千島湖配水工程輸水隧洞群施工進度仿真與優(yōu)化

肖 鈺，吳 蕾，張永進，吳留偉，余建平

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州 310002)

地下隧洞工程由于施工場所位于地下，且受空間狹窄及進出洞交通等的限制，施工組織與進度安排是其重難點之一。特別是對于由多條隧洞或多個洞段組成的隧洞群，如何合理安排各項施工作業(yè)、正確銜接各洞段的施工順序關(guān)系、選擇合理的施工方案及相關(guān)參數(shù)，對于確保工程的順利實施具有至關(guān)重要的作用[1]。

而傳統(tǒng)的經(jīng)驗類比法及其人工編排進度的方式由于個人經(jīng)驗差異、認知水平高低以及潛在的工作失誤等因素，難以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，若想得到較為精確的、詳細的進度計劃，工作量較大，而一旦施工方案或施工參數(shù)做調(diào)整，則需重新編排。為此，基于隧洞群施工進度仿真模型，通過計算機仿真程序?qū)崿F(xiàn)對隧洞群施工過程的模擬，并詳細計算隧洞群施工過程與時間相關(guān)的各要素，并由此得到詳細的進度計劃，已成為隧洞群施工進度計劃編制與控制的有效方式[2-4]。

本項研究工作即在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，通過離散事件系統(tǒng)仿真理論的應(yīng)用，根據(jù)杭州市第二水源千島湖配水工程輸水隧洞群的特點，建立隧洞群施工進度仿真模型，并對千島湖配水工程的施工工期、施工方案及其關(guān)鍵施工參數(shù)進行比選、優(yōu)化，以期為該工程的進度管理與控制提供決策參考依據(jù)。鑒于鉆爆法具有經(jīng)濟成本較低、地質(zhì)條件適應(yīng)性好、洞室斷面靈活性強且具有“長洞短打”等優(yōu)點，經(jīng)分析研究后千島湖配水工程輸水隧洞群采用鉆爆法施工，因此，本項研究工作中的施工進度仿真模型也是基于鉆爆法建立的。

1 工程背景與概況

杭州是浙江省的政治、經(jīng)濟、文化中心，也是國際著名的風(fēng)景旅游城市，對飲用水安全保障水平要求高。但目前杭州市水源結(jié)構(gòu)單一，均屬河道型水源，影響水源地水質(zhì)的因素復(fù)雜多樣，突發(fā)性水污染事件呈頻發(fā)趨勢，且錢塘江水源易受河口咸潮影響，風(fēng)險較大，嚴(yán)重影響飲用水安全。杭州市通過第二供水水源工程建設(shè)以改善飲用水品質(zhì)、提高供水安全保障水平的要求十分迫切。

杭州市第二水源千島湖配水工程是關(guān)系杭州近千萬居民飲水安全、健康及錢塘江水資源科學(xué)配置的重大民生工程，對提高杭州等地的飲用水源水質(zhì)、確保供水安全具有重要意義。

本工程通過輸水隧洞、分水口等工程措施，輸送千島湖原水，沿途分配水量至沿線的建德、桐廬、富陽部分區(qū)域，并在杭州市配水樞紐——閑林水庫分配水量至杭州市主城區(qū)、蕭山區(qū)和余杭區(qū)3個方向，實現(xiàn)水位、水量控制，提高杭州及沿線城鄉(xiāng)供水水質(zhì)和保證率，杭州市區(qū)形成千島湖、錢塘江、東苕溪聯(lián)合供水、互為備用的多水源供水格局，并為實現(xiàn)分質(zhì)供水打下基礎(chǔ)。千島湖進水口設(shè)計流量38.8 m3/s，97%保證率設(shè)計年配水量為9.78 億m3。

本工程為Ⅰ等工程，主要建筑物包括千島湖進水口、千島湖～閑林水庫輸水建筑物、分水口、閑林出口流量控制及調(diào)壓設(shè)施、閑林水庫取水口等建筑物。主要建筑物為1級建筑物，次要建筑物為3級建筑物。千島湖～閑林水庫輸水線路全長約113 km，起點金竹牌進水口位于淳安縣金竹牌村附近，沿途經(jīng)淳安縣、建德市、桐廬縣、富陽市，在杭州市余杭區(qū)樺樹村接入閑林水庫。輸水線路沿線布置了32個施工支洞，保留其中16個施工支洞，運行期作為檢修交通洞。

輸水隧洞設(shè)計選擇平底圓形斷面，襯后洞徑為6.7 m。Ⅲ類圍巖開挖洞徑8. 1 m，采用隨機錨桿、掛網(wǎng)噴C30混凝土及C30W6F100鋼筋混凝土襯砌進行支護，底部考慮施工期交通及運行期檢修交通要求，設(shè)2.6 m寬的平臺。輸水隧洞施工按光面爆破要求進行鉆爆設(shè)計，以全斷面開挖為主，光面爆破。

2 進度計劃編制與控制難點及特點

千島湖配水工程輸水隧洞群項目按照傳統(tǒng)的鉆爆法爆破推進，采用多工作面長洞短打、分段分節(jié)的具體方法開挖實施，工作艱巨、任務(wù)繁重，涉及施工進度管控方面，面臨的施工重點與難點包括以下一些方面。

(1)輸水隧洞施工環(huán)節(jié)眾多，相互影響與制約。在洞室施工過程中，測量、鉆孔、爆破、排險、支護、出渣、襯砌、灌漿等作業(yè)環(huán)節(jié)依次展開，而各種干擾因素可能對其中的某些環(huán)節(jié)產(chǎn)生影響，造成工程實施階段出現(xiàn)不利的狀況。

(2)輸水隧洞在地形地質(zhì)條件較差的地段如斷層帶及淺埋地帶開挖施工時須加強圍巖保護措施，使得錨噴等初期支護工作量增大，且隨著洞室的開挖掘進，支護強度也需要提高，以保證安全的施工環(huán)境。

(3)輸水隧洞按照循環(huán)進尺爆破開挖時會產(chǎn)生大量的石渣，在現(xiàn)場空間有限的情況下，應(yīng)避免石渣堆積，造成后續(xù)活動的施工擁堵，延長洞室開挖持續(xù)時間，需要妥善解決洞內(nèi)運輸與快速出渣及洞外堆渣等問題。

(4)千島湖配水工程是用于向杭州市輸送潔凈水源，由此對輸水隧洞群工程洞內(nèi)環(huán)境、文明施工要求較高。在施工主洞之內(nèi)的開挖及運輸機械原則上不選用帶有污染源的設(shè)備，需要做好輸水隧洞群工程的環(huán)境保護及清洗工作，避免二次污染。

(5)千島湖配水工程工期緊張。為了使千島湖配水工程早日發(fā)揮預(yù)期的社會功能與經(jīng)濟效益，有效緩解杭州市飲用水安全與需求現(xiàn)狀，應(yīng)選取合理的施工方案，制定規(guī)劃輸水隧洞群組之間的銜接次序與施工實施順序。

(6)千島湖配水工程安全責(zé)任重大。溶洞、構(gòu)造破碎帶、巖爆、突涌水等不良地質(zhì)問題尤為突出，施工安全防范注意事項多、施工風(fēng)險較大，需要擬定切實有效的應(yīng)對方法和安全措施，確保施工生產(chǎn)安全。

由上述千島湖配水工程輸水隧洞群施工進度管控的難點與特點可知，合理制定進度計劃并優(yōu)化施工方案對于加快工程建設(shè)進度、控制施工風(fēng)險，力爭使千島湖配水工程早日投入使用具有重大意義。

3 進度計劃仿真模型與參數(shù)分析

精確模擬隧洞群施工過程、有效計算施工進度的關(guān)鍵在于建立與實際施工過程盡量一致的施工進度仿真模型。即所建立的仿真模型需要與實際施工過程及各項施工環(huán)節(jié)基本一致，并合理計算各項作業(yè)所需要的時間，并確定各類參數(shù)的合理數(shù)值。本項研究工作中的進度仿真模型及參數(shù)取值情況如下。

3.1 進度仿真模型

在本項研究工作中，充分考慮隧洞鉆爆法施工的每一項細節(jié)及其相互銜接關(guān)系，所建立的單條隧洞鉆爆法施工CYCLONE實施層模型如圖1所示。

通過本模型，實現(xiàn)了隧洞鉆爆法開挖過程的施工仿真，將實際施工過程以數(shù)字模擬的方式實現(xiàn)，可以精確計算施工中的各項時間，實現(xiàn)對施工進度的仿真。

3.2 相關(guān)參數(shù)分析

本工程控制工期的關(guān)鍵項目為輸水隧洞的施工，隧洞施工方案經(jīng)綜合比較后采用鉆爆法施工，通過沿線合理設(shè)置多條施工支洞，進行“長洞短打”以有效縮短施工總工期[5]。

本工程施工關(guān)鍵線路為：施工單位進場→施工準(zhǔn)備→洞口土石方開挖→支洞洞挖及襯砌等→主洞洞挖→主洞襯砌→主洞灌漿→支洞封堵→工程完工。下面依次對主要工序進度指標(biāo)進行分析。

圖1 單條隧洞鉆爆法施工CYCLONE實施層模型

(1)開挖進度指標(biāo)。

月進尺計算公式：

Lm=LDNc

(1)

式中：Lm為月平均進尺，m/月；L為循環(huán)進尺，m；D為每月有效工作天數(shù)，取26 d；Nc為日循環(huán)次數(shù)。

日循環(huán)次數(shù)Nc計算公式：

(2)

式中：T為開挖爆破作業(yè)循環(huán)時間。

掘進指標(biāo)分析必須結(jié)合開挖方案，綜合考慮鉆孔、通風(fēng)排煙、危石處理、出渣運輸及初期支護等工序影響，根據(jù)圍巖類別不同，按如下幾種情況分析：

Ⅰ～Ⅱ類圍巖炮孔設(shè)計深度為3.8 m，循環(huán)進尺按3.5 m考慮，全斷面開挖，炮孔N=89孔、S=50 m2。

Ⅲ類圍巖炮孔設(shè)計深度為2.8 m，循環(huán)進尺按2.5 m考慮，全斷面開挖，炮孔N=89孔、S=53 m2。

Ⅳ類圍巖炮孔設(shè)計深度為2.1 m，循環(huán)進尺按1.8 m考慮，分步開挖，炮孔N=89孔、S=55 m2。

Ⅴ類圍巖炮孔設(shè)計深度為1.5 m，循環(huán)進尺按1.2 m考慮，分臺階開挖，炮孔N=89孔、S=55 m2。

各類圍巖的掘進循環(huán)時間分析如表1所示。

根據(jù)隧洞開挖斷面尺寸、地質(zhì)情況等，并參考工程區(qū)附近區(qū)域類似工程施工經(jīng)驗，Ⅰ～Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖進尺分別為3.5、2.5 m，每天2個循環(huán)，理想情況下最多可達3個循環(huán)；對于Ⅳ～Ⅴ類圍巖開挖采用“短進尺、弱爆破、強支護”的施工原則，Ⅳ類圍巖洞段開挖，每天2個循環(huán)，循環(huán)進尺1.8 m；Ⅴ類圍巖洞段開挖，每2天3個循環(huán)，循環(huán)進尺1.2 m。

表1 各類圍巖正常施工條件下的循環(huán)時間分析表 min

根據(jù)有關(guān)計算公式及類似工程經(jīng)驗，本工程輸水隧洞鉆爆法開挖各類圍巖爆破作業(yè)循環(huán)時間如表2所示。

表2 鉆爆法開挖循環(huán)時間表

(2)噴錨支護工期。為在確保安全的前提下實現(xiàn)快速掘進，在圍巖穩(wěn)定性較好的洞段，僅作初期支護(噴混凝土和隨機錨桿)，待掌子面掘進約20 m后，再安排系統(tǒng)支護與開挖平行作業(yè)，其系統(tǒng)支護所占用的時間完全可在掘進循環(huán)時間內(nèi)完成。因此初期支護進度與掘進相同；系統(tǒng)支護滯后掌子面約20 m緊跟施工，其進度與掘進同步，基本不占直線工期。

(3)襯砌工期計算指標(biāo)。主洞襯砌采用鋼模臺車襯砌，每個襯砌段長度為12 m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，每月有效工作25 d，混凝土襯砌循環(huán)時間計算如下。

t=t1+t2+t3+t4+t5+t6

(3)

式中：t為每一混凝土循環(huán)作業(yè)總時間，h；t1為準(zhǔn)備時間，h，取2 h；t2為清基沖洗，h，取2 h；t3為測量放樣，h，取6 h；t4為臺車拆模、就位，h，取10 h；t5為澆筑混凝土?xí)r間，h，取10 h；t6為混凝土養(yǎng)護時間，h，取24 h；t7為架設(shè)鋼筋時間，h，取12 h(可與混凝土初凝養(yǎng)護時間平行作業(yè)，不占用直線工期)。

則混凝土循環(huán)作業(yè)總時間=2+2+6+10+10+24=54(h)。一個循環(huán)54 h，每循環(huán)進尺12 m，每月工作有效天數(shù)按25 d計，每臺襯砌臺車襯砌月平均進尺約120～150 m，隧洞工期控制段主洞單工作面長約2.5 km(不含施工支洞長度)，為加快施工進度，擬布置2～3臺鋼模襯砌臺車，則工期控制段單工作面合計襯砌進尺每月可達250～300 m。

(4)灌漿工期計算。本工程灌漿主要為回填灌漿和固結(jié)灌漿，回填灌漿在襯砌混凝土強度達到70%時開始，大致在拱頂90°～120°范圍。根據(jù)工序安排，總體上灌漿滯后混凝土襯砌1～2個月后平行進行，襯砌混凝土回填灌漿完成7d后進行固結(jié)灌漿，考慮工序轉(zhuǎn)換等因素，隧洞灌漿占直線工期2個月。

(5)支洞封堵工期。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，施工支洞封堵為1個月，掃尾工作為1個月。

通過以上對施工組織方案的分析，基本獲取了隧洞開挖進度仿真模型所需要的參數(shù)，滿足了進度計算的要求。

4 進度仿真成果與分析

由于本工程進度仿真結(jié)果數(shù)據(jù)體系龐大，本文不便列出詳細的成果數(shù)據(jù)，僅通過對施工總工期、鉆爆循環(huán)進尺、出渣運輸方式比選3個方面總結(jié)并分析進度仿真成果。

(1)施工總工期。在既定的施工方案下，按照“長洞短打”、“全面開花”的原則，不考慮政策處理、招投標(biāo)等不確定性因素，進度仿真理論計算的工期約為40個月，其控制段為畫塢口支洞及其控制段。說明現(xiàn)有的施工組織設(shè)計方案在施工支洞數(shù)量的設(shè)置和空間位置的選擇上是合理的，滿足初步設(shè)計階段批復(fù)總工期42個月的要求，控制段與初步施工方案中的控制段一致。

考慮到實際施工過程中的不確定性與相關(guān)風(fēng)險因素的存在，在做好相關(guān)地質(zhì)條件預(yù)報與應(yīng)急預(yù)案的前提下，除去政策處理及工程招投標(biāo)等不可預(yù)見因素，千島湖配水工程輸水隧洞群施工工期可以控制在許可的范圍內(nèi)。

(2)循環(huán)進尺問題。在既定的施工方案下，Ⅰ～Ⅱ類圍巖、Ⅲ類圍巖、Ⅳ類圍巖、Ⅴ類圍巖的鉆爆循環(huán)進尺分別為3.5、2.5、1.8、1.2 m?；趯δ壳般@爆法施工最新技術(shù)調(diào)研，通過優(yōu)化爆破參數(shù)，循環(huán)進尺存在進一步提升的空間，各類圍巖中的循環(huán)進尺分別可實現(xiàn)4.2、3.0、2.0、1.2 m?；趦?yōu)化后的鉆爆循環(huán)進尺，在其他參數(shù)一致的情況下，不考慮政策處理等不可預(yù)見因素的理想情況下，進度仿真理論計算的工期約為39個月。

因此，在千島湖配水工程輸水隧洞施工實踐中，可通過現(xiàn)場生產(chǎn)試驗，逐步調(diào)整與優(yōu)化鉆爆參數(shù)，在確保施工安全的前提下，部分洞段可根據(jù)實際情況加大在各類圍巖中的循環(huán)進尺，提高效率，加快施工進度，為工程的早日運行投產(chǎn)創(chuàng)造條件。

(3)出渣運輸方式比選?？紤]到建成以后的隧洞用于輸送千島湖原水，屆時將是杭州市飲用水的主要水源，對施工期及運行期的環(huán)保要求較高。

在前期設(shè)計階段，考慮到如果采用自卸汽車出渣，將帶入較多的汽車尾氣、汽車各部位的漏油等環(huán)境污染要素，擔(dān)心影響隧洞運行時的水質(zhì)。因此，提出了采用有軌運輸?shù)臉?gòu)想[5]。

本項研究從進度仿真角度對有軌運輸與無軌運輸做了詳細對比，經(jīng)進度仿真計算結(jié)果表明，兩者在工期上的差別不大，但無軌運輸方案在施工過程中靈活度更高，對工期的保證性更強，同時考慮到到有軌運輸成本相對較高，且運行管理的工作量較大，對運輸軌道的運行管理有更為嚴(yán)格的要求。此外，如果采用天然氣汽車或采用新購置的運輸車輛，加強管理，采取一定的措施后可大幅降低油煙、漏油等的排放量，且在二襯之前通過高壓水等方式對洞內(nèi)污物進行徹底清洗，可有效減少對運行期水質(zhì)的影響。因此，在本項目施工工期緊的條件下建議洞內(nèi)無軌運輸出渣方案。

5 結(jié) 語

隧洞群的施工方案對于施工進度、施工安全、施工成本均具有重要的影響，在工程開工之前通過施工進度仿真對相關(guān)施工方案進行模擬與“彩排”，可實現(xiàn)對工期的理論預(yù)測，并可通過相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整實現(xiàn)施工組織的優(yōu)化。

在本項研究工作中，基于對隧洞群鉆爆法施工過程的詳盡分析，根據(jù)杭州市第二水源千島湖配水工程輸水隧洞群的特點，建立隧洞群施工進度仿真模型，并對千島湖配水工程的施工工期、施工方案及其關(guān)鍵施工參數(shù)進行比選、優(yōu)化，以期為該工程的進度管理與控制提供決策參考依據(jù)。

本項研究工作為杭州市第二水源千島湖配水工程輸水隧洞群的施工組織設(shè)計提供了有效的決策參考依據(jù)，相關(guān)結(jié)論或建議可進一步在工程實施階段發(fā)揮作用。同時，所建立的模型和仿真方法也可在其他類似工程中推廣使用。

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