（森林工程专业论文）高速公路机械化施工机群作业系统的研究.pdf

摘要 我国高速公路建设取得了令人瞩目的成绩，其中机械化施工功不可拣。高速公路机械 化施工是现代化生产的主要方式，是高速公路建设的发展方向。机械化施工涉及的内容十 分广泛，包括施工机械的选择与配置；施工方案、施工方法、施工工艺的确定；施工组织 与管理；施工质量的控制。本文提出了高速公路机械化施工机群作业系统的概念，该系统 包含两部分内容：即硬件部分和软件部分。硬件部分是用于施工的各种机械；软件部分是 施工方法的确定、施工工艺的安排及施工现场的组织与管理。 本文首先分析研究了高速公路机械化施工设备选择和配套的基本原则和方法，结合江 苏省高速公路建设的工程实践，对常用的施工机械进行了分析比较，提出了可供参考选择 的各种机械的机型。其次从施工方法、施工工艺入手，分别探讨了路基、路面的机械化施 工机群作业系统，并就每一单项工程的质量控制进行了论述。在路基机械化施工丰几群作业 系统中，挖掘机与自卸汽车的配置是提高工效的关键：在路面底基层机械化施工机群作业 系统中，路拌机的选择、压路机的组合及施工方法的确定是重点：在路面面层机械化施工 机群作业系统中，拌和站、摊铺机、压路机的选择与配置可以确保施工质量。 研究高速公路机械化施工机群作业系统，对提高施工企业的经济效益，保证工程质量， 缩短工期具有重要的现实意义。 关键词：筑路机械机群作业系统施工工艺施工管理质量控制 t h er e s e a r c ho ft h em a c h i n e g m u p w o r n gs y s t e m 0 f e x p r e s s w a y m e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o n a b s t r a c t t h em e c h a n i c a lc o n s t r u c t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr 0 1 ed u r i n gt h ee x p r e s s w a y sf 致i m p m v i n gc o u r s ei no u r c o u n t r y t h em e c h a n i c a lc o n s 订u c t i o ni st h em a i nf 瓠h i o no fm o d e me n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n ，a n da l s o r e p r e s e n t s t h ed i r e c t i o no fh i g h w a yc o n s t r u c t j o n t h em e c h a n i c a lc o n s 仃1 j c t i o ni n v o l v e sm a n ya s p e c t s i n c l u d i n gt h em a c h i n e ss e l e c t i o na n de q u i p m e n t ，t h ec o n n n n a t i o no ft h ec o n s t 兀l c 廿o nb l u ep r i n ta n dt h e c o n s t r u c t i o nt e c h n i c so rm e m o d ，t h ec o n s t r u c t i o nm 锄a g e m e n t 卸do 培a n i z a t i o na sw e l la st h ec o n s n _ u c t i o n q u a l j t yc o m r 0 1 t h i st h e s i si n t m d u c e sm ec o n c e p to ft h em a c h i n e 唱r o u po ft h ee x p r e s s w a ym e c h a n i c a l c o n s t m c t i o ns y s t e m t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do ft w oc o n t e n t ss u c ha st h eh a r d w a r ea n ds o r w a r e t h e h a r d l a r ep a r tm e a n st h er e a lm a c h i n e sa tc o n s t r u c t i o ns i t e t h el a t t e rm e 锄sn o to n l yt h ec o n 6 r m a t i o no f t h e c o n s t r u c t i o nt e c h n i c h sb ma l s ot h eo 曜卸i z a t o na 1 1 dm a n a 窑e m e n ti ns i t u f i r s t l yt h et h e s i sa n a l y s i st h eb 船i sp r i n c i p j ao f t h e s e l e d i o na n d e q u i p m e n t o f t h ee x p r e s s w a ym e c h a n i c a l c o n s t r u c t i o na c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eg o tf r o mt h e1 0 c a lc o n 咖c t i o n0 f j i a n g s ue x p r e s s w a ya n da l s 0b r i n g s f o n v a r da l lk i n d so fm a c h i n e sw h i c hc a l lb es e l e c t e do nt h eb 鹅eo f a n a l y z i n g t 圭l ec o m m o n l yu s e dm a c h i n e s e c o n d l y i td i s c u s s e st h em a c h i n e - 酽o u ps y s t e ma n dt h eq u a l i t yc o n t r 0 1o fr o a d b e da n dm a ds u r f a c e s u b s e c t i o nc o n s t r u c t i o n t h ek e yt oe n h a n c et h ew o r ke m c i e n c yi sh o wt oe q u i pt h ee x c a v a t o ra n dt l p p i n g l o r r yd u r i n gt h er o a d b e dc o n s t r u c t i o n h o w e v e ld u r i n gt h ec o u r s eo f t h e r o a ds u r f a c ec o n s t n l c t i o n ，t h ek e yi s h o wt os e l e c ta n do 唱a n i z et h er o l l e ra n dt h em a d m i x i n ge q u i p m e n t a st oa s s u r et h ec o n s t n l c t i o nq u a l i 吼 h o wt os e 】e c ta i l de q u i pr e a s o n a b l yt h em i x - s t a t i o n ，t h eb l a d eg r a d e r 舾w e 船t l er o l l e ri st 1 1 em o s t i m o o r t a n t i tj sv e r yu s e f u lt od or e s e a r c hf o rt h em a c h i n e f o u ps y s i e ma b o u tc h eh i g h w a ym e c h a l l i c a lc o n s t c t i o n a sw h i c hc a ni m p r o v et h ee n t e r p r i s e b e n e 矗t ，g u a r a l l t e c 也ee n g i n e e r i n gq u a l i t ya n dr e d u c et h ec o n s t n l c t i o n p e r i o d k e y w o r d s ：r o a dm a c h i n e r y ；w o r k i n gs y s t e m ：m a c h i n e r yg r o u p ；c o n s 臼m c t i o nt e c h n i q u e c o n s t r u c t i o nm a n a g e m e n t ；q u a l i t yc o n t r 0 1 致谢 y 6 0 6 s 8 8 本文是在李国芬老师精心插导下觅成的，在选题、研究 实施及成文的过程中均倾汪了导师的辛勤汗水。导蛹严谨的 学术作风，求真务实的态度敢_ 于拼搏的精神激励着本人， 使论文暇利完成。在此，向导师致以衷心的感谢 在论文的写作资料的搜集过程中，赵尘教授给予了热 情的指导和帮助，并提出了许多建设牲的意见和建议? 在学 习期间，得到了土木工程学院特别是森工系同事的大力支 持? 在此表示诚挚的谢意。 再次惑谢关心、支持我的每一位老师、同事，朋友， 王大明 2 0 0 4 年4 月 1 引言 公路，作为基础设施，在国民经济可持续发展战略中起着非常重要的作用。公路工程 上规模，高质量，高等级已是时代发展的客观要求。今天，四通八达的公路网得益于改革 开放以来国家对交通基础设施建设的重视。其中，我国“九五”期间交通基础设施建设的规 模、速度和质量达到了历史最高水平。5 年总投资为1 0 2 0 9 亿元。2 0 0 0 年，全国公路通车 总里程达到1 4 0 万公里。一个四通八达的现代化公路网正在祖国大地形成，全国有9 8 3 4 的乡镇和9 0 6 的村通了公路，有公路客运线路1 2 5 万条，其中农村客运班线6 万多条。 许多重峦叠嶂、河谷纵横的山区，结束了不通汽车的历史。 1 1 我国高速公路建设的现状 随着我国的经济建设步入了快车道，高速公路建设也迅速发展。我国高速公路建设速 度快，质量好。自1 9 8 8 年我国第一条高速公路上海至嘉定高速公路1 8 5 公里建成通 车，实现了我国大陆高速公路零的突破以来，高速公路的社会效应逐渐显现。我国已建成 通车的高速公路主要集中在己规划的国道主干线上。沪宁、沈大、京津、京沪几乎都集中 在经济发达的地区。目前，高速公路已经覆盖了我国2 8 个省份，辽东半岛、山东半岛、京 津地区、长江三角洲和东南沿海地区都有高速公路，是公路运输的主通道。高速公路的快 速发展顺应了我国社会和经济发展的需要，不但缓解了交通拥挤，而且具有巨大的经济和 社会效益。高速公路不仅沟通了沿线与大城市、交通枢纽、工业中心的联系，增强了对投 资者的吸引力，高速公路经济发展带也开始形成。近年来，我国高速公路建设高歌猛进， 不断创造出新的奇迹。至2 0 0 2 年年底，全国高速公路里程已达2 5 万公里，居世界第二位， 为交通事业跨越式发展奠定了坚实的基础。 江苏省的高速公路建设也取得了很大的成绩。至2 0 0 3 年底，江苏省高速公路总里程突 破2 0 0 0 公里，密度居全国第一，质量全国领先。到“十五”束，全省高速公路通车里程达 到2 3 0 0 公里，规划到2 0 l o 年要形成以“四纵四横四联”主骨架为主的3 5 0 0 公里大容量、 高效率的高速公路网络。预计到2 0 2 0 年，江苏省高速公路网规划总里程将达到5 0 0 0 公里 左右。 我国正处于公路建设的大发展时期，随之而来的问题是如何有效地规划、设计、组织 施工、监理。施工是高速公路建设的关键环节。大规模的高速公路的建设必须借助于机械 化施工，爿能保证质量和工期，发挥效益。筑路机械价格昂贵，少则几十万，多则上百万 甚至几百万。施工单位合理地选择、配置机械，直接关系到企业的生存与发展。 1 2 高速公路建设的特点 ( 1 ) 工程量大 高速公路是一种线形构造物，短则几十公里，长则几百公里，甚至上千公里，高速公 路建设涉及的内容广泛，有路基工程、路面工程、桥梁隧道工程、排水防护工程、绿化工 程、交通工程、服务区建设等，每一项工程数量都十分巨大，如路基土石方，一个标段就 有几十万方，一条路有几百万方。 ( 2 ) 技术含量高 高速公路建设是一项复杂的系统工程。每一阶段都渗透着现代科学技术。设计阶段应 用g p si 贝| i 量技术及设计集成系统；地基处理阶段的软土和过湿土加固技术：沥青路面结构 和表层抗滑技术；水泥混凝土路面修筑技术：公路与桥梁工程土工织物铺筑技术；路面质 量快速检测技术、改性沥青技术；预应力混凝土梁桥、各式拱桥、斜拉桥和悬索挢的下部 基础和上部结构施工技术；大型筑养路机械、检测设备以及高速公路监控、通信、收费技 术。广大科技人员抓住交通基础设施建设的关键问题，采取重点攻关、重大技术装备开发、 行业联合科技攻关、引进消化吸收等多种形式，在许多领域取得重大突破，提高了我国交 通建设和运输的技术水平，缩短了与发达国家的差距。 ( 3 ) 工期紧 国外的高速公路建设工期一般是五年，而我国为加快发展，高速公路建设工期一般为 3 4 年。机械化施工可以保证工期。 ( 4 ) 投资大 高速公路是一种高投入、高产出的基础服务设施，每公里的造价在3 0 0 0 5 0 0 0 万。高 速公路的出现不仅带来了人流、物流、信息流的高速运转，而且其运营后所产生的巨大经 济效益和社会效益使人们的思想观念发生了深刻的变化。 ( 5 ) 质量要求高 高速公路建设有一套质量评定标准，无论设计，还是施工，都有严格的质量要求。提 高并确保高速公路的建设质量，是高速公路建设永恒的主题。 高速公路建设的工程量、工期、技术标准、质量要求等，客观上必须采用机械化施工。 1 3 机械化施工机群作业系统 随着我国高速公路公路建设的发展，机械化施工成为实现公路修建向现代化大生产模 式转变的最主要方法。施工企业在进行公路工程机械化簏工中，怎样去选择机械，能否掌 握其基本作业方法，如何合理地进行组合以及发挥其潜在的效能。针对工程量浩大、工程 质量要求高、施工工艺复杂的高速公路的建设，这一点显得尤为重要，它不但控制着工程 的质量和进度，而且直接影响着旅工企业的经济效益和社会效益。 在高速公路工程的施工中，许多工作由人工来完成是十分繁重的，而有些工作人工根 本就无法完成。为了使人们从繁重的体力劳动中解放出来，使完成的工程符合国家的质量 要求，加快施工进度、降低成本，人们越来越多地使用施工机械进行施工作业，使施工过 程成为所谓的机械化施工过程。由此看来，机械化施工是指：根据工程状况采取一定的与 工程状况相适应的组合机具，用以减轻或解放繁重的人工体力劳动而完成人力所难以完成 的施工生产任务。 高速公路机械化施工，是多种机械协同作业的，即机群作业。如何发挥同一工程中机 群的最大技术经济效益，是工程技术人员的重要研究课题。应该说，机械化施工有着更为 广泛的内涵，它不仅体现在机械化程度上，而且要更注重于机械化的水平，应当理解为涉 及施工机械、施工技术、施工组织及施工管理等多学科的现代施工技术，即高速公路机械 化施工机群作业系统。在这一系统中，有硬件，也有软件。硬件是施工机械；软件是施工 方法、施工组织与管理。 1 4 本课题研究的目的和意义 随着我国现代化建设事业的不断发展，交通事业也目颠月异。当前，我国正增加对高 速公路建设的投入，高速公路建设的特点是工程量大、工程质量要求高、施工难度大、技 术要求高、建设工期紧迫。这些特点迫使当今高速公路建设的发展方向趋向以现代化生产 方式修建公路，而机械化施工则是实现公路建设向现代化生产模式转变的重要措施。 ( 1 ) 机械化施工有利于降低工程成本 由于机械化施工的广泛应用，大大提高了工效，使过去高成本、低效率的工作，现在 只需要较少的施工成本即可完成。如斜拉桥钢箱梁的吊装、顶推施工法、回旋钻机钻孔、 汽车式起重机吊装箱梁及大吨位自卸汽车运土等，这些机械将过去蔚投入、低产出的工程 变为技术型低投入、高产出的工程。另一方面，工程造价机械费用占有很大的比重，科学 合理地组织机械化施工，减少机械使用费，就可以大幅度降低工程成本。 ( 2 ) 机械化施工可大大缩短工期 目前高速公路工程建设工期的大为缩短，应归功于机械化施工的广泛运用。例如，南 京长江大桥建设历时九年。而南京长江二桥的工期只用了三年多一点的时间。 ( 3 ) 机械化施工可以提高工程质量 随着时代的发展，对工程的设计、旌工要求越来越高，只有机械化施工才能达到这些 要求。例如高等级公路路面的平整度，在机械摊铺的条件下才能达到规范的要求；特大桥 的大体积混凝土只有混凝土搅拌站、运输车、混凝土输送泵才能保证连续浇注混凝土的要 求；预应力、部分预应力混凝土，大跨径斜拉桥钢箱梁的吊装等也只有机械化施工才能满 足要求。 ( 4 ) 机械化施工可以优化社会资源，节约社会劳动力 机械化施工调整了旖工组织设计中对劳动力的需求，将更多的社会劳动力调配到技术 密集型的工作岗位上，从而为社会节约了大量的劳动力。 ( 5 ) 机械化施工使公路工程设计空间更为拓展，施工更创新 机械化施工，不仅使我们可以为建造一个具有承载力的公路工程构造物，而且同时也 在为社会创造美和艺术品。这些也只有在机械化生产的条件下，才能同时满足施工技术和 美化景观方面的要求。o 所以。针对高速公路的具体施工情况，从施工方法、施工工艺入手，研究机械化施工 机群作业系统，对发挥机械设备的综合作业能力，提高劳动生产率，降低施工成本，保证 工程质量，提高企业的经济效益具有重要的现实意义。 1 5 国内研究现状 高速公路建设的快速发展，施工机械选择与配置的问题越来越突出，甚至严重到了影 响工程质量。如公路沥青路面施工技术规范( 1 9 9 4 1 2 0 1 ) 7 6 9 所述：我国沥青路面施 工的平整度与国外相比存在差距的主要原因是基层不平整及施工机械不配套。国内的有些 学者也在这一领域进行了研究，如西安公路交通大学筑路机械系教授王国安其代表作品 是公路机械化施工现代管理技术，其理论的核心是机械随机服务系统。重庆交通学院郭 小宏教授运用概率论理论，创立了“高等级公路机械化施工系统理论”。本文综合考虑机械 的生产率、使用成本、使用性能、工期的要求等因素，并结合江苏省高速公路施工的具体 情况，对高速公路机械化施工作业问题进行研究。 1 6 研究的内容 1 6 1 考虑各种因素选择施工机械 同一作业任务多种机械都是可以完成的， 综合考虑工程规模、运距、土质、机械性能、 好的适合某一工程的机械类型。 但其经济性显然是有差别的。选择机械时应 作业效率等因素，选出作业效率高而经济性 1 6 2 机械用量的确定 一个高速公路施工作业系统所需机械类型确定后，确定每种机械的数量是解决机群配 置问题的关键。解决这一问题有许多方法，如排队论法，概率论法等。以上方法主要是仿 真模拟施工机械系统运行状态，由此确定机群的配置。本文主要是考虑施工机械之间作业 效率匹配、运距、工期要求等因素，确定机群数量的合理配置。 1 6 3 机械化施工质量控制 高速公路机械化施工涉及的内容很多，施工过程的质量控制非常重要。本文主要针对 路基、路面的机械化施工，从施工工艺、施工方法、施工机械的选择与配套方面，探讨对 工程施工质量的控制。 4 2 我国机械化旅工组织的现状 在明确机械化施工的意义及要求后，我们应做好施工机械的全面管理工作。在这方面， 施工企业存在的不足相当突出。在施工现场，经常看到闲置的、不能使用的或不能正常使 用的施工机械；另外，在施工机械的选用及组合方面也存在着诸多不足，造成了人力、物 力的浪费。 鉴于上述问题我们从以下诸方面去考虑会得到满意的效果： ( 1 ) 选用合适的机械，充分发挥机械的效率，有些施工企业对机械的选用研究不透， 带有极大的盲目性，以致选入的机械性能不好，不能满足正常的施工需要； ( 2 ) 合理使用机械，饺之安全生产，提高其生产率。因为对施工机械，只有使其处于 工作状态，才能产生效益，否则，只能是一堆废铁。另外每种旖工机械，都有一定的使用 条件和使用范围，如：多种土方机械的经济运距、限制坡度、合理斗容量的确定等等，只 有掌握其标准，按照操作规定，保证安全生产，这样施工企业才能获得满意的经济效益； ( 3 ) 机群优化配置，在多数情况下，完成分部、分项工程。是多种机械联合作业的结 果，各种机械的合理配置尤其重要。 ( 4 ) 施工企业应在维修、保养，提高机械完好率，加强配件管理方面作更具体细致的 工作：另外，更新先进设备，培养一批既懂工程技术，又懂旋工机械、施工管理，土机结 合的复合型人材，也是施工企业的当务之急。只有这样，旖工企业才有可能把施工机械的 全面管理提高到一个崭新的水平。 3 高速公路公路建设对施工机械的要求 我国的高速公路建设进入一个新的重要发展时期。面对我国公路建设的大好形势，尤 其以高速公路为代表的高等级公路建设任务的加重，对工程机械特别是对筑、养路机械提 出了更多、更高的要求。 公路作为一种特殊的商品，尤其是为社会的交通运输业服务的高速公路，从规划开始到 建成投入使用，都以提高经济效益和社会效益为基本任务和目的，采取正确的技术措施以 提高施工、养护工作的质量与效率，延长公路使用寿命，保障行车快速、舒适和安全。所 以以传统的人工作业为主的作业方法，已经不能适应现代公路交通运输对公路施工和养护 工作的要求，而公路施工和养护的机械化则是保证与提高公路施工和养护质量、速度、效 率最重要的手段和客观要求。因此，公路施工机械是实现公路施工和养护机械化的物质基 础，是公路施工养护速度、质量、安全、环保、低耗等目标实现的技术保障，是公路建设 与养护生产力的最重要的组成部分。 根据高速公路公路施工作业的内容，需要将若干种类、规格、型号、数量的机械设备 科学地组合在一起。 我国高速公路公路建设对施工机械的要求： ( 1 ) 品种、型号要齐全，形成系列化，供用户选择。目前国产的机械设备，供用户选 择的范围比较窄，因此很多用户根据自行施工的路基路面结构、类型、当地的气候条件、 作业周期等因素，选择国外的产品。从国外黑色和白色路面施工设备的成套性看，我国的 路面施工机械不论在品种上或机型上均存在相当多的空白。例如，在基层和底层的施工机 械中还缺少稳定土摊铺机械和稳定剂撒布机械；在黑色路面施工机械方面，集料的准备机 械目前仍是一个薄弱环节，就地的沥青混合料转运机械现在仍是一个空白：改性沥青加工， 搅拌设备也才刚刚开始起步。而整个灰色路面施工机械的开发，基本上属于起步阶段，缺 少的品种、规格更多，如铺筑9 1 2 m 的滑模式摊铺机及相应的布料机，生产能力在l 0 0 3 0 0 m 3 h 的水泥砼搅拌设备，依然需要靠进口解决。 ( 2 ) 机械性能朝着机电液一体化发展，以提高机械的主要技术指标。近几年，我国机 械行业在产品丌发方面做了极大努力，产品性能有很大改善，但在实现机电液一体化方面， 参数间的匹配仍不尽人意。以沥青砼搅拌设备为例，我国生产这一产品的企业有3 0 余家， 从交通部筑路机械测试中心获得的资料来看，就是设备的很多关键性部件从国外选购的， 其沥青含量误差能满足高等级公路标准要求的也仅占l1 。 ( 3 ) 工作可靠性高，易于维修、保养。高速公路的建设工期是一定的，工程的工作量、 质量是合同中明确的。因此，在一定期限内完成符合标书质量要求的工程量，施工机械的 可靠性是至关重要的。早期故障率高，平均无故障工作时间短，耐磨件、易损件的寿命短， 一直是国产机械设备存在的一个突出问题，也是用户经常抱怨，对使用国产设备存有戒心 的主要原因。而且有相当一部分设备，不但工作可靠性差，且维修保养也比较困难：电气 线路凌乱，没有可参考的线路图；润滑点标志不清，润滑周期不明，紧固件易松动，是引 起设备早期故障率高的主要原因之一。 ( 4 ) 选购配件质量要与整个质量匹配，并作详细记载。整机性能、质量决定于每一个 选购配件的性能与质量，因此在选购每一个零件、部件时，除了要求供方提供必要的依据 如检测报告、检验证书外，组装前还必须进行抽检，凡不符合整机性能、质量要求的产品， 不能投入使用。特别应加强电气件、液压件、密封件、紧固件、传动件的鉴定与选购。据 统计，早期故障率高主要是由上述零部件引起的。一些企业在选购件记载方面的工作比较 马虎，一旦发现问题无从着手处理，影响使用。 ( 5 ) 向智能化、自动化、机器人化方面发展。国外许多筑路机械制造商把筑路机械智 能化、自动化、机器人化作为技术进步的目标，并做了大量工作。例如，b o m a g 、d y n a p a c 等公司开发出的智能型振动压路机，振幅调频无级可调，并带有压实质量实时监测， 在工作参数调节方面具有自适应、自学习能力。摊铺机则用数字量控制替代模拟量控制系 统，提高了自动找平控制能力；把供料数量、摊铺速度材料特性的变化带来的干扰进行自 动控制；在行驶的直线性、转弯半径和超高量的自动控制方面，朝着智能化方向发展。 ( 6 ) 从环保角度出发，发展低污染、低噪音的施工机械。减少噪音、振动、废气产生 的部位：排放质量应符合环保要求；对已产生的噪音、振动要切断或削弱其传播的途径； 对已产生的废气要进行净化处理；对承受振动的构件，采取防振措施；对承受噪音振动的 驾驶员工作处采取防护措施。 ( 7 ) 提高操作者的舒适性和安全性。驾驶室应密封、防尘、隔音、减震、通风、视野 好：操作器件要集中、方便、灵活；动作要准确、互锁；应有防倾翻、重物落体的安全保 护措施；移动、起吊、安装要方便，要有提示性警告标志。 ( 8 ) 提高高原的适应性。随着西部开发力度加大，西部对施工机械的需求呈旺盛势头。 机械性能的高原适应性可作为附加条件，以适应西部环境的要求。西部高原面积大气候独 特：空气密度小、含氧量低、平均气温低、昼夜温差大、年低温期长、长年冻地面积大、 冰雪冻土层厚、气候干燥、降雨量少、蒸发量高、风沙尘大等。因此对各类施工机械的性 能，包括动力性、经济性、舒适性、排放性、耐火性、可靠性等，提高了新的要求。 4 机械化施工中施工机械的选择 施工机械种类繁多，型号各异。一种机械可以完成多项作业任务，一项作业任务也可 由多种机械分别完成。所以，选择施工机械是机械化施工的一个重要环节，是机械化施工 作业系统有效运转的前提。 4 1 选择施工机械的原则 工程规模和工期要求是选择施工机械的主要依据。通常情况下，为了保证施工进度、 提高施工企业的经济效益，工程规模大时采用大型机械，而工程规模小时则采用中小型机 械。 ( 1 ) 施工机械与工程现场情况相适应 高速公路施工的内容非常广泛，涉及软基处理、路堤、小型构筑物、底基层、基层、 面层及桥梁、隧道等，且施工条件千差万别，这就要求所选用的机械一方面其类型适合施 工现场的气候、地形、土质、场地大小、经济运距、工程质量要求等，另一方面，机械的 工作装置容量要和工程进度及工程量相符合，应避免机械工作能力不足或过剩而造成延缓 工期或效率低下。 ( 2 ) 选用的机型应有较好的经济性 施工机械的经济性主要体现在施工单价上，与机械固定资产消耗及运转费用有关。固 定资产消耗与施工机械的投资成正比，而运转费用与完成工程量成正比。机械的选用和配 备方案，通常是与施工工艺方案密切相关，应结合具体工程情况，权衡工程量与机械费用 的关系，从各种施工方案中选择较为经济的，从而确定所选择的机种。同时在管理上，提 高施工机械的台班作业效率，也可以取得较好的经济效益。 ( 3 ) 选用的机械应能保证施工质量和施工安全 对于技术要求高的单项工程，应考虑采用性能优良或专用的机械，以保证质量和较高 的生产率。同时，机械应具有可靠的安全性能，降低或避免施工安全事故。在施工过程中， 施工企业也应加强安全管理，规范操作，确保施工安全。 ( 4 ) 选用的机械能组合成有效的机群作业系统 公路工程机械化施工，是多种机械协同作业的，即机群作业。对选择的机械，必须考 虑可以组成高效运转的机群作业系统。 4 2 施工机械的选择方法 ( 1 ) 根据作业内容选择 高速公路路基工程作业内容包括土石方挖掘、装载、运输、填筑、碾压等，高速公路 路面工程作业内容一般包括混合料的拌和、运输、摊铺、碾压等，每种作业都由相应的施 工机械来完成。具体选择时，首先选定作业的主要机械，根据其生产能力、工作参数及施 工条件选择辅助机械，以保证工程连续均衡地开展。 ( 2 ) 根据土质条件选择 路基施工作业的主要对象是土石方，其性质和状态直接影响施工机械作业的可能性、 工效、成本及质量，土质条件是选择机械的一个重要依据。 a 根据机械的通过性选择 即车辆在土质等条件限制下，在工地行驶的可能程度，用圆锥指数来表示。 b 根据土质的工程特性选择 土质条件不仅对机械的通过性有影响，而且也左右着机械作业的可能性和工效。由于 各种土的工程特性不同，所以施工时应选择不同的机械。 ( 3 ) 根据运距选择 根据运距选择机械，主要针对铲土运输机械而言，根据施工现场条件，不同的铲土运 输机械有其各自的经济运距。 ( 4 ) 根据气象条件选择 气象条件也是影响选择机械的因素之一，在冬季、雨季施工时，应特别加以考虑。 选择施工机械时，要通盘考虑以上所有因素，结合施工企业本身经济实力和长期发展 战略，合理地确定旌工所用的机械。 5 高速公路机械化施工机群的配置 综合考虑以上施工机械的选择方法和原则，结合施工企业自身的实际情况，选购或自 有或租赁相应的机械后，如何把这些机械配置成有效的机群作业系统，是施工中应重点解 决的问题。 5 1 选择施工机械的基本原则 使各种施工机械进行最佳组合不是一个简单的问题，而是包涵着运筹学、技术经济比 较学等方面的内容。我们认为应从以下几方面去考虑： ( 1 ) 充分发挥主导机械的作用 主导机械和与之配套的机械，在工作容量、数量及工作率等方面应稍有储备，机械的 工作能力也应配合适宜，以便充分发挥主导机械的生产率。例如：在挖掘机与自卸汽车的 配合作业中，挖掘机的工作容量与自卸汽车的车辆容量相适宜，以保证作业的连续性。 ( 2 ) 保证牵引机械的动力 牵引车与配套机具的组合在路基施工中也经常成为一个矛盾，有的一些辅助性机具或 拖式机械没有独立的动力行车功能，需要牵引车牵引工作，这时需要两者组合协调和平衡， 一是避免动力过剩；二要避免动力不足。 ( 3 ) 尽量减少配套机械的种类 配合的机械，其组合要尽量少，否则，总的效率就越低，当然首先要满足各工序的要 求。在现场，我们经常看到在一个组合中，当其中一台发生故障，组合中的其它机械便不 能工作，为此我们应尽可能地组织各个系列组合，进行平行施工。 ( 4 ) 在机群系统中，尽量使用同一型号的机械 在整个机械化施工中，应尽量使用同一功能的、标准的、系列化的机械，这样可以便 于维修和管理。除此之外，为了使各种施工机械合理的组合，施工企业还要结合长期发展 战略、机械装备情况及其完好率、新购机械的可行性等具体实际选择较为合理的组合，因 地制宜，做到技术上合理，经济上有利。 5 2 机群作业系统机械配置的方法 5 2 1 最高效率法 此方法是根据作业量进行机械用量的分配和优化。 ( 1 ) 优化决策流程： i o ( 2 ) 施工机械合理配置的建模： 决策变量：机械种类( i ) 、作业内容( j ) 和台班作业率( q 日) 约束条件：机械的有限资源( x u 、t ) 目标函数：作业量( s ) 或作业时间( t ) m a x s = 岛x ， = lj = 1 x 口足，( f _ l ，2 埘，- ，= 1 ，2 l 一 五= 瓦一一l = r 丁= l 一 岛x f 【， ，= i r d 工口o 且f 为整数 鳞一第种机械完成第项任务的台班作业率 足一第种机械的台数； 一项工程任务量 m 施工机械种类； n - 一任务量，项； u 每天工作班次。 这种方法的理论基础是线性规划，目标函数是完成的工程量最大。在施工企业拥有不 同型号的机械，完成相同工序的施工任务，可以应用这种方法进行各种型号机械数量的确 定。例如路基土方的填筑施工，施工单位有t y l 2 0 推土机、t y 2 2 0 推土机、t y l 4 0 推土机、 w y l o o 挖掘机、c l 铲运机，施工任务是挖方5 0 万立方米( 挖土深度小于o 6 米) ，半挖 半填路基3 0 万立方米( 中等土壤) ，填方路基3 0 万立方米，此时就可以用这种方法进行各 种机械数量的确定。 5 2 2 排队论法 一般的挖掘压实机群作业系统，机械工作过程，如下图所示： 挖掘一压实机群作业系统 排队论法是用统计数学来处理装车时间和行驶时间变化的方法。应用这一方法时认为 装载时间和行驶时间出现的概率呈泊松分布或指数分布。 挖掘机无车可装和有车可装的概率分别为风、b ，n = 1 一风 y 每小时到达率与每小时装车辆数的比值。 y = a l = t 1 t 2 = v q st 2 a _ _ 气车的平均到达率，以每小时到达的次数计( 按无延误计算，不包括 装车时间) ，a - l t 2 ； i 挖掘机每小时平均装车数，l = 1 t 严q s 厂v ； t ，挖掘机装车时问； t 2 车辆行驶时间； v 汽车车箱的堆装容积； q s _ 宅掘机的实际生产率。 1 2 挖掘机无车可装的概率风和有车可装的概率n ，取决于自卸汽车的车辆数n 和y 风值可用下式精确计算： 州篓南t 1 与一台挖掘机配套的最适宜的车辆数n 为 n ：l 旦 任何一种理论都有局限性，不可能包容所有施工作业影响因素，也不可能即要效率最 高又要费用最低。在实际运用中应理论加经验，并结合施工现场的具体情况及工期、质量 要求来配置机群作业系统中所需机械。 江苏省地处长江下游，大部分地区土质较差，高速公路路基填筑多采用掺石灰改良， 路面底基层多采用石灰或水泥稳定土( 或掺粉煤灰) ，基层多采用二灰碎石或水泥稳定碎石， 路面面层基本采用沥青混凝土路面。江苏省高速公路的质量在全国是在前列的，这除了业 主的重视、监理的负责、承包商的自觉性以外，很大程度上应归功于机械化施工。下面就 分别论述路基、路面的机械化施工机群作业系统。 5 3 机械化施工机群系统的设计与评价” 5 3 1 由施工进度决定的生产率标准 任何一项工程都有工期的限制，对机械化施工系统设计不能完全随心所欲，一定的工 期决定了一个施工进度的范围。施工进度的确定必须考虑该项目合同范围内的施工准备、 自然条件、材料供应及收尾工程等影响；主体工程的机械化施工存在一个最迟机械化作业 完工工期的限制。由这种最迟机械化作业完工工期的限制，就可以计算出机械化施工系统 最低生产率指标，这个生产率指标就成为了系统设计或评价的一个标准。 5 3 2 由施工质量决定的技术标准 影响工程产品质量的因素很多，除了施工工艺、筑路材料、机械本身等因素外，还包 含土方的含水量、沥青砼拌合物的温降控制、水泥拌和物( 水泥稳定土、水泥砼1 的水泥初凝 时间，压实工序的压实度等。后者就是影响机械化施工系统设计的技术因素，例如：在沥 青砼路面机械化施工中，保证麓工质量的主要任务是：合理设计机械化施工系统，使沥青 砼拌合物在经过拌和、运输、摊铺后，其初压前、复压后、终压后的温度应符合有关施工 规范的规定，否则该机械化旌工系统就是不合理的设计，施工质量将无法保证。 5 3 3由施工成本决定的标准 比较合理的机械化施工系统设计，应该是在保证工程的工期目标、质量目标的前提下， 提高系统各施工机械的使用效率，降低工程施工成本，为施工企业创造更多的利润。利用 随机服务系统理论进行系统设计，不同的系统机械配嚣方案对应着不同的机械利用率，不 同的机械利用率对应着不同的机械使用费，不同的机械使用费就意味着不同的施工成本。 因此，由成本决定的系统机械配置标准就是使整体机械使用费最低。任何一项单独的标准 都不能全面地反映系统设计的合理性。仅从成本指标角度来看，机械使用费最低，并不能 保证系统生产率能满足工期要求；另一方面，若忽略技术标准，就有可能使施工质量不符合 规范要求而出现施工过程的中断，严重时会出现工程返工等问题，作为机械化施工系统设 计依据和评价准则，上述三方面的标准缺一不可。 5 3 4 机械化施工系统设计及评价的指标体系 上面仅定性地分析了机械化施工系统设计的标准，在实际运用中还缺乏可操作性，因 此必须将上述标准量化成一套指标体系，使之能够在系统设计阶段作为系统设计的指导和 依据，在系统实施阶段，作为系统评价的指标。 5 3 4 1 工程进度及生产率控制指标 1 系统最低生产率指标 工程进度控制主要是依据总工程量、总工期要求，将该标准量化为机械化施工系统的最 低生产率q 。： q 。= g ，t 。 式中q 。；。机械化施工系统最低生产率，m 3 ，h ； g 机械化施工总作业量，m 3 ； t 。机械化施工作业最迟完工期，台班 在系统设计阶段，q 。，。指标主要用于确定系统生产率，依据系统生产率首先确定系统 主导机械设备的生产能力和数量。主导机械生产能力确定后，也就决定了配套机械的生产 能力，原则上配套机械的生产能力应略大于主导机械的生产能力。在系统实施阶段，q 。t 。 主要用于评价机械化施工系统的生产率是否能够满足工期目标。 2 系统生产率指标 高速公路公路机械化施工理论将系统机械生产率分为三种： ( i ) 理论生产率q 。，反映机械技术水平，一般为机械技术说明书上标定的额定生产率。 ( 2 ) 实际生产率q 。，反映在具体的施工条件下的机械化施工设计方案，施工机械配合及 组织管理水平。因各机械的利用率不可能达到百分之百，所以机械化施工系统各机械存在 实际生产率，并且为系统设计追求最大化的一个目标，也是系统评价的一个重要指标；其 衡量： q 。= q - k 酶( 1 风) 其中，k 一该机械在机械化施工系统中的联合作业系数( 或机械利用率) ； k s 一机械施工作业的时间利用系数。 3 工程成本控制指标 在工程量一定的情况下，材料费在工程成本中是一个稳定值；为完成这一工程量所发 生的机械使用费，则会因不同的机械化施工系统设计方案而对应着不同的工程施工成本， 在不同的机械化施工系统设计方案中，选择最低工程施工成本是系统设计最基本的指导思 1 4 想。因此，工程成本标准可量化成单位工程最低机械使用费cx 。 机群系统总的台班费c ( 元台班) c = c z l + c z 2 + n 十c l c z 广一第一主导机械台班费； c z 2 一第二主导机械台班费； n 一运输车辆数； c l 一运输车辆数台班费； 单位工程机械使用费 c 。：j 一：5 1 g 2 型：竺 “gs 8k 口k sql ( 1 一po ) 5 3 4 2 机械化施工系统设计的基本步骤 1 基础数据的收集； 2 由施工工艺确定系统机械设备组成； 3 根据q 。确定系统第一主导机械设备生产能力及数量： 4 由第一主导机械设备的生产能力确定第二主导机械一摊铺机的生产能力和数量； 5 计算系统运行状态参量，确定系统配套机械的配置组合方案： ( 1 ) 系统基本数据的统计分析及处理； ( 2 ) 确定机械运行的有关参数期望值； ( 3 ) 选定机械化施工系统的数学模型； ( 4 ) 对模型求解，确定机械运行状态参量； ( 5 ) 确定配套机械自卸运输车数量n ： 1 ) 对n 取不同值求解系统模型参量( 不同的n 则对应于不同的设计方案) ； 2 ) 求解不同的设计方案下的系统各组成机械的利用率； 3 ) 确定不同的设计方案下的系统实际生产率，qs ； 4 ) 确定不同的设计方案下的系统单位工程机械施工成本，cx ： 5 ) 综合考虑qs 、cx 等指标确定系统最佳配置方案。 6 路基工程的机械化旌工机群作业系统 高速公路路基土方( 填方) 施工工艺一般为：清表一清淤、回填一填前碾压一装士一 运土一粗平一精平一碾压，对应配备的机械为推土机、挖掘机、自卸汽车、平地机、压路 机等。 对于一般的路堑开挖，挖掘机配备自卸汽车即可：对于石方路段，尚需要爆破设备。 目前，国内市场上筑路机械品牌、型号众多，价格差别较大，产品质量参差不齐，给 用户或企业带来更多选择余地的同时也增加了难度。为了减少投资风险、获得较高的收盏， 应结合施工需要进行合理的采购，从多方面来权衡产品的优劣。结合江苏省高速公路施工 的实际情况，对常用的土方施工机械的应用提出粗浅的看法。 6 1 推土机 推土机是一种多用途的自行式土方工程施工机械，它能铲挖并移运土壤。例如，在高 速公路施工中，推土机可完成路基基底的处理，路侧取土横向填筑高度不大于l m 的路堤， 沿道路中心线向铲挖移运土壤的路基挖填工程，傍山取土修筑半堤半堑的路基。此外，推 土机还可用于平整场地，堆集松散材料，清除作业地段内的障碍物等。 推土机的基本作业包括铲土、运送、卸土和空回四个作业过程。通过现场观察，欲提 高推土机的作业效率，应注意以下环节：铲土时最好选择下坡作业，利于最短时间和最短 距离铲满土：运送时，尽量减少土壤的漏损，以便让更多的士运送到卸土点；卸土时也应 根据不同的施工条件采用不同的卸土方法，以达到相应的技术要求和施工安全；空回时， 应尽可能快速驶回。在高速公路路基土方施工中，推土机一般用来粗平自卸汽车卸下的土 方，选用中型推土机，功率以1 2 0 t 2 0 为适宜，其接地比压q = o 0 6 o 0 8 5 m p a 。在湿地或 沼泽地区施工时，采用湿地推土机，其接地眈压q = 0 0 3 m p a 。 6 2 挖掘机 挖掘机是路基工程施工的主要机械之一，其效率高、产量大，因此，在考虑采用其进 行施工时，应结合地形条件、工程量大小以及运输条件来决定，从我们的具体实践中发现 正铲挖掘机在土石方开挖中采用侧向和正向两种不同开挖