（水工结构工程专业论文）向家坝水电站地下厂房系统施工仿真与优化研究.pdf

中 文 摘 要 向家坝水电站地下厂房系统由于单机容量大， 洞室布置集中、 跨度大、 边墙高， 施工工序多， 相互干扰大， 施工过程中需要考虑的因素众多， 复杂程度很高，仅依靠设计人员采用传统的方法分析计算，难以得到优选的施工机械设备配套，难以制定合理的施工进度计划和施工组织设计方案。 本文采用全新的动态可视化仿真思想， 融面向对象的仿真建模技术、 循环网络仿真技术、 动态仿真技术、网络计划分析与优化技术、基于 g i s的三维可视化技术于一体，进行向家坝地下厂房系统施工仿真与优化研究。主要研究工作和研究成果如下: ( 1 )对向 家坝地下厂房施工系统进行分解与协调，从层次化、模块化的建模思路出发， 全面描述了向家坝地下厂房系统施工仿真建模过程， 给出了模型参数的划分原则与确定方法，保证了模型参数的有效性。 ( 2 ) 深入研究了向家坝地下厂房系统施工仿真与进度优化，实现了施工机械设备配套方案的自 动寻优， 探讨了 考虑工序间依赖关系的资源优化方法， 获得了 合理的施工工期、优化的施工进度、 施工强度以及施工关键路线等重要参数。 0) 提出了基于仿真的柔性网络计划分析方法，突破了传统的 p e r t对工序持续时间的一些假定， 进行了向家坝地下厂房系统施工完工概率分析， 较好的描述了施工进度计划的不确定性，为施工工期的论证分析提供更好的依据。 ( 4 ) 利用g i s 强大的图形图 像处理技术， 把复杂的地下厂房系统施工过程用动态的画面形象地描绘出来，实现了基于 g i s的向家坝地下厂房系统施工过程三维动态可视化，为全面、快速掌握整个施工过程提供了一个有效手段。 ( 5 ) 针对向家坝地下厂房系统施工特性，紧密配合其工程施工组织设计，研制开发了向家坝地下厂房系统施工仿真与优化软件e s a s - x j b ， 为进行复杂的地下厂房系统施工研究提供了强有力的分析工具。关键词:地下厂房系统机械设备配套施工仿真进度优化网络计划三维动态可视化abs tract f o r t h e l a r g e c a p a c i t y o f g e n e r a t i n g u n i t , w i d e s p a n a n d h i g h s i d e o f g r o tt o e s ,a n d c o n c e n t r a t e d c o l l o c a t i o n o f u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e s , t h e u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s es y s t e m c o n s t r u c t i o n o f x i a n g j i a b a h y d r o p o w e r s t a t i o n i s a v e r y c o m p l i c a t e d p r o c e s s .t h e w o r k i n g p r o c e d u r e s a r e i n t e r f e r e d b y e a c h o t h e r a n d m a n y in fl u e n c in g f a c t o r ss h o u l d b e c o n s i d e r e d d u r i n g t h e c o n s t ru c t i o n p r o c e s s . wi t h t r a d i t i o n a l c a l c u l a t i n g a n da n a l y z in g m e t h o d s , it i s d i f f i c u lt t o g e t o p t i m a l m e c h a n i c a l e q u i p m e n t a l l o c a t i o n a n dr e a s o n a b l e c o n s tr u c t i o n s c h e d u li n g . i n t h i s p a p e r , a n e w m e t h o d o l o g y o f c o n s tr u c t i o ns i m u la t i o n f o r x i a n g j i a b a u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e s y s t e m i s p r e s e n t e d , w h i c hc o m b i n e s o b j e c t - o ri e n t e d s i m u l a t i o n m o d e l i n g , c y c l i c o p e r a t i o n s i m u l a t i o n , d y n a m i cs i m u l a t i o n , n e t w o r k o p t i m i z a t i o n a n d g i s - b a s e d 3 d v i s u a l i z a t i o n . t h e m a i n r e s e a r c hc o n t e n t s a n d a c h i e v e me n t s a r e s u mma r i z e d as f o l l o ws : ( 1 ) b a s e d o n t h e s y s t e m a n a l y s i s f o r u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e c o n s t r u c t i o n o fx i a n g j i a b a h y d r o p o w e r s t a t i o n , a h i e r a r c h i c a n d m o d u l a r m o d e l i n g m e t h o d i sp r e s e n t e d . t h e s i m u l a t i o n m o d e l i n g c o u r s e is e x p a t i a t e d a n d t h e a p p r o a c h t od e t e r m i n e m o d e l p a r a m e t e r s t o e v a l u a t e i t s s e n s i t i v i t y i s d i s c u s s e d . ( 2 ) c o o p e r a t i n g c l o s e l y w it h t h e c o n s t ru c t i o n o r g a n i z a t i o n d e s i g n w o r k , t h ea u t h o r c a r r ie s o u t i n - d e p t h r e s e a r c h o n c o n s t r u c t i o n s i m u l a t i o n a n d s c h e d u l eo p t i m i z a t i o n f o r x i a n g j i a b a u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e s y s t e m . mo r e o v e r , m e t h o d s o fm e c h a n i c a l e q u i p m e n t c o o r d i n a t i o n a n d r e s o u r c e o p t i m i z a t i o n w i t h d e p e n d e n c er e l a t i o n s h i p s a m o n g a c t i v i t i e s a r e d i s c u s s e d . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e a n a l y z e d t og e t m u c h i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n s u c h as f e as i b l e c o n s t r u c t i o n p e r i o d , r e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o n s c h e d u l i n g , c r i t i c a l p a t h , a n d o p t im a l c o n s t r u c t i o n i n t e n s i t y . ( 3 ) a s i m u l a t i o n - b as e d a n a l y s i s m e t h o d w i t h fl e x i b l e n e t w o r k p l a n n i n g i sp r e s e n t e d a n d a b r e a k t h r o u g h i s m a d e o n t h e l i m i t a t i o n o f c o n v e n t i o n a l p e r t . t h ep r o j e c t c o m p l e t i o n p r o b a b i l it y i s d i s c u s s e d , a n d w h i c h f u l l y d e s c r i b e s t h e u n c e rt a in t yo f c o n s t ru c t i o n s c h e d u l i n g a n d p r o v i d e s g o o d b as i s f o r t i m e l i m i t a n a l y s i s . ( 4 ) b y u s i n g t h e p o w e r f u l g r a p h i c p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s o f g i s , t h e c o m p l i c a t e dc o n s t ru c t i o n p r o c e s s c a n b e d e s c r i b e d v i v i d l y w i t h d y n a m i c d i g i t a l t h r e e - d i m e n s i o n a lp i c t u r e s a n d t h e 3 d d y n a m i c v i s u a l i z a t i o n f o r c o n s t r u c t i o n o f ma n 自 i a b a u n d e r g r o u n dp o w e r h o u s e s y s t e m i s r e a l i z e d , w h i c h p r o v i d e s a n e f f e c t i v e m e a n s f o r g r a s p in g t h ec o n s t ru c t i o n p r o c e s s c o m p r e h e n s i v e l y a n d q u i c k l y . ( 5 ) a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t e d i d e a s a n d t h e c o n s t r u c t i o n p e c u l i a r i t y o fx i a n g j i a b a p r o j e c t , t h e a u t h o r d e v e l o p s s o f t w a r e o f c o n s t r u c t i o n s i m u l a t i o n a n do p t i m i z a t i o n f o r u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e s y s t e m o f x i a n g j i a b a h y d r o p o w e r s t a t i o n( e s a s - x j b ) , w h i c h p r o v i d e s a p o w e r f u l a n a l y s i s t o o l f o r c o n s t r u c t i o n s y s t e ma n a l y s i s r e s e a r c h o f u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e s y s t e m.k e y w o r d s : u n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e s y s t e m c o n s t r u c t i o n s i mu l a t i o n s c h e d u l e o p t i m i z a t i o n n e t w o r k p la n n i n g m e c h a n i c a l e q u i p m e n t c o o r d i n a t i o n 3 d d y n a m i c v i s u a l i z a t i o n独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 扎处= s - 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证书而使用过的 材料。 与 我一同 工作的同 志对本研究 所做的 任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学 位 论 文 作 者 签 名 :/ , i 这 签 字 日 期 : .， 必 年 广 月 ” 日学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解透生夕吏 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。特 授 权 - 叁生叁 月史可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学 位 沦 文 作 者 签 名 : 甸 全 建签 宇 日 期 : 沪伞 年少月 z 日导师签名:卿哆 ，、等签 字 日 期 : lr o q 年犷 月 不第一章 绪论第一章 绪论1 . 1研究背景 水电工程地下厂房系统施工是一个极其复杂的过程， 许多因素影响其施工进程， 同时不断扩大的地下洞室群规模给施工组织设计提出了更高的要求。 向 家坝水电 站地下厂房系统由 于单机容量大， 洞室布置集中， 洞室跨度大、 边墙高， 施工工序多， 相互干扰大， 加之不可预见的不良 地质情况， 施工过程中需要考虑的因素众多， 复杂程度很高， 没有成熟的施工经验可供借鉴。 仅依靠设计人员采用传统的方法分析计算， 难以制定合理的施工进度计划方案，因此， 寻求新的理论方法与技术手段以提高施工组织设计的水平势在必行。1 . 1 . 1工程枢纽布置 向 家坝水电 站位于金沙江下游， 是金沙江梯级开发的 最后一级电 站m 。 坝址右岸下距云南省水富县城 1 .5 k m，左岸下距四川省宜宾市 3 3 k m 。工程枢纽建筑物主要由混凝土重力挡水坝、 左岸坝后厂房、 右岸地下厂房系统及左岸垂直升船机等组成， 坝顶全长9 0 9 .2 6 m ，坝顶高程3 8 3 .0 0 m ，最大坝高1 6 1 m. 右岸地下厂房系统安装 4台单机容量为 7 5 0 mw 的机组，总装机容量为3 0 0 0 m w，由引 水系统、 厂房系统和尾水系统三大部分组成。 引 水系统由 岸塔式进水口 及4 条引水隧洞组成，引水隧洞为圆形断面， 包括上平洞、 斜井及下平洞三段， 其中、引水洞开挖洞径为1 6 .4 m, 、 引水洞开挖洞径为1 5 .4 m ,下弯段及下平洞为钢板混凝土衬砌，其余为钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度 l m;厂房系统山主厂房、 主变室、 母线洞及厂房辅助洞室 ( 排水廊道、 进厂交通洞、电缆竖井、 排烟竖井等) 等组成， 主厂房( 含安装间、 副厂房) 尺寸2 4 5 m x 3 1 m x 8 5 .5 m( 长、 宽、 高) ， 主要结构面与厂房轴线夹角3 0 0 ， 与洞顶岩层走向夹角4 0 0 ， 安装间在 主 机间 右 端， 长8 0 m ， 主 厂 房 跨 度 岩 锚 梁以 下 为3 1 m , 岩 锚 梁以 上 为3 3 m ， 厂房顶拱及边墙均采用挂网喷锚支护。 主变室与主厂房平行布置， 主变室上边墙距主 厂房下游边4 0 m ， 主要尺寸1 7 3 . 8 m x 2 6 .3 m x 2 4 m ( 长x 宽x 高 ) : 尾水系统包括4条尾水支管、尾水闸门室、 2 条尾水明流洞及尾水出口等， 尾水洞采用两机一洞的 布置型式， 断面为城门 洞型， 开挖尺寸为2 2 m x 3 6 m ( 宽、 高 ) 。 向家坝右岸地下厂房系统各建筑物主要尺寸、工程特性及工程量见表 1 - 1 ,向家坝地下厂房系统枢纽平面布置图见图1 - 1 .第一章 绪论第一章 绪论1 . 1研究背景 水电工程地下厂房系统施工是一个极其复杂的过程， 许多因素影响其施工进程， 同时不断扩大的地下洞室群规模给施工组织设计提出了更高的要求。 向 家坝水电 站地下厂房系统由 于单机容量大， 洞室布置集中， 洞室跨度大、 边墙高， 施工工序多， 相互干扰大， 加之不可预见的不良 地质情况， 施工过程中需要考虑的因素众多， 复杂程度很高， 没有成熟的施工经验可供借鉴。 仅依靠设计人员采用传统的方法分析计算， 难以制定合理的施工进度计划方案，因此， 寻求新的理论方法与技术手段以提高施工组织设计的水平势在必行。1 . 1 . 1工程枢纽布置 向 家坝水电 站位于金沙江下游， 是金沙江梯级开发的 最后一级电 站m 。 坝址右岸下距云南省水富县城 1 .5 k m，左岸下距四川省宜宾市 3 3 k m 。工程枢纽建筑物主要由混凝土重力挡水坝、 左岸坝后厂房、 右岸地下厂房系统及左岸垂直升船机等组成， 坝顶全长9 0 9 .2 6 m ，坝顶高程3 8 3 .0 0 m ，最大坝高1 6 1 m. 右岸地下厂房系统安装 4台单机容量为 7 5 0 mw 的机组，总装机容量为3 0 0 0 m w，由引 水系统、 厂房系统和尾水系统三大部分组成。 引 水系统由 岸塔式进水口 及4 条引水隧洞组成，引水隧洞为圆形断面， 包括上平洞、 斜井及下平洞三段， 其中、引水洞开挖洞径为1 6 .4 m, 、 引水洞开挖洞径为1 5 .4 m ,下弯段及下平洞为钢板混凝土衬砌，其余为钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度 l m;厂房系统山主厂房、 主变室、 母线洞及厂房辅助洞室 ( 排水廊道、 进厂交通洞、电缆竖井、 排烟竖井等) 等组成， 主厂房( 含安装间、 副厂房) 尺寸2 4 5 m x 3 1 m x 8 5 .5 m( 长、 宽、 高) ， 主要结构面与厂房轴线夹角3 0 0 ， 与洞顶岩层走向夹角4 0 0 ， 安装间在 主 机间 右 端， 长8 0 m ， 主 厂 房 跨 度 岩 锚 梁以 下 为3 1 m , 岩 锚 梁以 上 为3 3 m ， 厂房顶拱及边墙均采用挂网喷锚支护。 主变室与主厂房平行布置， 主变室上边墙距主 厂房下游边4 0 m ， 主要尺寸1 7 3 . 8 m x 2 6 .3 m x 2 4 m ( 长x 宽x 高 ) : 尾水系统包括4条尾水支管、尾水闸门室、 2 条尾水明流洞及尾水出口等， 尾水洞采用两机一洞的 布置型式， 断面为城门 洞型， 开挖尺寸为2 2 m x 3 6 m ( 宽、 高 ) 。 向家坝右岸地下厂房系统各建筑物主要尺寸、工程特性及工程量见表 1 - 1 ,向家坝地下厂房系统枢纽平面布置图见图1 - 1 .第一章 绪论山国囚民巴1-的的峨囚6民闭1旧霎撇旧山91旧卜的卜们 曰照婴织阿6卜0卜巴囚001旧no工6gln阶山1州11寸0民1囚口改囚寸呼沈的山1廿16卜甘囚9t0阶甲9卜g工t闪60囚旧骋宙粗9一0巴代001到 ! 姿 1 舀理)暇拥阴国囚9卜010代山囚卜1层06曰的gln囚囚99n工寸6囚闪88口96019000n 0曰100丙9lg门闭囚690囚 、书澎照瞥叫翼日豁州一寸卜卜寸戈阴闪沈的门代1960110叶优106人门改n的门.0寸卜心1田的.对卜5.0囚靛6寸卜沈一9公瞬166.的民的代90卜寸0.01非000囚9心119们囚60.6的916旧0.n 怡陌)年粤祖淬明闪60对 旧.1 旧0寸的0仍1 囚0囚寸.08山.11868n0?国6 飞陌)犯留海书卜xo工囚o工x卜闪1旧.的x门恻翅照翻的囚x囚剩馒书黛?工工x囚巴9门xnn嵘囚寸zx巴.gzxs.的卜1。工x。工xo甲珠寸帅.盯仍xt门x的寸囚人因囚0民之1门呻on钊一翻甘9一?寸的1心岁宜卜，框x似x罕旧.ogxl们xs艺 已粉狱翔州琳酬胆日哪烈非卿日扣叱略州卑缤侧埃溅嫂以卜髯巡袒甲叫粥靛履j甥艘粤仁葬裔外1酸撰架奥二鸳决冥仁埠靛嚓泣葺欲噢口龚决艇口璐粱图酬外1洲哥目套大巾啊理日具霞日樱一。闷御林如除洲韶帐期娜智剩塑然舰眺智艇书软澳嘱识j瑚口书曰徐二厘书叹照州书哩娓州爷暖加枷杆骤嘟时回燕招喇货，州澳长-防口关脚卫目理日脸少n , m , n 。 卜 co 。 1 2 】 写 】 叨 】 口 1 艺 巴第一章 绪论困啊榨旧除易早端蛾嫂l卜裂岛服仅丫1圈3第一章 绪论1 . 1 . 2地下厂房系统施工通道布置 右岸地下厂房系统施工是一个较为复杂的系统工程， 且地下洞室群施工中 不可预见因素较多，虽然其不是控制工程总进度的关键项目，但是如果处置不当，有可能转化为控制工期的关键项目。 因此， 为保证及加快地下厂房系统的施工进度目 标， 除采用先进高效的施工机械设各及科学合理的施工程序外， 还须合理布置施工通道。 结合水工永久洞室布置、 各部位工程量及施工总进度的要求， 施工通道具体规划布置如下: ( 1 ) 利用水工永久建筑物作为施工通道 结合水工布置， 地下厂房系统可利用作为施工通道的永久建筑物主要有进厂交通洞、 尾闸交通洞、 进水口 及尾水出口 等。 其中， 进厂交通洞主要作为主厂房中部开挖及混凝土浇筑等的施工通道; 尾闸交通洞作为进厂交通洞的岔洞， 主要作为主变室中下部、 母线洞及电缆竖井等的施工通道; 进水口主要承担引水洞上平段开挖出渣、 上平段及斜井段混凝土浇筑及引水钢管运输的通道; 尾水洞出口可作为尾水系统部分施工通道。 ( 2 )增设施工支洞7 条，分上部、中部和下部三层布置，施工支洞特性见表1 - 2 ，向家坝地下厂房系统开挖分层图见图1 - 2 0表1 - 2施工支洞 特性表支洞编号 开挖尺寸长x 宽x 高 ( m)起点高程 ( m)终点高程 ( m)平均坡度 ( %)承担施工部位11 3 2 . 5 8 x 8 . o x 7 . 02 9 6 . 8 2 02 9 6 . 1 2 00 . 6 0厂房 1 - 2 层21 4 3 . 4 2 x 8 . o x 7 刀2 8 5 . 0 0 02 9 7 . 5 0 09 . 0 0厂房 1 - 2 层31 3 2 . 0 6 x 8 .o x 7 . 02 9 6 . 6 02 9 0 . 1 4 04 . 9 0主变洞顶拱开挖41 1 6 0 . 8 0 . 8 . 0 x 7 . 03 0 0 a0 02 2 5 . 9 0 08 . 0 0尾水管前段及厂房8 、 9 , 1 0 层开挖55 7 1 . 0 0 . 8 . 0 x 7 . 02 5 5 . 5 3 02 4 7 . 3 0 00 . 5 8 引水斜井段及下平段、 厂房6 - 7 层施 _64 3 6 . o o x 8 . o x 7 . 02 7 3 . 0 0 02 3 8 . 2 3 09 . 2 5尾水洞3 - 4 层及尾水 管后段施_ 二73 1 8 . 2 0 x 8 . o x 7 刃2 6 0 . 6 0 02 6 7 . 5 0 02 . 8 0尾水洞 1 - 2 层施1 -第一章 绪论 .使.坦橄心.目一份困讨j.双皿曰书目乍配盛叮以，怜皿目目址峨.脸曰曰口犯比.法已曰件目七点口乍叱州即曰，曰奋口二.旧圈哩余犯末燃咯嫂比阵裂写佩坦。分。月习习.鸽-旧枯的山2。困自息召二.“l旧舀一s第一章 绪论1 . 1 . 3向家坝地下厂房系统施工特点 由 于工程条件的不同， 与国内其它大型地下厂房系统相类比， 向家坝地下厂房系统施工具有如下一些特点: ( 1 )各主要建筑物开挖断面大， 如主厂房断面尺寸达2 4 5 m x 3 1 m x 8 5 .5 0 m ( 长x 宽x 高) ， 须根据施工支洞具体布置、施工机械设备性能等合理安排分层分块开挖程序; ( 2 )地下洞室布置密集， 洞与洞之间岩墙的厚度有限， 如主厂房与主变室之间岩墙仅4 0 m ，在安排开挖程序时要充分考虑爆破振动对洞室稳定的影响，同时注意母线洞、尾水扩散段等开挖时，相邻洞段间隔施工; ( 3 )地下厂房系统施工中存在大跨度顶拱、高边墙的稳定问题， 需要合理安排开挖、 锚固、 衬砌三者之间的相互关系。 对施工中偶然出现的不稳定块体的处理，工期安排应留有充分的余地; ( 4 )防渗排水问题突出， 应充分考虑施工地下厂房各层帷幕灌浆和排水廊道，以 减少地下洞室开挖期的渗水量，增加围岩自 稳性: 由 此可见， 向 家坝地下厂房系统施工开挖量大， 施工强度高， 施工条件复杂，无论在开挖、 支护衬砌和施工组织等方面都与地面露天作业有很大的差别， 是一个极其复杂的过程。 其各单项洞室的施工是一个由钻孔、 爆破、 通风散烟、 安全检查、 出渣等各种工序组成的反复循环过程。 由于每道工序的作业时间多是随机的， 每个工作循环都可以产生随机排队现象， 这样很可能在某一个循环作业中出现“ 拥塞口 ” 现象而影响其他作业; 在整个地下厂房系统的施工过程中， 由于地下洞室群系统纵横交错， 布置密集， 高差大， 施工通道少， 使得各工序配合与相互干扰错综复杂; 在安排各洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时， 需要顾及对工程的总工期、 围岩稳定、以及施工强度等问 题的影响。 仅依靠设计人员采用传统的方法分析计算， 难以 确定合理的施工机械设备配套方案、 难以 制定合理的 施工进度计划和施工组织设计方案。 因此， 有必要采用科学的理论方法和先进的技术手段， 全面系统地分析研究地下厂房系统施工中各方面因素， 统筹各方面相互联系和制约关系， 将各洞室各工序间相互协调， 使施工组织设计更加科学化， 达到施工顺序合理，施工快速、经济、安全之目的，以便更好的辅助施工管理与决策。1 .2地下厂房系统施工仿真研究现状 地下厂房系统施工是一项复杂的带有随机因素的系统， 难以 用解析数学模型描述。 各洞室的施工过程是一个由多道工序组成的反复循环过程， 对于这类工程第一章 绪论1 . 1 . 3向家坝地下厂房系统施工特点 由 于工程条件的不同， 与国内其它大型地下厂房系统相类比， 向家坝地下厂房系统施工具有如下一些特点: ( 1 )各主要建筑物开挖断面大， 如主厂房断面尺寸达2 4 5 m x 3 1 m x 8 5 .5 0 m ( 长x 宽x 高) ， 须根据施工支洞具体布置、施工机械设备性能等合理安排分层分块开挖程序; ( 2 )地下洞室布置密集， 洞与洞之间岩墙的厚度有限， 如主厂房与主变室之间岩墙仅4 0 m ，在安排开挖程序时要充分考虑爆破振动对洞室稳定的影响，同时注意母线洞、尾水扩散段等开挖时，相邻洞段间隔施工; ( 3 )地下厂房系统施工中存在大跨度顶拱、高边墙的稳定问题， 需要合理安排开挖、 锚固、 衬砌三者之间的相互关系。 对施工中偶然出现的不稳定块体的处理，工期安排应留有充分的余地; ( 4 )防渗排水问题突出， 应充分考虑施工地下厂房各层帷幕灌浆和排水廊道，以 减少地下洞室开挖期的渗水量，增加围岩自 稳性: 由 此可见， 向 家坝地下厂房系统施工开挖量大， 施工强度高， 施工条件复杂，无论在开挖、 支护衬砌和施工组织等方面都与地面露天作业有很大的差别， 是一个极其复杂的过程。 其各单项洞室的施工是一个由钻孔、 爆破、 通风散烟、 安全检查、 出渣等各种工序组成的反复循环过程。 由于每道工序的作业时间多是随机的， 每个工作循环都可以产生随机排队现象， 这样很可能在某一个循环作业中出现“ 拥塞口 ” 现象而影响其他作业; 在整个地下厂房系统的施工过程中， 由于地下洞室群系统纵横交错， 布置密集， 高差大， 施工通道少， 使得各工序配合与相互干扰错综复杂; 在安排各洞室施工先后顺序及隧洞施工顺序时， 需要顾及对工程的总工期、 围岩稳定、以及施工强度等问 题的影响。 仅依靠设计人员采用传统的方法分析计算， 难以 确定合理的施工机械设备配套方案、 难以 制定合理的 施工进度计划和施工组织设计方案。 因此， 有必要采用科学的理论方法和先进的技术手段， 全面系统地分析研究地下厂房系统施工中各方面因素， 统筹各方面相互联系和制约关系， 将各洞室各工序间相互协调， 使施工组织设计更加科学化， 达到施工顺序合理，施工快速、经济、安全之目的，以便更好的辅助施工管理与决策。1 .2地下厂房系统施工仿真研究现状 地下厂房系统施工是一项复杂的带有随机因素的系统， 难以 用解析数学模型描述。 各洞室的施工过程是一个由多道工序组成的反复循环过程， 对于这类工程第一章 绪论的施工， 若采用一般网络模型 ( c p m / p e r t ) 来表达整个工程的循环施工过程是极其复杂的， 其节点或矢线数甚至可能成千上万， 也难以反映施工过程中的随机因 素 影 响。 循 环网 络 仿 真 技 术c y c l o n e ( h a l p i n , 1 9 7 6 ) z ? 的 出 现 为 该问 题 的解决提供了有效的工具， 它是将排队理论和模拟技术应用到网络计划技术中， 对循 环 施工 过 程 和 随 机 时间 进 行 模 拟， 从 而 反 映 循 环 施 工 的 运 行 过 程。 国 外 在 循 环网络仿真技术的基础上， 己发展了一系列的工程施工仿真理论方法并形成了许多较 成 功 的 仿 真 软 件 ， 如in s i g h t ( p a u ls o n , 1 9 7 8 年) 3 1 , r e s q u e ( c h a n g , 1 9 8 7年 ) 0 . u m - c y c l o n e ( i o a n n o u , 1 9 8 9 年) 5 1 . d i s c o ( h u a n g 等 ， 1 9 9 4 年) 6 1 s t r o b o s c o p e ( m a rt in e z 等 ， 1 9 9 4 年) 7 等， 但 这 些 研 究多 应 用于 高 层 建 筑 工程、 道路工程、 土方工程、 管道工程、 港口 工程施工中， 在水电工程大型地下厂房系统施工领域中的应用还具有一定的局限性。 在国内， 天津大学自2 0 世纪8 0 年代至今一直致力于水电工程地下厂房系统施工仿真方面的理论与应用研究。1 9 8 7年，钟登华、孙锡衡等针对隧洞施工的特点， 在国内首次提出了采用循环网络仿真模型来描述隧洞施工过程， 并开发了相 应 的 软 件c o n s , 但 该 仿 真 研 究 工 作 停 留 在 对 地 下 厂 房 施 工 系 统 局 部 的 研 究上， 缺乏对地下厂房施工全面、 系统地认识。 后来， 钟登华、 宋令广9 1 从系统观点出发， 提出了一整套对地下洞室群进行科学研究的思路、 技术路线和实现手段，并且在二滩、 小浪底等大型水电工程的地下洞室群施工系统分析中获得了成功的应用。 其后， 钟登华等开发了地下洞室群施工系统仿真的二维动态演示系统， 首次将可视化技术引 入到地下厂房系 统施工仿真研究中; 钟登华、张伟波等1 0 又将二维动态演示系统发展成基于 o p e n g l的 地下洞室群施工过程三维可视化系统，使仿真结果以三维图像的形式更为直观、形象地表达出来。 但是，这些研究成果在实际工程应用中也暴露了一些共同的弱点: ( 1 ) 模型参数的有效性很难把握。模型参数来源与确定方法的准确与否，直接影响到仿真结果的可用性及模型的有效性评价。 另外， 不同的模型参数对系统目 标的影响是不同的。 因此， 确保模型参数的有效性及全面把握不同模型参数对系统目 标影响的敏感性都是决策者十分关心的问题。 ( 2 ) 施工强度均衡优化的约束条件考虑不够。对于地下厂房系统施工强度的 均衡优化不能只建立在保证工期不变的前 提下， 还应考虑到施工工序间的 各种依赖关系对洞室开挖顺序的影响，在此基础上寻求资源的利用最优。 ( 3 ) 缺少对地下厂房系统施工进度计划不确定性的研究。地下厂房系统施工系统是一个离散系统， 存在许多的不确定与模糊因素， 这些都会导致施工进度计划的不确定性。 ( 4 ) 地下厂房系统施工过程的可视化不够逼真，绘制不灵活:地下洞室群第一章 绪论所处的地理位置以及与周围枢纽布置的相对位置关系很难定量把握， 缺乏精确性;信息的交互不够方便。1 . 3本文研究内容和解决的主要问 题 本文研究采用先进的理论方法和技术手段， 融面向对象的建模技术、 循环网络仿真技术、动态仿真技术、网络计划分析与优化技术、基于 g i s的三维可视化技术于一体， 研制开发向家坝地下厂房系统施工仿真与优化软件， 紧密配合向家坝水电站地下厂房系统施工组织设计工作， 全面系统地分析研究向家坝地下厂房系统施工中各方面因素， 统筹各方面的相互制约关系， 将各洞室各工序间相互协调， 使施工组织设计更加科学化， 达到施工顺序合理， 施工快速、 经济、 安全之目的。具体研究内容包括以下几个方面: ( 1 ) 针对向家坝工程的具体施工特性，综合考虑各种因素的影响，从层次化、 模块化的建模思路出发， 进行向家坝地下厂房系统施工仿真建模研究， 全面描述了其施工仿真建模过程，给出了模型参数的系统划分原则及相应的确定方法，使模型参数更具有可靠性。 ( 2 ) 研制开发向家坝地下厂房系统施工仿真与优化软件 ( e s a s - x j b ) ，对向家坝地下厂房系统进行施工仿真计算， 分析洞室开挖的循环作业时间参数， 以寻求地下洞室施工合理的机械设备配套方案与施工工期。 ( 3 ) 提出了基于仿真的柔性网络计划技术，充分考虑施工工序间的依赖关系， 进行向家坝地下厂房系统施工进度分析与优化研究， 包括可行施工程序的分析、 合理的施工工期与施工进度安排的确定以 及施工强度的均衡优化等。 ( 4 ) 进行向家坝地下厂房系统施工完工概率分析，寻求确定施工工期内工程的完工概率与风险值，以便为施工工期的论证分析提供更好的依据。 ( 5 ) 采用g i s 技术，进行向家坝地下厂房系统施工过程三维动态可视化研究， 包括地下厂房系统三维数字模型的建立与信息处理以及向家坝地下厂房施工全过程三维动态演示系统的设计与实现。第一章 绪论所处的地理位置以及与周围枢纽布置的相对位置关系很难定量把握， 缺乏精确性;信息的交互不够方便。1 . 3本文研究内容和解决的主要问 题 本文研究采用先进的理论方法和技术手段， 融面向对象的建模技术、 循环网络仿真技术、动态仿真技术、网络计划分析与优化技术、基于 g i s的三维可视化技术于一体， 研制开发向家坝地下厂房系统施工仿真与优化软件， 紧密配合向家坝水电站地下厂房系统施工组织设计工作， 全面系统地分析研究向家坝地下厂房系统施工中各方面因素， 统筹各方面的相互制约关系， 将各洞室各工序间相互协调， 使施工组织设计更加科学化， 达到施工顺序合理， 施工快速、 经济、 安全之目的。具体研究内容包括以下几个方面: ( 1 ) 针对向家坝工程的具体施工特性，综合考虑各种因素的影响，从层次化、 模块化的建模思路出发， 进行向家坝地下厂房系统施工仿真建模研究， 全面描述了其施工仿真建模过程，给出了模型参数的系统划分原则及相应的确定方法，使模型参数更具有可靠性。 ( 2 ) 研制开发向家坝地下厂房系统施工仿真与优化软件 ( e s a s - x j b ) ，对向家坝地下厂房系统进行施工仿真计算， 分析洞室开挖的循环作业时间参数， 以寻求地下洞室施工合理的机械设备配套方案与施工工期。 ( 3 ) 提出了基于仿真的柔性网络计划技术，充分考虑施工工序间的依赖关系， 进行向家坝地下厂房系统施工进度分析与优化研究， 包括可行施工程序的分析、 合理的施工工期与施工进度安排的确定以 及施工强度的均衡优化等。 ( 4 ) 进行向家坝地下厂房系统施工完工概率分析，寻求确定施工工期内工程的完工概率与风险值，以便为施工工期的论证分析提供更好的依据。 ( 5 ) 采用g i s 技术，进行向家坝地下厂房系统施工过程三维动态可视化研究， 包括地下厂房系统三维数字模型的建立与信息处理以及向家坝地下厂房施工全过程三维动态演示系统的设计与实现。第二章 向家坝地下厂房系统施工仿真建模第二章 向家坝地下厂房系统施工仿真建模2 . 1向家坝地下厂房施工系统分解与协调 地下厂房由于布置在山体里， 其施工工艺和施工组织都与地面露天作业有很大的差别; 虽然地下厂房施工受降雨等气候条件的影响较小， 但进行地下工程开挖需布置大量支洞， 并且地下空间有限， 因此施工干扰大、 施工组织复杂成为地下厂房施工的突出特点。 对于地下厂房施工这样一个复杂的系统， 可以根据系统分 解协调的原理日 】 ， 将整个系统分解成目 标相对单一的 子系统。 子系统通过施工进度计划实现系统的整合。 通过这种分解和整合， 使一个结构复杂的系统变得容易把握和控制。 向家坝地下厂房系统由主副厂房、 引水隧洞、 主变室和尾水隧洞组成。 由于这些建筑物的断面都很大， 一般要采用分层开挖。 例如主厂房从顶拱到底部分成若干层进行开挖， 顶拱采用中导洞开挖， 两边跟进的方式。 地下厂房的开挖主要采用钻孔爆破法. 用钻爆法开挖地下建筑物是一个反复循环的过程， 每掘进一次，工作面大致按炮孔深度向前推进， 完成一次循环作业。 每个循环作业主要包括钻孔准备、 钻孔、 装药、设备撤离、 起爆、 通风排烟、 安全检查、临时支撑、出渣准备、 出渣、 延长运输线路和风水电 管等步骤。 通过上述分析， 将向 家坝地下厂房施工系统按层次从任务总体一直分解到作业工序， 建立工作分解结构( wb s ) ,其层次关系图如图2 - 1 所示。向家坝地下厂房 庙1系统引水随制主到厂房尾水陇泪 1 共它例5 + 毋钱洞尾水支涧尾水主润f层尾水主润卜层主交童三层卜.卜几.卜.月.口.，.口.主交室二层主变一层扩挖顶拱中导渭厂房下部四层厂房中目五层厂房上部二层厂房珊部扩挖 厂项中异侧 引水下平段黝滞s ti km e 5i $a xifi x i i 器黑 i i 袋延长运物线路及风 水电图2 - 1向家坝地下厂房施工系统工作分解层次图第二章 向家坝地 卜 厂房系统施s仿真建模2 . 2层次化、模块化的建模思路 随 着面向 对象程序设计语言的出 现， 程序编制从面向过程转向 面向 对象日 2 ，通过消息来触发对象的行为， 这种思想为模型与仿真过程的独立提供了 可能。 因而如果模型可以重用， 则大大减少了重复编程工作。 针对某一领域将一些通用行为和功能封装在模块里，模块就可以看作 “ 积木” ，通过不同的组合，就可以搭建形式各异的“ 房屋， 。当 然模块化建模 1 3 的 前提是仿真对象必须是可分的。由于系统是由 各子系统组成， 因此完全可将每个子系统作为模块， 通过接口 进行协调祸合，组合成能够真实反映整体系统变化规律的系统模型。 系统的另一个特点就是层次性。 系统分为子系统， 子系统又可分为更多的子系统。系统的这个特性是我们很容易联想到层次建模，即由 基本的模型元素( m o d e l e l e m e n t ) 组合成高一级的模型， 这些模型作为子元素又可继续组成更高级的模型，从而形成层次化模型。层次化、模块化建模示意图如图2 - 2 .整体模型c i 组合模型a l 夕交 a 2 ) ( a 3 少( b 1 )( c l ) ( c 2 ) 单 元 模 型图2 一层次化、模块化建模示意图 对于地下厂房这样一个复杂的施工系统而言， 可将其分解为相对简单和独立的子系统， 而子系统间的 相互联系和影响可通过在子系统模型间设置相应祸合接口 加以协调， 这样可将各个子模型拼接起来而构成整体系统模型。 施工系统的运行规律通过施工系统模型中各实体的属性与状态的变化来反映和体现。 同时施工系统又存在多个层次， 总工程可以分为单项工程、 单位工程、 分部工程、 分项工程等多个层次。因而，采用层次化、模块化建模是可行的。 针对不同的需要可以选取不同的层次来建立仿真模型， 本文将向家坝地下厂房系统施工仿真模型划分成2 个层次:控制层模型 ( c p m层工序模型) 和实施层模型( c y c l o n e 层单元模型) . c y c l o n e 层单元模型构成c p m层工序模型，c p m层工序模型构成系统整体仿真模型。第二章 向家坝地 卜 厂房系统施工仿真建模2 . 2 . 1控制层模型 控制层模型对应着工程控制的基本单位工序， 它是施工中的进度控制的基础， 在工程项目 管理中占有极其重要的地位。 工序作为一个基本控制单元， 采用的施工方法不变， 配备的机械设备和人员基本固定， 例如主厂房顶拱开挖， 就可以作为一个工序进行控制。 控制层可以向上继续组合成更高层次的目 标层，目标层通过综合控制层的仿真结果就可以得到本层次的运行规律。 控制层借助网络模型来描述， 其节点表示工作， 箭线表示工作间的逻辑关系。网络图是工程上常用的组织管理工具， 得到了众多工程技术人员的认可。 用网络模型建立控制层仿真模型， 形象直观， 易于理解， 使工程技术人员无需仿真知识也可以建立仿真模型。2 . 2 . 2实施层模型 实施层模型是控制层工序的具体实施，