CN104834986B - 基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法，所述方法包括以下步骤：基于隧洞施工仿真模型确立敏感性分析输入的参数，并对参数进行预处理；进行隧洞施工工期多因素敏感性分析；进行隧洞施工工期全局性敏感性分析；敏感性分析结果的工程语言转化；对隧洞施工工期进行实时动态监测与控制。本发明可实现对隧洞施工进度的动态控制，及时发现不合理的施工配置与施工方案，动态调整施工方案，提高工程施工精度；可对可能引起隧洞施工工期波动的全部参数都进行敏感性分析与动态控制，实现对施工参数、工序持续时间对工期影响的全面认识；进一步获取参数组合中的更关键参数，为施工机械配置方案的校核提供有力保障。

Description

基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法

技术领域

本发明涉及水利工程、交通运输工程技术领域，尤其涉及一种基于全局综合敏感性分析对隧洞施工进度进行动态控制的方法。

背景技术

随着引水隧洞、公路隧道、铁路隧道建设事业的不断发展，隧洞工程的施工建设受到广泛关注。但同时，隧洞施工是一个庞大而复杂的工程，隧洞的施工工期由于受到众多因素的影响而波动，工期的波动易引起实际工期与计划工期的不吻合，这将给施工进度的安排与管理带来不便。采用敏感性分析法对上述问题进行控制研究，可以达到对隧洞施工进度进行更有效的管理的目的。因此，分析研究引起隧洞施工工期波动的因素，对隧洞施工参数进行实时更新与动态控制，减少隧洞施工中实际工期与计划工期不吻合的现象，成为隧洞工程施工建设研究中的重要内容。

国内外对隧洞施工工期敏感性分析的研究起步较晚，国外方面，Herroelen^[1]阐述了对隧洞施工工期进行敏感性分析的必要性；J.R.Li等^[2]在水利水电工程地下洞室群的建设中进行机械设备配置对隧洞施工工期影响的敏感性分析；Limao Zhang等^[3]采用模糊故障树分析法，进行环境因素对隧道建设工期影响的敏感性分析，找出引起隧道事故的风险因素，并将该方法成功应用于地铁隧道施工工程中。国内方面，赵志刚等^[4]对水电工程中的地下隧洞施工项目进行部分施工参数对工期影响的敏感性分析，得到针对工期的优选施工方案；梅金权等^[5]指出隧洞施工系统是一个离散的随机动态系统，改变系统中的一个或几个施工参数会得到不同的施工工期，因此有必要对施工参数进行敏感性分析；李明超等^[6]耦合风险因素对水电站地下洞室群的施工工期进行局部敏感性分析，为工程风险的防范和施工进度的控制分析提供依据。

从国内外开展的一系列研究和应用来看，对隧洞施工工期进行敏感性分析的研究不多，且研究仅为单因素敏感性分析或局部敏感性分析，没有对全部可能引起工期波动的因素对工期的影响进行全局性的综合敏感性分析，对隧洞施工工期敏感性分析的研究不够全面，对实际施工的指导效力有限。

发明内容

本发明提供了一种基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法，本发明针对隧洞工程的施工工期存在波动的问题，结合隧洞施工工艺与施工特性，基于全局综合敏感性分析法，提供一种控制因素全面、控制效率高的隧洞施工进度动态控制方法，详见下文描述：

一种基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法，所述方法包括以下步骤：

基于隧洞施工仿真模型确立敏感性分析输入的参数，并对参数进行预处理；

进行隧洞施工工期多因素敏感性分析；进行隧洞施工工期全局性敏感性分析；

敏感性分析结果的工程语言转化；

对隧洞施工工期进行实时动态监测与控制。

其中，所述基于隧洞施工仿真模型确立敏感性分析输入的参数，并对参数进行预处理的步骤具体为：

将施工参数、施工工序段分别确立为敏感性分析的输入参数；由施工经验、现场实际施工条件、现场实际施工设备选取状况确立隧洞施工仿真模型中模型参数的选取范围；

改变已经确定取值范围的隧洞施工仿真模型参数的取值，进行多次仿真运算，记录仿真结果；

结合蒙特卡罗法，分别在隧洞施工仿真模型参数与工序持续时间各自相应的取值范围内对施工参数、施工工序段进行随机抽样，随机抽样的次数要满足置信度要求；

将随机抽样输出的施工参数或施工工序的组合结果输入隧洞施工仿真模型，从隧洞施工仿真模型中输出相应参数组合下的隧洞施工工期。

其中，所述进行隧洞施工工期多因素敏感性分析的步骤具体为：

基于隧洞施工仿真模型，将敏感性分析工作划分为两个阶段：工序持续时间对总工期影响的敏感性分析阶段、施工参数对工序持续时间影响的敏感性分析阶段；

分别计算各分析阶段里输入参数对工期影响的敏感性系数；将施工参数对工序持续时间影响的敏感性系数与施工参数对总工期影响的敏感性系数各自排序。

其中，所述进行隧洞施工工期全局性敏感性分析的步骤具体为：

计算输入参数全部组合对工期影响的耦合敏感性系数；筛选出对工期影响显著的参数组合；

根据影响显著的参数组合的敏感性系数计算参数组合内各参数的阶次敏感度；

对组合内各参数的阶次敏感度进一步排序，获取关键参数组合中的更关键因素。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、可实现对隧洞施工进度的动态控制，及时发现不合理的施工配置与施工方案，动态调整施工方案，提高工程施工精度；

2、可对可能引起隧洞施工工期波动的全部参数都进行敏感性分析与动态控制，实现对施工参数、工序持续时间对工期影响的全面认识；

3、可总结出施工参数对工期敏感性影响的一般规律，为施工组织计划的合理安排与施工工期的动态实时控制提供科学依据；

4、可分析出由于参数之间的相互影响而产生的参数耦合效应对工期的影响，增加分析结果的完整性与准确性，也为施工机械设备的配置与优选提供技术支持；

5、可在耦合效应分析结果的基础上，进一步获取参数组合内部的参数敏感性排序，获取参数组合中的更关键参数，为施工机械配置方案的校核提供有力保障；

6、可一次性获取：所有输入参数对工期影响的敏感性系数、参数耦合相应对工期影响的敏感性系数，以及参数组合内部的参数阶次敏感度，并且能保证一定的分析准确度，为进度动态控制工作的准确与高效奠定基础。

附图说明

图1为一种基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法流程图；

图2为隧洞施工工期全局综合敏感性分析流程图；

图3为隧洞TBM法施工仿真模型；

图4为隧洞钻爆法施工仿真模型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

101：基于隧洞施工仿真模型确立敏感性分析输入的参数，并对参数进行预处理；

其中，参见图1和图2，该步骤具体为：

(1)根据隧洞工程的施工环境、施工要求等，制定隧洞施工方案；

(2)针对制定好的施工方案，寻找该施工方案下在施工过程中可能引起工期波动的全部施工参数；

目前，隧洞工程多采用钻爆法或TBM(Tunnel Boring Machine,全断面隧道掘进机)方式施工。实际中，根据工程的地址条件、隧洞断面形状等客观条件，结合投资方的施工要求，确定隧洞施工方案。分析既定施工方案下的施工过程，选取相应的隧洞施工仿真模型，如图3、图4所示。

图3、图4为两种不同施工方式的隧洞施工仿真模型图，隧洞施工仿真模型采用分层次的网络结构：控制层与实施层。控制层采用图中所示的CPM网络模型，实施层采用图中所示的CYCLONE模型。在仿真应用中，相关人员首先根据隧洞的工程实际确定施工方式为TBM法还是钻爆法，若为TBM法，仿真模型如图3所示；若为钻爆法，仿真模型如图4所示。现以图3所示的TBM法模型图为例对模型图使用方法进行具体说明。

在确定了仿真模型的大类别之后，根据实际施工所划分出的工序段绘制本工程的CPM网络图，图形框架结构如图3中CPM网络图所示，根据具体施工环境进行符合该工程实际的调整，完成仿真建模。之后，将绘制好的CPM图输入隧洞TBM施工仿真软件，进行仿真模拟计算。而CPM网络模型在仿真运算中可能调用的CYCLONE模型块，已经事先由程序开发人员输入仿真软件中，当CPM层需要调用时，软件自动提供。其可能调用的CYCLONE模型块即为图3中的“双护盾施工CYCLONE模型”与“单护盾施工CYCLONE模型”。最后，仿真软件输入工期等仿真运算结果，完成仿真运算。钻爆法模型图使用方法同理。本发明通过图3、图4降低了建模时的复杂度，增加了建模直观度与方便性。

(3)根据施工方案，划分隧洞开挖施工工序段；

(4)将施工参数(即隧洞施工仿真模型中的全部仿真参数)、施工工序段分别确立为敏感性分析的输入参数；

(5)由施工经验、现场实际施工条件、现场实际施工设备选取状况等确立隧洞施工仿真模型中模型参数的选取范围。

其中，需确定范围的参数为仿真模型中的全部仿真参数：根据步骤(2)，若所选模型为TBM法施工仿真模型，则需确定范围的模型参数为掘进速度、换刀率等TBM法施工仿真模型中全部的11个仿真参数；若所选模型为钻爆法施工仿真模型，则需确定范围的模型参数为循环进尺、汽车辆数等钻爆法施工仿真模型中全部的14个仿真参数。

(6)改变步骤(5)中已经确定了取值范围的模型参数的取值，进行多次仿真运算，记录仿真结果。

例如：以工序为基本单位，将仿真结果中与工序持续时间有关的数据划分为多个组别，每个组别记录一个工序所有的仿真持续时间结果。从每个组里比较筛选出工序持续时间的最大值与最小值，从而确立工序持续时间的取值范围。

(7)结合蒙特卡罗法，分别在模型仿真参数与工序持续时间各自相应的取值范围内对施工参数、施工工序段进行随机抽样，随机抽样的次数要满足置信度要求；

其中，使用蒙特卡罗方法模拟产生统计量的一个随机抽样的具体实施步骤为：

1)产生两个随机数r₁、r₂，然后用如下公式产生一对正态抽样值：

2)利用公式(1)方法产生X的标准正态分布XN(0,1)的n个样本记为x₁,x₂,...,x_n；

3)计算样本均值和极差d：

4)算出统计量的一个随机抽样z：

(8)将随机抽样输出的施工参数或施工工序的组合结果输入仿真模型，从仿真模型中输出相应参数组合下的隧洞施工工期，对其记录，以备敏感性分析使用。

102：进行隧洞施工工期多因素敏感性分析；

(1)基于隧洞施工仿真模型，将敏感性分析工作划分为两个阶段：工序持续时间对总工期影响的敏感性分析阶段、施工参数对工序持续时间影响的敏感性分析阶段；

(2)分别计算各分析阶段里输入参数对工期影响的敏感性系数，包括：施工参数对工序持续时间影响的敏感性系数、施工参数对总工期影响的敏感性系数，以及工序持续时间对总工期影响的敏感性系数：

将仿真模型通过函数关系转换为y＝f(s)，通过傅立叶变换得：

式中：s为标量，-∞＜s＜+∞；k为傅立叶变换参数；A_k和B_k为傅立叶振幅，即：

则，傅立叶级数的频谱定义为其中，k∈Z＝{-∞,...,-1,0,1,..,+∞}，A_-k＝A_k，B_-k＝B_k。A_-k、B_-k指傅立叶变换参数为-k时所对应的傅立叶振幅。由样本x_i引起的敏感性分析模型结果方差V_i可表示为：

其中，Λ_k、Λ_j代表傅立叶级数的频谱；Z⁰＝Z-{0}，Z为数学中整数集合的指代符号，因此Z⁰＝Z-{0}表示从Z所指代的整数集合中除去{0}这一整数集合，即表示非零整数集合；ω_i为参数x_i所定义的整数频率。

总方差：

将s在区间[-π,π]内等间隔取样，把取样获得的每一个参数值输入敏感性分析模型，多次运行模型，由方程(9)获得A_k和B_k近似解：

式中：N_s为取样数；由A_k和B_k及参数x_i所 对应的频率ω_i，通过方程(7)和方程(8)可获得每一个参数对引起的方差V_i及总方差V。则，V 即为敏感性分析输入参数的主效应对工期影响的敏感性系数。

(3)将施工参数对工序持续时间影响的敏感性系数与施工参数对总工期影响的敏感性系数各自排序，以备结果分析使用。

103：进行隧洞施工工期全局性敏感性分析；

由于敏感性分析模型的总方差是由各个参数及参数之间的耦合作用共同得到的，现把模型的总方差V分解为各部分的方差之和：

式中：V_ij为参数x_i通过参数x_j作用所贡献的方差；V_ijm为参数x_i通过参数x_j、x_m作用所贡献的方差；V_1,2,...,k为参数x_i通过参数x₁、x₂、…、x_k作用所贡献的方差。通过归一化处理，参数x_i的一阶敏感性指数S_i反映x_i对模型输出总方差的主效应，可定义为：

同理，参数x_i的二阶、三阶敏感性系数可定义为：

参数x_i的耦合效应为参数x_i的各高阶次敏感性系数之和，即：

S_Ci＝S_ij+S_ijm+...+S_1,2,..i.,k (13)

式中，S_Ci为参数x_i的耦合效应对结果影响的耦合敏感性系数，S_ij、S_ijm、S_1,2,..i.,k等为参数x_i与其他参数组合而产生的不同阶次的敏感性系数。

即采用上述公式计算输入参数全部组合对工期影响的耦合敏感性系数；筛选出对工期影响显著的参数组合；根据这些参数组合的敏感性系数，采用公式(11)、公式(12)计算参数组合内各参数的阶次敏感度；对组合内的参数阶次敏感度进一步排序，获取关键参数组合中的更关键因素。

104：敏感性分析结果的工程语言转化；

(1)整理分析工序持续时间对总工期影响的敏感性系数，识别出对总工期影响显著的施工工序段，将这些工序断作为施工中需重点控制的关键施工工序；

(2)对比施工参数对工序持续时间影响的敏感性系数、与施工参数对总工期影响的敏感性系数的排序结果，总结施工参数对工期影响的一般性规律；

(3)根据总结出的施工参数对工期影响的一般性规律，识别出对总工期影响显著的施工参数，将这些施工参数作为施工中应该重点控制的关键施工参数，对这些参数进行合理选取；

(4)分析对工期影响显著的参数组合的筛选结果，确立施工机械设备的配套方案；

(5)根据组合内的参数阶次敏感度的排序结果，再次校核施工机械设备的配套方案，重点验证更关键因素的因素水平选取是否合理，得出最终的机械设备配套方案。

105：对隧洞施工工期进行实时动态监测与控制。

(1)在施工现场对数据(包括：施工参数的选取情况、工序持续时间、总工期)进行实时采集，并记录采集结果；

(2)将现场实测数据与敏感性分析预测结果进行对比，判断是否相吻合；

(3)若结果吻合则进行下一洞段开挖工作；否则，对施工数据与施工方案进行实时修正；

(4)以施工洞段为单位对上述步骤进行动态循环，直至隧洞开挖工作完成。

综上所述，通过本发明提供的控制方法可对可能引起工期波动的全部因素同时进行敏感性分析，一次性确定出模型中全部施工仿真参数对工期的影响程度，获得所有施工参数对隧洞施工工期影响的敏感性排序，清晰判断施工中应重点控制的关键因素；还可分析因素之间是否有耦合效应、耦合效应对工期是否有影响、影响是否显著，从而在确定关键因素的基础上，进一步确定施工中应该重点控制的关键因素组合；最后可以对施工过程进行实时控制，依据敏感性分析结果，及时对比识别不合理的施工模式，及时调整施工方案，为施工组织计划的合理制定、施工进度的有力控制提供可靠依据。

参考文献

[1]Herroelen W.and Leus R.Project scheduling under uncertainty:surveyand research potentials[J].European Journal of Operatinal Research，2005，165(2)：289-306.

[2]Jing-ru Li，Deng-hua Zhong.A GIS-Based Visual Simulation System forUnderground Power Station Construction[J].Computing in Civil Engineering，2005，01(7)：1-12.

[3]Limao Zhang，Miroslaw，Skibniewski，et al.A probabilistic approachfor safety risk analysis in metro construction[J].Safety Science，2013，2(63)：8-17.

[4]赵志刚，王丽学，石志强等.基于模拟技术的水利工程施工方案优选方法研究[J].东北水利水电，2005，07(23)：6-8+55.

[5]梅金权，刘志.水利工程施工方案的优选及应用[J].治淮，2006，03(1)：41-42.

[6]李明超，段志龙.耦合风险因素的大型地下厂房施工进度仿真分析[J].水利水电科技进展，2014，05(34)：39-44.

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

基于隧洞施工仿真模型确立敏感性分析输入的参数，并对参数进行预处理；

进行隧洞施工工期多因素敏感性分析；进行隧洞施工工期全局性敏感性分析；

敏感性分析结果的工程语言转化；

对隧洞施工工期进行实时动态监测与控制；

其中，所述进行隧洞施工工期全局性敏感性分析的步骤具体为：计算输入参数全部组合对工期影响的耦合敏感性系数；筛选出对工期影响显著的参数组合；根据影响显著的参数组合的敏感性系数计算参数组合内各参数的阶次敏感度；对组合内各参数的阶次敏感度进一步排序，获取关键参数组合中的更关键因素；

其中，所述根据影响显著的参数组合的敏感性系数计算参数组合内各参数的阶次敏感度具体为：

通过归一化处理，参数x_i的一阶敏感性指数S_i反映x_i对模型输出总方差的主效应，定义为：

同理，参数x_i的二阶、三阶敏感性系数定义为：

参数x_i的耦合效应为参数x_i的各高阶次敏感性系数之和，即：

S_Ci＝S_ij+S_ijm+...+S_1,2,..i.,k

式中，S_Ci为参数x_i的耦合效应对结果影响的耦合敏感性系数，S_ij、S_ijm、S_1,2,..i.,k等为参数x_i与其他参数组合而产生的不同阶次的敏感性系数，V为总方差，V_ij为参数x_i通过参数x_j作用所贡献的方差；V_ijm为参数x_i通过参数x_j、x_m作用所贡献的方差；V_i为每一个参数对引起的方差。

2.根据权利要求1所述的一种基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法，其特征在于，所述基于隧洞施工仿真模型确立敏感性分析输入的参数，并对参数进行预处理的步骤具体为：

将施工参数、施工工序段分别确立为敏感性分析的输入参数；由施工经验、现场实际施工条件、现场实际施工设备选取状况确立隧洞施工仿真模型中模型参数的选取范围；

改变已经确定取值范围的隧洞施工仿真模型参数的取值，进行多次仿真运算，记录仿真结果；

结合蒙特卡罗法，分别在隧洞施工仿真模型参数与工序持续时间各自相应的取值范围内对施工参数、施工工序段进行随机抽样，随机抽样的次数要满足置信度要求；

将随机抽样输出的施工参数或施工工序的组合结果输入隧洞施工仿真模型，从隧洞施工仿真模型中输出相应参数组合下的隧洞施工工期。

3.根据权利要求1所述的一种基于全局综合敏感性分析的隧洞施工进度动态控制方法，其特征在于，所述进行隧洞施工工期多因素敏感性分析的步骤具体为：

基于隧洞施工仿真模型，将敏感性分析工作划分为两个阶段：工序持续时间对总工期影响的敏感性分析阶段、施工参数对工序持续时间影响的敏感性分析阶段；

分别计算各分析阶段里输入参数对工期影响的敏感性系数；将施工参数对工序持续时间影响的敏感性系数与施工参数对总工期影响的敏感性系数各自排序。