基于系統(tǒng)動力學的TBM隧道施工效率研究

顧偉紅，劉振奎，郝偉

基于系統(tǒng)動力學的TBM隧道施工效率研究

顧偉紅，劉振奎，郝偉

(蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

為分析TBM隧道項目施工效率，建立TBM項目施工組織管理系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學模型，對TBM隧道項目施工效率進行模擬。對影響TBM施工效率的組織管理因素進行分析，確立系統(tǒng)模型邊界，該管理系統(tǒng)包括TBM施工作業(yè)面掘進支護、洞口材料準備和長線單軌運輸供料3個子系統(tǒng)。運用系統(tǒng)動力學方法建立系統(tǒng)因果關系圖，2條主要因果回路：一條反映運輸保障及TBM生產對隧道生產率的影響，另一條反映隨著開挖長度增加，列車單程運輸時間增加對隧道生產率的影響。用系統(tǒng)流程圖反映各類變量間的量化關系，建立TBM生產率、列車生產率和隧道生產率等主要變量的數(shù)學關系式。結合新疆某引水隧洞工程進行模型參數(shù)設置并進行模擬仿真，預測實例項目TBM掘進段的計劃工期，并與項目實際工期進行對比。嘗試用系統(tǒng)動力學方法進行TBM項目施工效率模擬，可為本項目及同類長隧洞TBM施工管理提供決策借鑒。

TBM隧道施工項目；系統(tǒng)動力學；系統(tǒng)仿真；隧道生產率；列車生產率

全斷面巖石隧道掘進機TBM(Tunnel Boring Machine)是專門用于地下隧道工程開挖施工的高科技施工設備，它采用機械式破巖，集隧道施工開挖、出碴、初期支護、通風除塵、鋪設隧道軌線及風水電延伸于一體，具有高效、快速、安全的優(yōu)勢，實現(xiàn)了長大隧道施工的工廠化作業(yè)。由于多道工序在同一時間內平行作業(yè)，各工序相互配套、相互影響，緊密銜接，它的工作效率一方面取決于設備完好率，另一方面主要取決于工程地質情況和現(xiàn)場施工組織管理水平。TBM在長大隧道施工中優(yōu)勢顯著，具有良好的經濟和社會效益，既能實現(xiàn)快速掘進，又具有施工擾動小，不存在欠挖，支護及時，改善施工環(huán)境、降低隧道工人施工勞動強度等優(yōu)點。但當單條隧洞長度超過20 km，隧洞的風、水、電供應系統(tǒng)加長,沿線損失也加大；出渣距離增加, 材料在隧洞內運距加長；設備故障頻率也增加；同時為隧洞施工輸送人力、物力的時間也增加，其結果必將降低隧洞的施工生產效率。本文研究如何通過優(yōu)化施工組織，提高TBM設備在長隧洞施工中的工作效率。

1 國內外研究現(xiàn)狀

MAO等[1]整合精益理論和計算機仿真進行施工過程流程再造研究，將TBM隧道項目實例的作業(yè)分類為主要活動和輔助活動，對其進行合理化設計，并借助計算機仿真分析其流程再造效果。Markus等[2]建立TBM隧道施工現(xiàn)場后勤管理系統(tǒng)的離散仿真模型，對不同后勤供應方案進行模擬，分析方案對縮短工期的影響。Mohammad等[3]用系統(tǒng)動力學方法分析TBM隧道項目的材料運輸和仰拱生產供應，并通過模型仿真分析結果來指導現(xiàn)場施工組織決策；鐘登華等[4]進行基于三維地質模型的TBM施工動態(tài)可視化仿真；LIU等[5]建立TBM施工過程柔性循環(huán)網(wǎng)絡模型，計算隧洞TBM施工工期及其不確定性，分析地質風險對進度的影響程度。唐志林等[6]對TBM施工作業(yè)系統(tǒng)各工序間的合理關系進行研究，對TBM施工管理主要內容、方法和措施深入分析，提出建立TBM施工作業(yè)分析決策系統(tǒng)來提高TBM掘進工時利用率。林長杰等[7]以遼寧大伙房輸水工程特長隧洞項目建設為實例研究特長隧洞 TBM 施工組織管理技術，該項目創(chuàng)造TBM 掘進最高月進尺1 111 m，最高日進尺63.5 m和平均月掘進作業(yè)利用率40.2%的記錄。Fernando等[8]運用仿真軟件對3個TBM隧道項目進行計劃模擬，評估了不同施工方法對項目工期及資源利用的影響，不同運輸配置對成本節(jié)約的影響，及如何滿足工期要求來開展項目計劃。安清 泉[9]分析了厄瓜多爾最長引水隧洞CCS輸水隧洞的設備維修保養(yǎng)、施工管理、勞動組織，強調通過科學管理提高TBM大型機械化施工的優(yōu)勢。Mohammad等[10]應用風險矩陣法進行地質分析，預測TBM隧道的掘進速度。段曉晨等[11]研究西康鐵路秦嶺隧道TBM掘進工時利用率動態(tài)優(yōu)化；周占勝[12]研究水工超長隧洞TBM施工方法；王曉玲 等[13]進行輸水隧洞TBM施工工期全局綜合敏感性分析；顧偉紅等[14]進行了TBM施工項目施工定額測定的研究。上述國內外學者的研究在TBM工時效率的提高，TBM施工進度的不確定性分析，TBM施工組織對工期的影響等方面均取得了一定的研究成果。但對TBM施工參數(shù)準確地量化分析還需進一步加強。本文基于已有的TBM施工管理問題研究基礎，探討將其作為動態(tài)系統(tǒng)，運用系統(tǒng)工程方法、借助計算機仿真手段進行要素影響關系的量化研究，為提高TBM施工效率相關決策提供支持。

2 TBM施工組織的特點分析

為使所建模型反映TBM施工管理特征，先對TBM施工項目的組織特點進行分析。TBM隧道施工與傳統(tǒng)鉆爆法施工的不同在于它的工效以機器的工效來決定，其施工是以TBM掘進作業(yè)為核心,以掘進、支護、出渣運輸為主要作業(yè)，通風、供電、供水、排水等為輔助作業(yè)進行的[15]。TBM施工組織呈現(xiàn)3個基本的特點:協(xié)調性、連續(xù)性和密集性。協(xié)調性體現(xiàn)在各子系統(tǒng)間工序工作的銜接配合上；連續(xù)性指TBM掘進循環(huán)由開挖、出渣、運輸、支護、TBM換步、激光定位、通風除塵、風水電管路及軌道延伸等工序組成；施工中應統(tǒng)一指揮系統(tǒng),協(xié)調好洞內外各工序的關系，保證施工的連續(xù)性。密集性則體現(xiàn)在工序作業(yè)密集和技術密集2個方面。這種工廠化的施工生產管理，既要對宏觀大系統(tǒng)的作業(yè)序列進行協(xié)調組織，也要對微觀單項作業(yè)的時間、質量進行有效控制。

本文通過對TBM施工“掘進—出渣—運輸”、“運輸—支護—掘進”2個基本作業(yè)過程的調研，重點分析支護系統(tǒng)、運輸保障系統(tǒng)的作業(yè)組織及時間耗費對TBM生產率的影響，分析運輸組織的列車編組數(shù)量、單程道岔等待時間對施工效率的直接影響，這些影響隨著隧道開挖長度的加深越發(fā)顯著。探討如何通過合理安排、協(xié)調工序，縮短材料運輸、支護等輔助作業(yè)時間，減少道岔等待時間，并避免掘進進程中斷，以確保TBM施工效率。

3 TBM施工效率的系統(tǒng)動力學SD(System Dynamic)模型

系統(tǒng)動力學方法是一種專門解決高階次、非線性和時變的復雜大系統(tǒng)問題的方法[16]，它在解決復雜大系統(tǒng)問題上具有很強的優(yōu)越性。SD的工作思路是用幾個繪圖工具來表達動態(tài)系統(tǒng)結構和反饋關系，主要用因果回路圖表達變量之間的相互影響和反饋，用存量流量圖建立變量之間的數(shù)學關系，建立DYNAMO方程在Vensim__PLE等軟件平臺進行系統(tǒng)模擬。

3.1 模型的邊界

本文運用系統(tǒng)動力學方法來研究TBM工作效率問題，研究的目的是通過建立TBM項目施工組織管理的系統(tǒng)模型，反映施工組織管理對TBM生產率、隧道生產率的影響，幫助現(xiàn)場管理人員決策，更好地提高TBM隧道生產率，提升TBM項目管理水平。為了達到這一研究目的，而又不使所建模型太過復雜，僅將對TBM隧道生產率影響較大的組織因素納入到研究模型中，來確立模型邊界。具體來說，本文研究TBM施工中作業(yè)面掘進支護、洞口材料準備，長線單軌運輸供料3個子系統(tǒng)的相互配合及其對隧道生產率的影響。

3.2 因果關系圖

系統(tǒng)動力學分析用因果回路圖表示系統(tǒng)反饋結構，因果回路圖包含多個變量，變量之間由標出因果關系的箭頭連接。因果鏈具有極性，具體反映某獨立變量變化時，相關變量會如何隨之變化。

針對TBM施工管理系統(tǒng)的特點，結合項目實地調研，詳細分析圖1子系統(tǒng)包含的各因素之間的相互關系，可以得到系統(tǒng)的因果關系圖，如圖2所示。各因素相互作用形成有兩條極性為負的主要因果鏈，因果鏈1：列車數(shù)?道岔等待時間?列車一個循環(huán)時間?列車生產率?隧道生產率?進程中斷?增加列車，極性為負，反映運輸保障及TBM生產對隧道生產率的影響。因果鏈2：道岔等待時間?列車一個循環(huán)時間?列車生產率?隧道生產率?開挖長度?單程時間，極性為負，反映隨著開挖長度增加，列車單程運輸時間增加對隧道生產率的影響。

圖1 TBM施工管理系統(tǒng)模型邊界

3.3 系統(tǒng)流程圖

在因果關系圖基礎上對系統(tǒng)進行更深入和細致的描述的工具是系統(tǒng)流程圖，它既能清楚地反映系統(tǒng)要素之間的邏輯關系，還能進一步明確系統(tǒng)中各變量的性質與量化關系，從而刻畫系統(tǒng)的反饋與控制過程[16]。

將系統(tǒng)中的所有變量進行分類(如狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量、常量和外生變量)，分析這些變量之間的確切數(shù)量關系并利用系統(tǒng)動力學語言描述出來，建立TBM項目管理的系統(tǒng)動力學模型，如圖 3 所示。

圖2 TBM施工管理系統(tǒng)因果關系圖

圖3 TBM施工管理系統(tǒng)系統(tǒng)流程圖

TBM項目施工組織管理系統(tǒng)有3個狀態(tài)變量：列車數(shù)、開挖長度和剩余隧長；2個速率變量：附加列車和隧道生產率；主要輔助變量有：TBM生產率、列車生產率。TBM生產率反映每天完成多少米掘進，TBM生產率、列車生產率是影響隧道生產率的主要因素；當列車生產率小于TBM生產率，生產進程中斷，需附加車輛滿足材料供應。

水準變量體現(xiàn)了流量的積累，速率變量、輔助變量常用代數(shù)運算關系來表達決策活動，其余常量依據(jù)具體項目的施工組織來確定其參數(shù)值[17]。掌子面活動周期指每循環(huán)進尺掘進支護的時間；列車一個重復循環(huán)時間包括洞口備料時間、掌子面活動周期、往返道岔等待時間和往返運輸時間。

循環(huán)進尺、列車一個重復循環(huán)時間、掌子面活動周期、洞口活動周期等因素影響列車生產率；循環(huán)進尺、掌子面活動周期及TBM每日掘進時間是影響TBM生產率的主要因素。

4 實例分析

4.1 項目概況

新疆某引水隧洞地處低山區(qū)內，總長92.35 km，縱坡1/5 000，隧洞近東西向方位角直線布置，埋深65~300 m，最大埋深295 m。沿線地面海拔高程775~1 000 m，地形起伏不大，相對高差一般5~35 m，局部最大高差達55 m，隧洞穿過石炭系、泥盆系和華力西期3大地層，屬地下水貧水區(qū)。隧洞前部圍巖條件較好，采用1臺開敞式TBM施工，開挖洞徑5.5 m，其他洞段均采用鉆爆法施工。TBM施工分2段進行，1段通過主洞連續(xù)皮帶機出渣，鋪設單線軌道，局部設置道岔進行材料運輸；2段轉移皮帶機通過支洞出渣，材料運輸從支洞先無軌運輸至檢修洞室，暫時存放或者直接轉載到有軌運輸車上，運輸?shù)絋BM。在長距離單線運輸條件下，保證施工材料的供應是確保TBM施工效率的組織管理重點問題。

4.2 參數(shù)設置

以實例TBM1段的開挖為例，根據(jù)現(xiàn)場施工組織情況，進行模型參數(shù)設定、建立變量數(shù)學關系式并進行隧道生產率模擬仿真計算。表1為TBM施工管理系統(tǒng)變量列表。

其中，TBM生產率按每天掘進20 h計算。列車生產率計算中，一次循環(huán)供應2個循環(huán)進尺的材料。單程道碴等待時間按每4 km設置一處道岔[18]計算，為道岔數(shù)。

TBM1段施工總長度9 045.307 m，其中鉆爆法施工234 m，TBM 施工8 811.307 m。TBM 施工部分設計圍巖分布順序及作業(yè)參數(shù)見表2，TBM 施工先經過3 974.752 m的Ⅱ和Ⅲ類圍巖，再經過373.901 m的Ⅳ類圍巖，再穿過4 462.654 mⅡ和Ⅲ類圍巖。TBM循環(huán)進尺1.8 m，軌道列車平均速度13.5 km/h，單線軌道設置一處道岔。TBM日工作時間為20 h，其余為整備時間、刀具檢查時間和其他各種可能引起的停機時間。

表1 TBM施工管理系統(tǒng)變量

表2 設計圍巖分布順序及相關作業(yè)參數(shù)

注：1) 從左至右為隧洞入口進入方向；2) 掘進?循環(huán)時間即為掌子面活動周期參數(shù)，洞口裝料時間即為洞口活動周期參數(shù)；3) Ⅱ和Ⅲ類圍巖因上述參數(shù)相近，在模擬計算時合并；Ⅳ和Ⅴ類圍巖同。

4.3 系統(tǒng)仿真

實例模型的相關參數(shù)設定后，利用Vensim軟件進行模擬運行，得到不同圍巖下隧道TBM施工效率仿真圖，分別反映隧道生產率、剩余隧長、列車數(shù)、道岔等待時間等變量隨時間的變化。圖4所示為第1段Ⅱ和Ⅲ類圍巖施工模擬結果，掘進長度3 974.752 m，需116 d，最大日進尺39.27 m，最小日進尺21.45 m。隧道生產率隨著開挖長度逐漸下降。需準備列車編組3列，列車往返道岔等待時間為71 min。

Ⅳ和Ⅴ類圍巖373.901 m，仿真結果：計劃時間需13 d，日最大掘進進尺27 m/d，最小日掘進進尺26.7 m/d，列車編組3列，道岔等待時間71 min。圖5所示為第1段Ⅳ和Ⅴ類圍巖施工模擬結果。

(a) 剩余遂長：Cur；(b) 遂道生產率：Cu；(c) 道岔等待時間：C；(d) 列車數(shù)：Curr

(a) 剩余遂長；(b) 遂道生產率

第2部分Ⅱ和Ⅲ類圍巖4 462.654 m，仿真結果：計劃工期需231 d，日最大掘進進尺25.5 m/d，最小日進尺17.68 m/d，列車3列，最長道岔等待時間71 min。圖6所示為TBM第1段第2部分Ⅱ和Ⅲ類圍巖施工模擬結果。

圖6 第1段第2部分Ⅱ和Ⅲ類圍巖TBM掘進仿真圖

綜上，TBM1段施工8 811.307 m，計劃時間116+13+231=360 d，需準備3列編組列車供應材料。項目第1段TBM生產實際工期367 d，模型模擬結果與實際擬合良好。

在實際應用中，若項目進展圍巖情況發(fā)生變化，需改變支護形式，模型可依據(jù)各類圍巖變更比例，通過模擬計算，調整工期計劃值。

5 結論

1) 運用系統(tǒng)動力學方法建立了隧道施工生產率的量化模型；對影響隧道施工效率的組織管理因素及其相互關系進行了定量化分析。

2) 對新疆某引水隧洞實例項目，進行實際參數(shù)選擇，進行系統(tǒng)動力學模型仿真模擬，預測出TBM施工1段的掘進計劃工期和需編組列車數(shù)量。

3) 進一步運用模型可分析洞口備料時間變化、圍巖條件變化等對TBM隧道施工生產率的影響，指導施工決策。

4) 后續(xù)研究可將出渣皮帶機故障率因素、TBM設備完好率因素等納入管理系統(tǒng)全面考慮TBM施工管理系統(tǒng)的效率。

[1] MAO Xiaoming, ZHANG Xueqing. Construction process reengineering by integrating lean principles and computer simulation techniques[J]. Journal of Construction Engineering and Management, 2008(5): 371? 381.

[2] Markus Scheffer, Tobias Rahm, Markus Konig. Simulation-based analysis of surface jobsite logistics in mechanized tunneling[J]. Computing in Civil and Building Engineering ?ASCE, 2014: 705?712.

[3] Mohammad Mahdi Farshchian, Gholamreza Heravi. Construction processes planning of TBM tunnel projects: A system dynamics approach[J]. Construction Research Congress 2012, 2012: 1202?1211.

[4] 鐘登華, 宋海良, 王帥. 基于三維地質模型的TBM 施工動態(tài)可視化仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2008, 20(20): 5548?5552 ZHONG Denghua, SONG Hailiang, WANG Shuai. Dynamic visual simulation of TBM construction based on 3-D geological model[J]. Journal of System Simulation, 2008, 20(20): 5548?5552.

[5] LIU Donghai, XUAN Peng, LI Shuai, et al. Schedule risk analysis for TBM tunneling based on adaptive cyclone simulation in a geologic uncertainty–aware context[J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2015, 29(6): 1?12.

[6] 唐志林, 楊景輝, 陳鐵仁. TBM施工組織管理技術[J].水利水電技術, 2006, 37(5): 80?82. TANG Zhilin, YANG Jinghui, CHEN Tieren. TBM construction organization management technology[J]. Water and Hydropower Technology, 2006, 37(5): 80?82.

[7] 林長杰, 李光波. 特長隧洞TBM施工組織管理技術的研究與實踐[J]. 水利建設與管理, 2011(12): 61?65. LIN Changjie, LI Guangbo. Research and practice on TBM construction management technology of long tunnel[J]. Water Conservancy Construction and Management, 2011(12): 61?65.

[8] Fernando S, Er K C, Mohamed Y. A review of simulation applications for varying demands in tunneling[C]// Construction Research Congress, Hawaii, 2003: 1?10.

[9] 安清泉. TBM隧洞項目中的設備、施工及勞動組織管理[J]. 四川水力發(fā)電, 2014, 33(4): 55?59. AN Qingquan. Equipment, construction and labor organization management in the TBM tunnel project[J]. Sichuan Hydropower Generation, 2014, 33(4): 55?59.

[10] Mohammad Reza Moradi, Mohammad Ali Ebrahimi Farsang. Application of the risk matrix method for geotechnical risk analysis and prediction of the advance rate in rock TBM tunneling[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 47(5): 1951?1960.

[11] 段曉晨, 張小平. 西康鐵路秦嶺隧道TBM掘進工時利用率動態(tài)優(yōu)化[J]. 鐵道學報, 2000, 22(6): 104?108. DUAN Xiaochen, ZHANG Xiaoping. Research on dynamic optimized system of increasing constantly the TBM boring operation rate[J]. Journal of the China Railway Society, 2000, 22(6): 104?108.

[12] 周占勝. 水工超長隧洞TBM施工方法[D]. 南京: 河海大學, 2006. ZHOU Zhansheng. Study on the long tunnel construction [D]. Nanjing: Hohai University, 2006.

[13] 王曉玲, 趙夢琦, 洪坤, 等. 輸水隧洞TBM施工工期全局綜合敏感性分析[J]. 天津大學學報(自然科學與工程技術版), 2015, 48(7): 569?577. WANG Xiaoling, ZHAO Mengqi, HONG Kun, et al. Global comprehensive sensitivity analysis of water conveying tunnel TBM construction duration[J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2015, 48(7): 569?577.

[14] 顧偉紅, 王恩茂, 張文達. 鐵路隧道工程TBM施工定額編制研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2015, 12(6): 1500?1506. GU Weihong, WANG Enmao, ZHANG Wenda. Research on quota compilation for TBM construction in railway tunnel project[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12(6): 1500?1506.

[15] 汪應洛, 系統(tǒng)工程[M]. 4版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008: 82?85. WANG Yingluo. Systems engineering[M]. 4th ed. Beijing: Machinery Industry Press, 2008: 82?85.

[16] 鐘永光, 賈曉菁, 錢穎. 系統(tǒng)動力學[M]. 2版.北京: 科學出版社, 2013: 94?95. ZHONG Yongguang, JIA Xiaojing, QIAN Ying. System dynamics[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 2013: 94?95.

[17] 王其藩. 系統(tǒng)動力學[M]. 2版. 上海:上海財經大學出版社, 2009: 32?34. WANG Qifan. System dynamics[M]. 2nd ed. Shanghai: Shanghai University of Finance and Economics Press, 2009: 32?34.

[18] 彭仕國, 宋占波, 韓利民. 全斷面巖石隧道掘進機應用技術指南[M]. 天津: 天津大學出版社, 2015: 154?158. PENG Shiguo, SONG Zhanbo, HAN Limin. Guide for the application of full-section rock tunnel boring machine [M]. Tianjin: Tianjin University Press, 2015: 154?158.

[19] 劉泉聲, 劉建平, 潘玉叢, 等. 硬巖隧道掘進機性能預測模型研究進展[J]. 巖石力學與工程學報2016, 35(增1): 2767?2786. LIU Quansheng, LIU Jianping, PAN Yucong, et al. Research advances of tunnel boring machine performance prediction models for hard rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(Suppl 1): 2767?2786.

Study on construction efficiency of TBM tunnel based on system dynamics

GU Weihong, LIU Zhenkui, HAO Wei

(School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to analyze the construction efficiency of TBM tunnel, this paper established the system dynamics model of TBM project construction organization management system and simulates the construction efficiency of TBM project. First of all, this paper analyzed the factors in organization aspect which affect the efficiency of TBM construction and clears the boundary of model. The system consists of three subsystems: tunneling and excavation supporting on TBM working face, the material preparation in tunnel portal, single-line track transportation for long distance. Then using system dynamics method, it established causality diagram to reflect two causal loops. One reflected the influence which transportation and TBM productivity act on to tunnel productivity. Another reflected train travel time of one-way increase effects productivity of the tunnel with the increase of excavation length. And then, the flow chart was used to reflect the quantitative relationship between different types variables, and the main variables including TBM productivity, train productivity and tunnel productivity were established. Finally，it defined model parameter value and simulate model combining a diversion tunnel in Xinjiang and predict planned project duration of TBM construction section. In addition, the simulation results were compared with the actual construction period. In this study, the system dynamics method was used to simulate the TBM construction efficiency, which can provide decision-making reference for TBM construction management both in the project and in similar long tunnel.

TBM tunnel project; system dynamics; system simulation; tunnel productivity; train productivity

N945.1

A

1672 ? 7029(2019)07? 1849 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.032

2018?10?08

國家自然科學基金資助項目(NSFC:51668037)

顧偉紅(1975?)，女，江蘇蘇州人，副教授，從事地下工程系統(tǒng)分析與優(yōu)化研究；E?mail：Lzgwh@163.com

(編輯 蔣學東)