基于系統(tǒng)動力學的地鐵盾構施工的工期控制模型研究*

黃艷玲 顧偉紅 王挺

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中鐵六局呼和浩特鐵建公司，內蒙古 呼和浩特 010050)

0 引言

工期控制是對施工速度和施工進度的全面控制。地鐵盾構施工能否成功，關鍵在于工期的控制優(yōu)化。影響盾構施工的因素錯綜復雜，不僅包括盾構機的總推力、土艙壓力、刀盤扭矩等機械因素，也包括盾構操作人員的專業(yè)素養(yǎng)及作業(yè)班組組織模式、管理方法等人為因素。加之TBM具有同時、連續(xù)、集中的施工特點，以及施工條件的不確定性，所以建立一個工期控制優(yōu)化的模型將是一個綜合的、復雜的、動態(tài)的過程。

國內外眾多學者對盾構的性能優(yōu)配進行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。陶冶等運用SPSS軟件對盾構掘進效率的參數影響因素進行分析，討論了各個參數變化的敏感程度，并找出了影響盾構施工效率的關鍵因素，提出了盾構施工工程中掘進參數控制的合理建議[1]。于德海等通過模擬盾構施工引起的地表沉降的規(guī)律，并結合工程的實際地質情況和現場檢測的實際數據進行盾構施工的三維仿真分析，研究其對周圍土體環(huán)境的影響[2]。段曉晨等通過實例分析，深入論述了盾構掘進的工時利用率動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)建立和應用過程[3]。對于盾構參數優(yōu)化問題，雖然我國已有了相對成熟的研究成果[4-8]，但是盾構參數對于整個地鐵施工的影響是單一的，而地鐵盾構的施工控制是一個復雜的系統(tǒng)，構成因素眾多，且各個因素之間又相互關聯、相互制約，因此對單一因素作用的盾構施工進行研究是片面的，十分有必要對盾構施工的整體控制進行研究。

本文擬采用系統(tǒng)動力學進行研究。系統(tǒng)動力學可以借助計算機進行模擬，用于研究定性與定量的相關問題。它所建立的模型對于數據精度的要求不是很高，因為一個系統(tǒng)動力學模型只要所運用的因果關系是正確的，即使最終代入該模型的參數是近似值，通常也可以運行出符合實際的結果。而地鐵盾構施工過程中所記錄的數據往往是不精確的，系統(tǒng)動力學正好可以彌補這個數據的微小偏差，所以用系統(tǒng)動力學來研究地鐵盾構施工工期的控制是非常合理且科學的。

1 研究模型

1.1 系統(tǒng)動力學(SD)

系統(tǒng)動力學主要模擬系統(tǒng)的結構和功能，經常用于分析結構比較復雜的系統(tǒng)，建模過程能夠直接實現對系統(tǒng)的調查分析，并對模型進行不斷完善。模型其實就是一個工具，可以進行學習，也可以對做出的決策進行分析。SD的建模過程見表1。

表1 SD的建模過程

1.2 地鐵盾構工期優(yōu)化模型的邊界

在建模的過程中，影響其系統(tǒng)發(fā)展的因素很多，但是要讓一個模型有用，必須關注特定的問題而非試圖詳細反映整個系統(tǒng)。一個清晰的目標是成功建模最重要的因素，一個為特定目標而建立的模型會相對簡潔清楚，因為只列入涉及最終目標的相關因素。要想明確地鐵盾構工期控制模型的邊界，首先應該分析影響該模型的因素。

1.2.1 人為因素

在地鐵項目的建設過程中，不同崗位人員的管理水平、操作水平、所受培訓的程度等都會影響項目的工期。具體可分為以下幾點：

(1)盾構操作人員。在盾構的掘進過程中，操作人員的操作熟練程度、工作的時間及受教育水平等都會對TBM的工期造成一定的影響。

(2)盾構技能管理者。在TBM運作過程中，技術人員解決技術問題的能力、技術專業(yè)能力、學習能力等也會影響工程項目工期。

(3)管理人員。在工程項目管理過程中，管理人員的管理水平、處理突發(fā)事件的能力、協(xié)調能力及被信服的程度等同樣會影響工程項目的整體管理水平。

1.2.2 材料因素

在項目施工過程中，材料也在很大程度上影響著項目的進度。材料的供應與采購、材料的質量(支撐材料的質量、裝置結構的質量)、材料的保管等都將影響工程項目的質量、強度及抗震能力，從而影響工期。

1.2.3 盾構機械因素

在地鐵施工項目中，盾構機械是影響工期的最重要的因素，包括機械本身的各個機械參數及引起盾構延誤的一些因素。具體的影響因素分析如下：

(1)刀具檢查與更換。

(2)掘進時間。管片安裝及機型的選擇等。

(3)地質因素。巖石爆裂、涌水現象、危險巖石的處理等。

(4)機械故障。機械原因、皮帶輸送機故障、潤滑系統(tǒng)故障及除塵器故障等。

(5)工地的組織延誤因素。停電、出渣遇到阻礙、渣車換道、給排水不及時等。

1.2.4 管理因素

大量調查發(fā)現，管理因素在工期控制事件中占有很大的比重。地鐵項目屬于勞動密集型項目，管理因素在地鐵施工中發(fā)揮了重要的作用。管理因素具體包括：

(1)組織機構。人員的流動性、內部的協(xié)調性及信息的傳達機制。

(2)建設單位。處理突發(fā)事件的效率、配合情況、工程款的支付。

(3)監(jiān)理單位。專業(yè)水平、人員的配備情況、監(jiān)理經驗、溝通及協(xié)調能力等。

除了涉及工程本身的一些因素，環(huán)境也是影響地鐵施工的重要因素，包括自然環(huán)境和政治環(huán)境。對于該模型邊界的劃分，結合實際情況，主要考慮項目的自身結構因素，將計劃工期看作外生變量進行模型控制，去除環(huán)境等難以量化且變化概率不大的因素，界限劃分見表2。

表2 系統(tǒng)模型的邊界表

1.3 地鐵盾構工期控制模型的假設

地鐵盾構施工的工期一般比較長，涉及的影響因素復雜，很難建立一個與實際施工過程完全符合的模型，所以應該考慮理論與實際的差異，將一些特殊因素一般化。為了方便建立研究模型的本質結構，做出以下假設：

假設1：為了保證施工如期進行，施工過程中可能用到的材料和輔助的設施應按需到達施工現場。

假設2：為施工所提供的勘察及設計資料無誤，沒有因為地質勘查錯誤引起的工期延誤。

假設3：一切對地鐵盾構有影響的外部施工條件相對應比較穩(wěn)定，如盾構機類型的選擇以及企業(yè)內部的項目管理模式等不會發(fā)生重大改變。

2 地鐵盾構的工期控制模型的構建

2.1 TBM過程子系統(tǒng)

TBM施工過程是一個極其復雜的系統(tǒng)，應根據不同的工作性質，將其分解成很多小的組成部分，施工管理者可以針對這些組成部分對項目實施進度加以控制。施工過程子系統(tǒng)模型研究的就是這些細小的組成部分在系統(tǒng)中根據反饋關系隨時間累積的過程。

由于在施工過程中存在返工、機械故障等復雜的反饋系統(tǒng)，致使在實際施工中所要完成的工作量多于計劃工程量。施工過程子系統(tǒng)是整個工期控制模型的基礎，在盡量多考慮這種復雜的反饋結構的情況下，描述地鐵項目從工程開工到竣工的工程量的變化情況。施工過程子系統(tǒng)以已完成合格工作和已完成工作為存量，反映工程量隨時間的變化，如圖1所示。

2.2 人員子系統(tǒng)

人力資源也是影響模型進度的重要因素。在工程的進行過程中，進度的拖延將直接影響進度壓力，進度壓力又將影響工作強度。在工作強度的影響下，系統(tǒng)可以通過增加新員工來追趕進度，所以新員工的入職率將直接影響工程的施工速度。新員工入職后，要想立即作為一個獨立的個體完成相應的工作，需要對新員工做必要的培訓。與此同時，內部員工也可能因為各種原因離職，因此同樣需要考慮員工的離職率。進度壓力與工作強度的不斷增大也會引發(fā)員工與盾構機械的疲勞度，從而影響工作效率。人員子系統(tǒng)以新增職工人數為存量，以新入職人數與離職員工人數作為輔助變量，以此反映員工人數對工期的影響，如圖2所示。

圖1 TBM過程子系統(tǒng)模型

2.3 盾構子系統(tǒng)

在地鐵的施工過程中，盾構施工占很大的比例，盾構機械將在很大程度上影響地鐵的工期。作為一種施工機械，盾構機的參數決定其運行的效率，在不同的地質情況下，技術人員通過控制參數的變化使盾構的效率達到相對好的狀態(tài)。在盾構子系統(tǒng)中，以設計盾構參數取值作為存量，施工過程中實際的盾構參數值將以一定的調整速率接近設計值，通過找出相關的影響因素，選取相應的調整周期，使盾構機在理想狀態(tài)下施工。建立盾構子系統(tǒng)如圖3所示。

2.4 地鐵盾構施工工期控制的總模型

上文將地鐵TBM系統(tǒng)劃分為3個子系統(tǒng)，在對其進行詳細分析的基礎上分別建立了相應的工期系統(tǒng)動力學模型。但是，本文所研究的工期控制只有以地鐵TBM總系統(tǒng)為準，才能更好地體現系統(tǒng)之間的相互聯系，所以需要對所建立的模型進行聯接和融洽?？紤]到各系統(tǒng)之間的相互關系，利用系統(tǒng)動力學的仿真軟件Vensim，最終建立了地鐵TBM施工工期控制的總模型，如圖4所示。

3 實證論證

3.1 工程概況及模型設定

3.1.1 工程概況

本文擬采用成都地鐵1號線工程盾構施工為對象進行模擬仿真。經過研究分析，選定小天竺站—省體育館站為研究對象。該區(qū)段有左右線兩臺加泥式復合土壓平衡盾構機工作，左線的盾構機比右線的早開工1個月，所以選取其中的一條主線即可。本文選取左線為主要研究論證對象。

圖2 人員子系統(tǒng)模型

圖3 盾構子系統(tǒng)模型

左線全長875.364m，工程總量為412 000m3，工期總共250d，施工期間的主要人員的配備總人數為175人。在質量目標上，要求工程質量合格率為100%，確保工程質量達到優(yōu)良等級。

3.1.2 模型參數設定

根據該工程現有數據，為了方便研究，同時又能說明問題，需要對數據進行處理。結合案例實際，對進度壓力與工作強度、工作強度與人員培訓的比率等難以量化的反饋關系，用表函數來表示，將時間跨度設定為250d，仿真步長以d為單位。盾構機正常工作時間以20h工作制為標準，每天集中保養(yǎng)4h，待完成工作和計劃進度的初始值為0個單位。

3.2 仿真結果分析

將以上模型設定的各項參數代入圖4所示的地鐵TBM工期控制總模型，并利用Vensim軟件模擬TBM施工的實際運行情況。

(1)對地鐵TBM施工工期進行模擬并分析，模擬結果見圖5。從圖中可以看出實際進度與計劃工作的基本趨勢是相同的，證明所建立的模型間的組織關系是正確的。同時，由于在模型中所涉及的幾個表函數中，由于得到的資料有限，不能精確地表示它們之間的比例關系，致使模型存在一定的偏差。

(2)進度壓力的模擬結果分析如圖6所示。從圖6可以看出進度壓力的變動情況，大概在92d以后，進度壓力值降到0.45以下，此后始終保持在0.3～0.4。

(3)盾構工作時間的模擬結果分析如圖7所示。施工組織設計的設計盾構的工作時間為20h/d，在前期進度壓力的影響下盾構的工作時間比較久，隨著進度壓力趨于穩(wěn)定，盾構的工作時間也基本保持在20h/d左右。

圖4 地鐵盾構施工工期的控制模型

圖5 待完成工作與計劃完成工作對比圖

圖6 進度壓力曲線圖

圖7 盾構工作時間曲線圖

4 結語

(1)由于資料及認識不足，未能精確表示文章所涉及的表函數之間的比例關系，造成模型與實際的運行仍然有一定的偏差，但是兩條曲線相同的走向可以證明將系統(tǒng)動力學用于盾構施工的工期控制是科學合理的。通過對比各種情形下項目工期的發(fā)展情況，項目管理者可以判斷出所做的相關決策對最終工期所產生的影響，從而達到對工期動態(tài)控制的目的。

(2)地鐵盾構施工涉及的影響因素很多，雖然本文進行了詳細的影響因素分析，但是在建立模型時考慮到后續(xù)的分析難度以及控制目標，在選取相關變量時進行了相應的簡化，尤其是在定量分析部分。因此，該系統(tǒng)動力學模型對于地鐵盾構施工工期控制系統(tǒng)完整性和適用性有所不足。

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