徐轶慷，肖 钰，吴 蕾，张永进

(浙江省水利水电勘测设计院，杭州 310002)

隧洞群施工进度管理与控制是一个具有实时性、动态性和随机性的复杂体系，各项施工环节紧密联系又相互限制。其施工过程受到诸多因素的影响以及潜在不确定风险的干扰，需要运用各种施工资源实现进度目标[1]。

隧洞群施工进度的影响因素包括地形地质条件、水文气象条件、施工环节多样性、施工设备数量大且规格多、施工场地狭窄、各工作面之间的协调与配合等多个方面。无论是在规划设计阶段，还是在工程施工阶段，都不易准确确定或有效控制工期。因此，国内外相关领域的研究人员和工程技术人员针对隧洞群施工进度管理与控制问题开展了丰富的研究工作。文献[2-4]分别提出或建立了隧洞群或大型地下洞室进度仿真以及仿真结果的评价与优选模型，有效推动了隧洞群施工进度仿真理论方法的发展。但是隧洞群的施工进度编制及控制是一个需要不断调整、逐步优化的过程，相关工作的重复性很强，如能将相关的理论研究成果开发为辅助决策系统，则可显著提高工作效率及进度成果的可靠性，但在这方面的相关报道并不多见。文献[5]以穿黄工程为背景，仅简单介绍了隧洞盾构施工进度仿真系统开发的基本构想。

为此，为有效促进隧洞群施工进度仿真技术的发展，本文以钻爆法施工为背景，较系统地研究隧洞群施工进度仿真系统，主要介绍进度仿真模型、仿真系统体系结构设计、仿真系统功能设计以及仿真系统在千岛湖配水工程输水隧洞群进度仿真中的应用，以期为相关工作提供参考与借鉴。

1 隧洞群施工进度仿真模型

隧洞群施工进度仿真模型是仿真系统的内核与结构基础，需要满足客观条件和实际应用的要求，以便模拟和分析施工进度系统在工程实施阶段未来时刻的状态，真实地反映实际施工过程详情。根据隧洞群钻爆法施工系统的总体特征，基于离散事件系统仿真技术、网络计划技术、循环操作网络技术等方法与理论，组建两个层面的隧洞群施工过程模拟模型，具体为宏观层面的控制层模型与微观层面的实施层模型。

在宏观层面的控制层模型中，施工工序构成隧洞群施工的基本组成单元。每一项工序由施工方案、机械设备、施工资源、技术方法和施工人员等相关信息组成，采用网络计划技术Critical Path Method网络模型进行说明，以此搭建工程施工区域的总体CPM网络模型，实现对隧洞群施工进度计划的宏观控制。

在微观层面的实施层模型中，施工活动成为工序作业的基本操作环节，每项施工活动都为宏观层面所属工序的再次分解。采用循环操作网络技术Cycle Operation Network模型对单条隧洞施工过程的测量、钻孔、装药、爆破、支护、出渣、衬砌、灌浆等施工环节进行建模，能够充分体现隧洞群施工过程循环反复的特点，并通过随机分布参数的方法处理随机因素可能带来的影响，实现对单条隧洞详细施工过程的微观描述。

在本项研究工作中，充分考虑隧洞钻爆法施工的每一项细节及其相互衔接关系，所建立的单条隧洞钻爆法施工CYCLONE实施层模型如图1所示。

图1 单条隧洞钻爆法施工CYCLONE实施层模型

2 仿真系统体系结构设计

隧洞群施工进度仿真系统是基于框架结构主干，由众多具备相对独立功能、独立体系的子系统作为枝叶共同组建并可以实现特定设计功能的完整系统。各项子系统的设定与定义充分考虑了彼此之间的主次关系与属性关系，按照相应的功能设计进行整理与归类。由此，隧洞群施工进度仿真系统细化形成工程数据库子系统，施工工艺仿真子系统，网络计划分析子系统，成果统计分析子系统与帮助子系统，其体系结构如图2所示。各项子系统之间既相对独立，又相互联系，分别用于完成预定设计用途。

图2 隧洞群施工进度仿真系统结构设计

工程数据库子系统是仿真系统的基础模块，为系统运行提供相关数据基础。施工工艺仿真子系统是模拟系统后续工作的前提和保障，从宏观层次与微观层次以数值模拟的方式再现了隧洞群施工的全过程。网络计划分析子系统是仿真系统的重要内容，分为实施方案评价选择、关键线路选取与施工进度管理控制等详细部分，针对施工工艺仿真子系统得出的模拟数据结果进行分析与比较。成果统计分析子系统把仿真结论以数据或者图表的形式显示出来，例如推荐的施工方案、准确的关键路线图、详细的施工横道图等，便于技术人员更加直观的了解施工方案。帮助子系统的作用是辅助技术人员在实际工程应用时，更好的管理和使用仿真系统发挥相应的功能。

3 仿真系统功能体系设计

3.1 工程数据库子系统

工程数据库子系统是隧洞群施工进度仿真系统的施工数据存储中心，通过数据录入界面可以录入隧洞群基本信息、爆破方案参数、机械设备型号与效率等施工所需参数，具有施工数据的输入、输出、存储、删除与修改等作用。

工程数据库子系统中数据种类较多，主要包括工程基本数据、水文气象数据、隧洞结构数据、施工机械数据、物质材料数据和其他施工参数，每一类施工数据都有相应的录入界面，便于操作使用。具体地说，工程基本数据涉及隧洞数量、隧洞长度、地形地质条件等信息，水文气象数据涉及降雨、流量、水位等信息，隧洞结构数据涉及洞室形式、断面面积等信息，施工机械数据涉及凿岩台车、梭式矿车、自卸汽车、装载机、耙渣机的效率与数量等信息，物质材料数据涉及炸药爆破性能、混凝土配合比、物资材料属性等信息，如图3所示。

图3 仿真系统工程数据库子系统

仿真系统通过工程数据库子系统输入或者修改设计方案与施工方案数据，能够实现在各种施工方案情况下的工程施工进度仿真以及进度比选，获得不同仿真参数条件下对应的施工进度计划。

3.2 施工工艺仿真子系统

施工工艺仿真子系统是隧洞群施工进度仿真系统中对工程施工全过程进行仿真模拟的模块体系。以千岛湖配水工程输水隧洞群钻爆法施工为例，单条隧洞由施工支洞和施工主洞组成，即单条隧洞施工工艺仿真由施工支洞工艺仿真和施工主洞工艺仿真组成，钻孔、爆破、支护、出渣、衬砌、灌浆等作业工序依次施工。同时，隧洞之间的衔接顺序、排列组合方式仿真等都属于施工工艺仿真子系统的功能范畴，需要真实、准确的反映出来。

根据隧洞群钻爆法施工系统解析，施工工艺仿真子系统在起始条件节点处进入模拟状态，按照洞室开挖掘进流程对爆破出渣施工、衬砌施工与灌浆施工等逐项逐环节进行仿真运行，直至在终止条件节点处结束模拟状态。施工工艺仿真子系统运算每道环节的持续时间，整个循环之和为一次循环进尺所需时间，循环时间累加之和为该项工序的持续工期。此外，起始桩号、终止桩号，已完成进尺长度、剩余进尺长度和循环次数等施工数据也随着仿真的推进而不断变化，且可以得到相关具体数据，如图4所示。

图4 仿真系统施工工艺仿真子系统

仿真系统通过施工工艺仿真子系统能够对拟定施工方案进行施工全过程模拟，获得施工方案的施工进度、施工工期以及资源消耗等信息，是仿真系统后续进一步统计分析的基础。

3.3 网络计划分析子系统

通过工程数据库子系统和施工工艺仿真子系统两个功能模块的使用，仿真系统可以模拟隧洞群在顺序实施方案、并联实施方案、混合实施方案等初步拟定的可能的施工方案的详细施工流程，如图5所示。

图5 仿真系统网络计划分析子系统

按照仿真结果数据，网络计划分析子系统的施工方案评价选择模块负责从施工工期、施工机械设备等方面比较与评价各种施工方案经济是否合理，有限的施工资源条件下能否实现快速施工，可行性程度是否较高等内容，进而选定综合条件较好、符合工程实际的施工方案。

网络计划分析子系统的施工关键线路分析模块负责从庞大的网络计划图中找出完成工程建设总时间跨度之最的路径，即为关键线路，制定施工进度计划引导实施[6]。关键线路上的每项环节都可能干扰到工程工期的正常进度，需要格外重视。同时，通过改变隧洞部分施工环节顺序、施工机械设备类型与数量等一项或者多项施工参数或者调整一些可能存在的风险参数，能够模拟这些因素对于工程工期的影响程度和影响范围，以便施工过程中及时做好应对措施。

网络计划分析子系统的施工进度管理控制模块依据得出的数据与模拟的结论，提出相应的建议与措施，保障工程建设顺利实施，实现施工进度的高效管理与实时控制。

3.4 成果统计分析子系统

根据上述相关模块的运行实施，仿真系统成果统计分析子系统负责把获得的模拟数据以合理的施工方案、准确的关键路线图与清晰的施工横道图等形式呈现出来，为技术人员提供直观的参考。

千岛湖配水工程输水隧洞群钻爆法施工进度仿真系统期望得出的模拟结论包括优选科学合理的施工方案，寻求快速准确的关键路线与制定高效有序的施工进度计划等。同时，其中也涵盖单条输水隧洞的初始开挖实施时间、施工支洞工序持续时间、施工主洞工序持续时间、施工收尾结束时间等相关的信息。考虑到千岛湖配水工程输水隧洞群施工体系控制层面所含工序较多，因而可以选取不同类型、不同时段的典型子项目作为工程代表，绘制具体图表，用于进一步的分析与研究。

成果统计分析子系统便于管理人员准确掌握工程施工系统的相关技术经济参数，制定高效的施工进度安排，达到在实际工程建设中，以较小的经济指标获得较优的工程效益的目的。

3.5 帮助子系统

仿真系统帮助子系统主要用于满足技术人员所需的使用帮助文件与程序日志的管理。

使用帮助文件有助于技术人员更好地了解和掌握仿真系统，进而更理想的应用于工程实际。而程序日志的作用是记录技术人员操作仿真系统的活动，涉及登录时间、退出时间与主要活动等内容。

4 工程应用

杭州市第二水源千岛湖配水工程是浙江省和杭州市各级决策与管理机构的重大战略决策，是有效缓解杭州市饮用水安全与需求的重大举措。

输水隧洞群线路长约113 km，作为配水工程中的关键性建筑物，本输水隧洞具有长度大、部分洞段埋深较深、沿线地形地质条件复杂、施工难度大等特点，在隧洞开挖、通风、出渣、排水、衬砌等施工方案的选择以及施工进度控制等方面的问题更为突出，选取合理可行的隧洞开挖方案、编制快速有效的施工进度是本工程建设的核心问题，对尽早发挥工程整体效益具有十分重大的意义。

按照初步设计阶段的施工总体方案，加快施工进度，千岛湖～闲林水库输水隧洞沿线共设置了32条施工支洞，如图6所示。由于隧洞进口和出口均有相应建筑物施工，为避免干扰，隧洞进口和出口不作为隧洞出渣工作面，另外隧洞沿线5个埋管出露口将作为隧洞施工出渣工作面，加上每个支洞上下游2个工作面，因此整个输水隧洞主要共有69个施工工作面。

图6 隧洞分标及支洞布置概化图

经过本工程在隧洞群施工进度仿真系统内的计算，所得的各支洞工作面承担工作内容所需要的理论时间如表1所示。

从表1的数据以及与相关的工程设计方案对比可知：①现有的施工组织设计方案在施工支洞数量上的设置是合理的，可以将工程工期控制在许可的范围内(可研阶段所批复总工期为42个月)。②工程工期控制段为画坞口支洞及其控制段，不考虑政策处理等不确定因素，其理论计算工期约为40个月(不含准备工期及扫尾工作)。考虑到实际施工过程中的不确定性与相关风险较多，在做好相关地质条件预报与应急预案的前提下，控制段施工工期基本可以满足要求。③从表1各支洞及其对应施工洞段的工期来看，可在后续的招投标阶段和施工过程中考虑优化项目的开工时序及标段的优化组合，以实现均衡施工资源投入量以及管理工作量的目的。

表1 各支洞对应施工时间 月

5 结 语

隧洞群施工过程复杂，影响与限制因素众多，不确定性及其风险因素多样，不易准确、快速制定和控制隧洞群施工进度计划。

本项研究成果“基于钻爆法的隧洞群施工进度仿真系统”采用框架结构形式，由工程数据库子系统，施工工艺仿真子系统，网络计划分析子系统，成果统计分析子系统与帮助子系统共同组成，将与隧洞群钻爆法施工作业相关的数据导入、数据导出、模拟运行、统计分析及其他功能体系有机结合为统一整体，实现了施工进度仿真与优化、施工方案仿真与优化与施工工期调整与优化等预定设计功能，强化了现场管理能力，提高了工程建设水平，为施工组织设计和施工进度实时控制提供了准确的参考数据和合理的方法措施。

本系统成果已经在杭州市第二水源千岛湖配水工程输水隧洞群中得到成功应用，有效解决了在前期规划设计阶段的进度计划制定与优化问题，为工程建设的顺利开展提供了有效的辅助决策与技术支持功能。此外，由于在系统的设计与编制中充分考虑了通用性与普适性，有望在其他采用钻爆法施工的隧洞群及地下工程中推广应用。

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参考文献：

[1] 钟登华，刘东海．大型地下洞室群施工系统仿真理论方法与应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2003：19-30．

[2] 毕 磊，钟登华，胡连兴，等.基于数据包络分析的隧洞施工仿真多方案评价与优选[J].水力发电学报，2014，33(1):234-240.

[3] 张伟波．大型地下洞室施工系统仿真及进度研究[D]．天津：天津大学，2000：58-60．

[4] 胡连兴．复杂长距离引水隧洞群施工全过程仿真优化与进度控制关键技术研究[D]．天津：天津大学，2012：64-73．

[5] 钟汉华，罗 岚，张 荣.穿黄隧洞盾构施工进度仿真系统软件开发[J].人民黄河，2008，30(10):88,90.

[6] 刘瑾瑜，吴 洁．建设工程项目施工组织及进度控制[M]．武汉：武汉理工大学出版社，2005：136-138．