基于系统动力学的TBM隧道施工效率研究

顾伟红，刘振奎，郝伟

基于系统动力学的TBM隧道施工效率研究

顾伟红，刘振奎，郝伟

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

为分析TBM隧道项目施工效率，建立TBM项目施工组织管理系统的系统动力学模型，对TBM隧道项目施工效率进行模拟。对影响TBM施工效率的组织管理因素进行分析，确立系统模型边界，该管理系统包括TBM施工作业面掘进支护、洞口材料准备和长线单轨运输供料3个子系统。运用系统动力学方法建立系统因果关系图，2条主要因果回路：一条反映运输保障及TBM生产对隧道生产率的影响，另一条反映随着开挖长度增加，列车单程运输时间增加对隧道生产率的影响。用系统流程图反映各类变量间的量化关系，建立TBM生产率、列车生产率和隧道生产率等主要变量的数学关系式。结合新疆某引水隧洞工程进行模型参数设置并进行模拟仿真，预测实例项目TBM掘进段的计划工期，并与项目实际工期进行对比。尝试用系统动力学方法进行TBM项目施工效率模拟，可为本项目及同类长隧洞TBM施工管理提供决策借鉴。

TBM隧道施工项目；系统动力学；系统仿真；隧道生产率；列车生产率

全断面岩石隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)是专门用于地下隧道工程开挖施工的高科技施工设备，它采用机械式破岩，集隧道施工开挖、出碴、初期支护、通风除尘、铺设隧道轨线及风水电延伸于一体，具有高效、快速、安全的优势，实现了长大隧道施工的工厂化作业。由于多道工序在同一时间内平行作业，各工序相互配套、相互影响，紧密衔接，它的工作效率一方面取决于设备完好率，另一方面主要取决于工程地质情况和现场施工组织管理水平。TBM在长大隧道施工中优势显著，具有良好的经济和社会效益，既能实现快速掘进，又具有施工扰动小，不存在欠挖，支护及时，改善施工环境、降低隧道工人施工劳动强度等优点。但当单条隧洞长度超过20 km，隧洞的风、水、电供应系统加长,沿线损失也加大；出渣距离增加, 材料在隧洞内运距加长；设备故障频率也增加；同时为隧洞施工输送人力、物力的时间也增加，其结果必将降低隧洞的施工生产效率。本文研究如何通过优化施工组织，提高TBM设备在长隧洞施工中的工作效率。

1 国内外研究现状

MAO等[1]整合精益理论和计算机仿真进行施工过程流程再造研究，将TBM隧道项目实例的作业分类为主要活动和辅助活动，对其进行合理化设计，并借助计算机仿真分析其流程再造效果。Markus等[2]建立TBM隧道施工现场后勤管理系统的离散仿真模型，对不同后勤供应方案进行模拟，分析方案对缩短工期的影响。Mohammad等[3]用系统动力学方法分析TBM隧道项目的材料运输和仰拱生产供应，并通过模型仿真分析结果来指导现场施工组织决策；钟登华等[4]进行基于三维地质模型的TBM施工动态可视化仿真；LIU等[5]建立TBM施工过程柔性循环网络模型，计算隧洞TBM施工工期及其不确定性，分析地质风险对进度的影响程度。唐志林等[6]对TBM施工作业系统各工序间的合理关系进行研究，对TBM施工管理主要内容、方法和措施深入分析，提出建立TBM施工作业分析决策系统来提高TBM掘进工时利用率。林长杰等[7]以辽宁大伙房输水工程特长隧洞项目建设为实例研究特长隧洞 TBM 施工组织管理技术，该项目创造TBM 掘进最高月进尺1 111 m，最高日进尺63.5 m和平均月掘进作业利用率40.2%的记录。Fernando等[8]运用仿真软件对3个TBM隧道项目进行计划模拟，评估了不同施工方法对项目工期及资源利用的影响，不同运输配置对成本节约的影响，及如何满足工期要求来开展项目计划。安清 泉[9]分析了厄瓜多尔最长引水隧洞CCS输水隧洞的设备维修保养、施工管理、劳动组织，强调通过科学管理提高TBM大型机械化施工的优势。Mohammad等[10]应用风险矩阵法进行地质分析，预测TBM隧道的掘进速度。段晓晨等[11]研究西康铁路秦岭隧道TBM掘进工时利用率动态优化；周占胜[12]研究水工超长隧洞TBM施工方法；王晓玲 等[13]进行输水隧洞TBM施工工期全局综合敏感性分析；顾伟红等[14]进行了TBM施工项目施工定额测定的研究。上述国内外学者的研究在TBM工时效率的提高，TBM施工进度的不确定性分析，TBM施工组织对工期的影响等方面均取得了一定的研究成果。但对TBM施工参数准确地量化分析还需进一步加强。本文基于已有的TBM施工管理问题研究基础，探讨将其作为动态系统，运用系统工程方法、借助计算机仿真手段进行要素影响关系的量化研究，为提高TBM施工效率相关决策提供支持。

2 TBM施工组织的特点分析

为使所建模型反映TBM施工管理特征，先对TBM施工项目的组织特点进行分析。TBM隧道施工与传统钻爆法施工的不同在于它的工效以机器的工效来决定，其施工是以TBM掘进作业为核心,以掘进、支护、出渣运输为主要作业，通风、供电、供水、排水等为辅助作业进行的[15]。TBM施工组织呈现3个基本的特点:协调性、连续性和密集性。协调性体现在各子系统间工序工作的衔接配合上；连续性指TBM掘进循环由开挖、出渣、运输、支护、TBM换步、激光定位、通风除尘、风水电管路及轨道延伸等工序组成；施工中应统一指挥系统,协调好洞内外各工序的关系，保证施工的连续性。密集性则体现在工序作业密集和技术密集2个方面。这种工厂化的施工生产管理，既要对宏观大系统的作业序列进行协调组织，也要对微观单项作业的时间、质量进行有效控制。

本文通过对TBM施工“掘进—出渣—运输”、“运输—支护—掘进”2个基本作业过程的调研，重点分析支护系统、运输保障系统的作业组织及时间耗费对TBM生产率的影响，分析运输组织的列车编组数量、单程道岔等待时间对施工效率的直接影响，这些影响随着隧道开挖长度的加深越发显著。探讨如何通过合理安排、协调工序，缩短材料运输、支护等辅助作业时间，减少道岔等待时间，并避免掘进进程中断，以确保TBM施工效率。

3 TBM施工效率的系统动力学SD(System Dynamic)模型

系统动力学方法是一种专门解决高阶次、非线性和时变的复杂大系统问题的方法[16]，它在解决复杂大系统问题上具有很强的优越性。SD的工作思路是用几个绘图工具来表达动态系统结构和反馈关系，主要用因果回路图表达变量之间的相互影响和反馈，用存量流量图建立变量之间的数学关系，建立DYNAMO方程在Vensim__PLE等软件平台进行系统模拟。

3.1 模型的边界

本文运用系统动力学方法来研究TBM工作效率问题，研究的目的是通过建立TBM项目施工组织管理的系统模型，反映施工组织管理对TBM生产率、隧道生产率的影响，帮助现场管理人员决策，更好地提高TBM隧道生产率，提升TBM项目管理水平。为了达到这一研究目的，而又不使所建模型太过复杂，仅将对TBM隧道生产率影响较大的组织因素纳入到研究模型中，来确立模型边界。具体来说，本文研究TBM施工中作业面掘进支护、洞口材料准备，长线单轨运输供料3个子系统的相互配合及其对隧道生产率的影响。

3.2 因果关系图

系统动力学分析用因果回路图表示系统反馈结构，因果回路图包含多个变量，变量之间由标出因果关系的箭头连接。因果链具有极性，具体反映某独立变量变化时，相关变量会如何随之变化。

针对TBM施工管理系统的特点，结合项目实地调研，详细分析图1子系统包含的各因素之间的相互关系，可以得到系统的因果关系图，如图2所示。各因素相互作用形成有两条极性为负的主要因果链，因果链1：列车数−道岔等待时间−列车一个循环时间−列车生产率−隧道生产率−进程中断−增加列车，极性为负，反映运输保障及TBM生产对隧道生产率的影响。因果链2：道岔等待时间−列车一个循环时间−列车生产率−隧道生产率−开挖长度−单程时间，极性为负，反映随着开挖长度增加，列车单程运输时间增加对隧道生产率的影响。

图1 TBM施工管理系统模型边界

3.3 系统流程图

在因果关系图基础上对系统进行更深入和细致的描述的工具是系统流程图，它既能清楚地反映系统要素之间的逻辑关系，还能进一步明确系统中各变量的性质与量化关系，从而刻画系统的反馈与控制过程[16]。

将系统中的所有变量进行分类(如状态变量、速率变量、辅助变量、常量和外生变量)，分析这些变量之间的确切数量关系并利用系统动力学语言描述出来，建立TBM项目管理的系统动力学模型，如图 3 所示。

图2 TBM施工管理系统因果关系图

图3 TBM施工管理系统系统流程图

TBM项目施工组织管理系统有3个状态变量：列车数、开挖长度和剩余隧长；2个速率变量：附加列车和隧道生产率；主要辅助变量有：TBM生产率、列车生产率。TBM生产率反映每天完成多少米掘进，TBM生产率、列车生产率是影响隧道生产率的主要因素；当列车生产率小于TBM生产率，生产进程中断，需附加车辆满足材料供应。

水准变量体现了流量的积累，速率变量、辅助变量常用代数运算关系来表达决策活动，其余常量依据具体项目的施工组织来确定其参数值[17]。掌子面活动周期指每循环进尺掘进支护的时间；列车一个重复循环时间包括洞口备料时间、掌子面活动周期、往返道岔等待时间和往返运输时间。

循环进尺、列车一个重复循环时间、掌子面活动周期、洞口活动周期等因素影响列车生产率；循环进尺、掌子面活动周期及TBM每日掘进时间是影响TBM生产率的主要因素。

4 实例分析

4.1 项目概况

新疆某引水隧洞地处低山区内，总长92.35 km，纵坡1/5 000，隧洞近东西向方位角直线布置，埋深65~300 m，最大埋深295 m。沿线地面海拔高程775~1 000 m，地形起伏不大，相对高差一般5~35 m，局部最大高差达55 m，隧洞穿过石炭系、泥盆系和华力西期3大地层，属地下水贫水区。隧洞前部围岩条件较好，采用1台开敞式TBM施工，开挖洞径5.5 m，其他洞段均采用钻爆法施工。TBM施工分2段进行，1段通过主洞连续皮带机出渣，铺设单线轨道，局部设置道岔进行材料运输；2段转移皮带机通过支洞出渣，材料运输从支洞先无轨运输至检修洞室，暂时存放或者直接转载到有轨运输车上，运输到TBM。在长距离单线运输条件下，保证施工材料的供应是确保TBM施工效率的组织管理重点问题。

4.2 参数设置

以实例TBM1段的开挖为例，根据现场施工组织情况，进行模型参数设定、建立变量数学关系式并进行隧道生产率模拟仿真计算。表1为TBM施工管理系统变量列表。

其中，TBM生产率按每天掘进20 h计算。列车生产率计算中，一次循环供应2个循环进尺的材料。单程道碴等待时间按每4 km设置一处道岔[18]计算，为道岔数。

TBM1段施工总长度9 045.307 m，其中钻爆法施工234 m，TBM 施工8 811.307 m。TBM 施工部分设计围岩分布顺序及作业参数见表2，TBM 施工先经过3 974.752 m的Ⅱ和Ⅲ类围岩，再经过373.901 m的Ⅳ类围岩，再穿过4 462.654 mⅡ和Ⅲ类围岩。TBM循环进尺1.8 m，轨道列车平均速度13.5 km/h，单线轨道设置一处道岔。TBM日工作时间为20 h，其余为整备时间、刀具检查时间和其他各种可能引起的停机时间。

表1 TBM施工管理系统变量

表2 设计围岩分布顺序及相关作业参数

注：1) 从左至右为隧洞入口进入方向；2) 掘进−循环时间即为掌子面活动周期参数，洞口装料时间即为洞口活动周期参数；3) Ⅱ和Ⅲ类围岩因上述参数相近，在模拟计算时合并；Ⅳ和Ⅴ类围岩同。

4.3 系统仿真

实例模型的相关参数设定后，利用Vensim软件进行模拟运行，得到不同围岩下隧道TBM施工效率仿真图，分别反映隧道生产率、剩余隧长、列车数、道岔等待时间等变量随时间的变化。图4所示为第1段Ⅱ和Ⅲ类围岩施工模拟结果，掘进长度3 974.752 m，需116 d，最大日进尺39.27 m，最小日进尺21.45 m。隧道生产率随着开挖长度逐渐下降。需准备列车编组3列，列车往返道岔等待时间为71 min。

Ⅳ和Ⅴ类围岩373.901 m，仿真结果：计划时间需13 d，日最大掘进进尺27 m/d，最小日掘进进尺26.7 m/d，列车编组3列，道岔等待时间71 min。图5所示为第1段Ⅳ和Ⅴ类围岩施工模拟结果。

(a) 剩余遂长：Cur；(b) 遂道生产率：Cu；(c) 道岔等待时间：C；(d) 列车数：Curr

(a) 剩余遂长；(b) 遂道生产率

第2部分Ⅱ和Ⅲ类围岩4 462.654 m，仿真结果：计划工期需231 d，日最大掘进进尺25.5 m/d，最小日进尺17.68 m/d，列车3列，最长道岔等待时间71 min。图6所示为TBM第1段第2部分Ⅱ和Ⅲ类围岩施工模拟结果。

图6 第1段第2部分Ⅱ和Ⅲ类围岩TBM掘进仿真图

综上，TBM1段施工8 811.307 m，计划时间116+13+231=360 d，需准备3列编组列车供应材料。项目第1段TBM生产实际工期367 d，模型模拟结果与实际拟合良好。

在实际应用中，若项目进展围岩情况发生变化，需改变支护形式，模型可依据各类围岩变更比例，通过模拟计算，调整工期计划值。

5 结论

1) 运用系统动力学方法建立了隧道施工生产率的量化模型；对影响隧道施工效率的组织管理因素及其相互关系进行了定量化分析。

2) 对新疆某引水隧洞实例项目，进行实际参数选择，进行系统动力学模型仿真模拟，预测出TBM施工1段的掘进计划工期和需编组列车数量。

3) 进一步运用模型可分析洞口备料时间变化、围岩条件变化等对TBM隧道施工生产率的影响，指导施工决策。

4) 后续研究可将出渣皮带机故障率因素、TBM设备完好率因素等纳入管理系统全面考虑TBM施工管理系统的效率。

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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

国家自然科学基金资助项目(NSFC:51668037)

顾伟红(1975−)，女，江苏苏州人，副教授，从事地下工程系统分析与优化研究；E−mail：Lzgwh@163.com

(编辑 蒋学东)