很大程度上影响着项目的进度。材料的供应与采购、材料的质量(支撑材料的质量、装置结构的质量)、材料的保管等都将影响工程项目的质量、强度及抗震能力，从而影响工期。

1.2.3 盾构机械因素

在地铁施工项目中，盾构机械是影响工期的最重要的因素，包括机械本身的各个机械参数及引起盾构延误的一些因素。具体的影响因素分析如下：

(1)刀具检查与更换。

(2)掘进时间。管片安装及机型的选择等。

(3)地质因素。岩石爆裂、涌水现象、危险岩石的处理等。

(4)机械故障。机械原因、皮带输送机故障、润滑系统故障及除尘器故障等。

(5)工地的组织延误因素。停电、出渣遇到阻碍、渣车换道、给排水不及时等。

1.2.4 管理因素

大量调查发现，管理因素在工期控制事件中占有很大的比重。地铁项目属于劳动密集型项目，管理因素在地铁施工中发挥了重要的作用。管理因素具体包括：

(1)组织机构。人员的流动性、内部的协调性及信息的传达机制。

(2)建设单位。处理突发事件的效率、配合情况、工程款的支付。

(3)监理单位。专业水平、人员的配备情况、监理经验、沟通及协调能力等。

除了涉及工程本身的一些因素，环境也是影响地铁施工的重要因素，包括自然环境和政治环境。对于该模型边界的划分，结合实际情况，主要考虑项目的自身结构因素，将计划工期看作外生变量进行模型控制，去除环境等难以量化且变化概率不大的因素，界限划分见表2。

表2 系统模型的边界表

1.3 地铁盾构工期控制模型的假设

地铁盾构施工的工期一般比较长，涉及的影响因素复杂，很难建立一个与实际施工过程完全符合的模型，所以应该考虑理论与实际的差异，将一些特殊因素一般化。为了方便建立研究模型的本质结构，做出以下假设：

假设1：为了保证施工如期进行，施工过程中可能用到的材料和辅助的设施应按需到达施工现场。

假设2：为施工所提供的勘察及设计资料无误，没有因为地质勘查错误引起的工期延误。

假设3：一切对地铁盾构有影响的外部施工条件相对应比较稳定，如盾构机类型的选择以及企业内部的项目管理模式等不会发生重大改变。

2 地铁盾构的工期控制模型的构建

2.1 TBM过程子系统

TBM施工过程是一个极其复杂的系统，应根据不同的工作性质，将其分解成很多小的组成部分，施工管理者可以针对这些组成部分对项目实施进度加以控制。施工过程子系统模型研究的就是这些细小的组成部分在系统中根据反馈关系随时间累积的过程。

由于在施工过程中存在返工、机械故障等复杂的反馈系统，致使在实际施工中所要完成的工作量多于计划工程量。施工过程子系统是整个工期控制模型的基础，在尽量多考虑这种复杂的反馈结构的情况下，描述地铁项目从工程开工到竣工的工程量的变化情况。施工过程子系统以已完成合格工作和已完成工作为存量，反映工程量随时间的变化，如图1所示。

2.2 人员子系统

人力资源也是影响模型进度的重要因素。在工程的进行过程中，进度的拖延将直接影响进度压力，进度压力又将影响工作强度。在工作强度的影响下，系统可以通过增加新员工来追赶进度，所以新员工的入职率将直接影响工程的施工速度。新员工入职后，要想立即作为一个独立的个体完成相应的工作，需要对新员工做必要的培训。与此同时，内部员工也可能因为各种原因离职，因此同样需要考虑员工的离职率。进度压力与工作强度的不断增大也会引发员工与盾构机械的疲劳度，从而影响工作效率。人员子系统以新增职工人数为存量，以新入职人数与离职员工人数作为辅助变量，以此反映员工人数对工期的影响，如图2所示。

图1 TBM过程子系统模型

2.3 盾构子系统

在地铁的施工过程中，盾构施工占很大的比例，盾构机械将在很大程度上影响地铁的工期。作为一种施工机械，盾构机的参数决定其运行的效率，在不同的地质情况下，技术人员通过控制参数的变化使盾构的效率达到相对好的状态。在盾构子系统中，以设计盾构参数取值作为存量，施工过程中实际的盾构参数值将以一定的调整速率接近设计值，通过找出相关的影响因素，选取相应的调整周期，使盾构机在理想状态下施工。建立盾构子系统如图3所示。

2.4 地铁盾构施工工期控制的总模型

上文将地铁TBM系统划分为3个子系统，在对其进行详细分析的基础上分别建立了相应的工期系统动力学模型。但是，本文所研究的工期控制只有以地铁TBM总系统为准，才能更好地体现系统之间的相互联系，所以需要对所建立的模型进行联接和融洽。考虑到各系统之间的相互关系，利用系统动力学的仿真软件Vensim，最终建立了地铁TBM施工工期控制的总模型，如图4所示。

3 实证论证

3.1 工程概况及模型设定

3.1.1 工程概况

本文拟采用成都地铁1号线工程盾构施工为对象进行模拟仿真。经过研究分析，选定小天竺站—省体育馆站为研究对象。该区段有左右线两台加泥式复合土压平衡盾构机工作，左线的盾构机比右线的早开工1个月，所以选取其中的一条主线即可。本文选取左线为主要研究论证对象。

图2 人员子系统模型

图3 盾构子系统模型

左线全长875.364m，工程总量为412 000m3，工期总共250d，施工期间的主要人员的配备总人数为175人。在质量目标上，要求工程质量合格率为100%，确保工程质量达到优良等级。

3.1.2 模型参数设定

根据该工程现有数据，为了方便研究，同时又能说明问题，需要对数据进行处理。结合案例实际，对进度压力与工作强度、工作强度与人员培训的比率等难以量化的反馈关系，用表函数来表示，将时间跨度设定为250d，仿真步长以d为单位。盾构机正常工作时间以20h工作制为标准，每天集中保养4h，待完成工作和计划进度的初始值为0个单位。

3.2 仿真结果分析

将以上模型设定的各项参数代入图4所示的地铁TBM工期控制总模型，并利用Vensim软件模拟TBM施工的实际运行情况。

(1)对地铁TBM施工工期进行模拟并分析，模拟结果见图5。从图中可以看出实际进度与计划工作的基本趋势是相同的，证明所建立的模型间的组织关系是正确的。同时，由于在模型中所涉及的几个表函数中，由于得到的资料有限，不能精确地表示它们之间的比例关系，致使模型存在一定的偏差。

(2)进度压力的模拟结果分析如图6所示。从图6可以看出进度压力的变动情况，大概在92d以后，进度压力值降到0.45以下，此后始终保持在0.3～0.4。

(3)盾构工作时间的模拟结果分析如图7所示。施工组织设计的设计盾构的工作时间为20h/d，在前期进度压力的影响下盾构的工作时间比较久，随着进度压力趋于稳定，盾构的工作时间也基本保持在20h/d左右。

图4 地铁盾构施工工期的控制模型

图5 待完成工作与计划完成工作对比图

图6 进度压力曲线图

图7 盾构工作时间曲线图

4 结语

(1)由于资料及认识不足，未能精确表示文章所涉及的表函数之间的比例关系，造成模型与实际的运行仍然有一定的偏差，但是两条曲线相同的走向可以证明将系统动力学用于盾构施工的工期控制是科学合理的。通过对比各种情形下项目工期的发展情况，项目管理者可以判断出所做的相关决策对最终工期所产生的影响，从而达到对工期动态控制的目的。

(2)地铁盾构施工涉及的影响因素很多，虽然本文进行了详细的影响因素分析，但是在建立模型时考虑到后续的分析难度以及控制目标，在选取相关变量时进行了相应的简化，尤其是在定量分析部分。因此，该系统动力学模型对于地铁盾构施工工期控制系统完整性和适用性有所不足。

[1]陶冶，周诚，秦艳.基于掘进参数分析的地铁盾构施工效率研究[J].施工技术，2016(S1)：416-421.

[2]于德海，张涛，姜男.考虑施工过程的地铁盾构仿真模拟及沉降分析[J].铁道工程学报，2015(7)：88-93.

[3]段晓晨，张小平.TBM掘进工时利用率动态优化系统研究[J].铁道学报，2000(6)：104-108.

[4]路平.基于模糊理论的盾构掘进参数对周围土体变形影响的研究[D].天津：天津大学，2014.

[5]常金贵.基于系统动力学的建设项目工期控制模型的研究[J].西安建筑科技大学学报，2015(1)：147-154.

[6]王宇静，吴清.复杂工程项目进度控制的系统动力学仿真方法的研究[D].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[7]杨世东，李如恒，凌立静.盾构工法施工进度和效率研究[J].市政技术，2011(2)：197-200.

[8]雷荣军，毕星.系统动力学在建设项目管理中的应用[J].哈尔滨理工大学学报，2004(6)：72-76.PMT