CN106777823B - 基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，包括下列内容：(1)将通风数值模拟和地下洞室群施工进度仿真结合，建立基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化数学模型；(2)提出地下洞室群施工通风两相流混合模拟理论方法；(3)建立地下洞室群施工通风数值模拟参数库；(4)建立地下洞室群施工通风三维精细物理模型并划分网格；(5)实现不同开挖进度下地下洞室群施工通风两相流混合模拟；(6)结合通风数值模拟结果进行地下洞室群施工全过程仿真优化分析。通过本发明方法不仅求解得出洞室群内整体风流结构和污染物空间分布及动态变化规律，还可得出通风难点区域的风流场瞬态脉动信息和尘粒弥散机理。

Description

基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法
技术领域
本发明属于地下工程施工技术领域，具体的说，是涉及一种基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法。
背景技术
地下工程施工是一个极其复杂的过程，尤其是对于地下洞室群工程，其施工过程是一个复杂的带有随机因素的系统，不仅面临着开挖量大、施工条件复杂等问题，还涉及开挖方式多样等难点。因此，有必要系统地分析研究施工中各方面因素，协调各施工环节间的相互关系，使施工方案更加合理，达到施工快速、经济、安全的目的。而采用全过程仿真技术对于这一过程进行分析研究，可在工程实际施工前进行多方案预演，从而对不同方案进行比较与分析，进而制定出较为合理的施工方案。
施工通风作为工程施工钻爆循环中的重要一环以及施工进度仿真中的重要参数，它的科学取值严重影响着整个工程的施工进度和施工安全。在地下洞室群钻爆法开挖过程中会产生大量的有害气体和粉尘，风流由于空间限制形成的涡流结构，流体间因密度差形成的异重流，以及洞室间布置错综复杂的特点，通风拐角、死角的存在都会阻碍烟尘排出。有害气体和粉尘长期滞留在洞室内，将极大损害施工人员的身体健康；同时，洞室内空气的含氧量下降，使的燃油设备的施工效率下降，影响施工进度。
目前传统的地下洞室群施工全过程仿真技术虽然可实现施工方案的优选和施工过程的描述，但是初始仿真系统中通风参数的取值多是根据施工人员的经验判断，很难定量估算出排烟效率，对洞室群中的风流路径和有害气体扩散过程也难以预测。因此，有必要采用先进的计算机技术和科学的计算流体力学方法对水电地下洞室群施工通风过程进行数值模拟研究，得出科学合理的施工通风散烟时间，从而为仿真过程的优化和工程实际提供理论指导和技术支持。
现有对于地下工程施工通风时间科学取值的数值模拟研究局限于单一引水隧洞独头掘进施工通风雷诺时均单相流模拟方面[1]；而地下洞室群不仅具有各洞室立体交叉的群体结构特点，而且其通风拐角、死角多，导致施工通风强度高、难度大，并且其通风过程是一个气固两相相互掺混相互影响的复杂物理过程，因此有必要利用两相流方法对其进行深入细致的研究。目前地下工程施工通风两相流模拟研究主要集中在矿井巷道方面[2-4]，在水电地下工程施工通风研究方面初有涉及，王晓玲等[5]建立了引水隧洞三维瞬态Euler-Euler两相流数学模型，模拟了水电站地下引水洞独头掘进面爆破开挖后的施工通风过程，分析了壁面糙率等因素对粉尘迁移的影响。王晓玲[6]和Liu等[7]针对某水电站深埋引水隧洞钻爆施工后的通风散烟困难问题，建立了瞬态Euler–Lagrange两相流模型，模拟得出隧洞群内壁面热交换系数和粉尘迁移变化，并通过洞口质量率指标得出不同开挖长度下的通风散烟时间。
由上述可知，目前缺乏基于通风数值模拟的地下洞室群施工通风时间科学取值的研究，且相关地下工程通风数值模拟多集中在单相流方面。此外，目前的两相流施工通风模拟研究均是对于施工通风过程的雷诺时均模拟，求解得出的是洞室群内整体风流结构和污染物空间分布及动态变化规律，无法模拟得出地下洞室群内洞室连接处、拐角、死角等通风难点区域的风流场瞬态脉动信息和尘粒弥散机理。
参考文献：
[1]张静.引水地下管道施工方案综合优化研究[D].天津：天津大学，2007.
[2]Klemens R,Kosinski P,Wolanski P,Korobeinikovb VP,Markovb VV,Menshov IS et al.Numerical study of dust lifting in a channel with verticalobstacles.J Loss Prevent Proc 2001；14(6):469–73.
[3]Cannoo B.STAR–CD digs miners out of trouble.In:CD Adapco Dynamics,Fall.New York:CD adapco Group；2004,p.27–8.
[4]
Figure BDA0001219369900000021
J,Torno S,Menendez M,Gent M.Auxiliary ventilation in miningroadways driven with roadheaders:Validated CFD modelling of dustbehavior.Tunn Undergr Sp Tech 2011；26(1):201–10.
[5]张静,王晓玲,陈红超,刘雪朋,孙月峰.引水隧洞独头掘进工作面风流和粉尘扩散的模拟[J].水力发电学报,2008,27(1):111-117.
[6]王晓玲,刘震,杨安林,张爱丽.考虑热交换的引水隧洞施工通风两相流模拟[J].天津大学学报,2013,46(4):322-327.
[7]Zhen Liu,Xiaoling Wang,Zhengfei Cheng,Ruirui Sun,AiliZhang.Simulation of construction ventilation in deep diversion tunnels usingEuler–Lagrange method[J].Computers&Fluids,2014,105:28-38.
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，通过地下洞室群施工通风三维两相流混合数值模拟，获得科学合理的施工通风时间参数，为地下洞室群施工进度仿真优化和工程实际提供理论指导和技术支持。因此，本发明提供了一种基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法。通过本发明方法首先实现了地下洞室群施工通风三维两相流混合数值模拟，不仅求解得出洞室群内整体风流结构和污染物空间分布及动态变化规律，还可得出地下洞室群内洞室连接处、拐角、死角等通风难点区域的风流场瞬态脉动信息和尘粒弥散机理；其次基于通风数值模拟，得出随洞室开挖施工进度变化的施工通风时间参数，优化了传统地下洞室群施工进度仿真模型中通风参数的取值，从而得出更符合施工实际、更接近真实系统的施工进度仿真结果。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，具体包括下列内容：
(1)将通风数值模拟和地下洞室群施工进度仿真结合，建立基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化数学模型；
(2)提出地下洞室群施工通风两相流混合模拟理论方法；
(3)建立地下洞室群施工通风数值模拟参数库；
(4)建立地下洞室群施工通风三维精细物理模型并划分网格；
(5)实现不同开挖进度下地下洞室群施工通风两相流混合模拟；
(6)结合通风数值模拟结果进行地下洞室群施工全过程仿真优化分析。
地下洞室群施工进度仿真优化数学模型包括5部分，各部分模型具体描述如下：
①建立了基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法的数学模型集合M，包括：地下洞室群施工通风两相流混合模拟数学模型MVENT和地下洞室群施工进度仿真模型MSIM；
②提出了地下洞室群施工通风两相流混合数值模拟方法，建立了三维非稳态紊流数学模型集合MVENT，包括：欧拉-欧拉两相流模型MEE和大涡-拉格朗日两相流模型MLL；
③建立了地下洞室群施工进度仿真模型集合MSIM，包括：关键路径法网络模型CCPM和循环网络技术模型MCYC；
④定义了模型集合M中各个子模型的参数集合，包括参数集PVENT的输入参数如几何参数IG、边界条件IBO、初始条件II、通风布置参数IA，输出参数如污染物浓度OC、风速OV、通风时间OTIME；参数集PSIM的输入参数如循环进尺IL，爆破参数IB，渣车参数IZ，通风参数IVENT，输出参数如总工期OD，完工概率OP，关键路线OKP；
⑤以数值模拟得出的通风时间参数OTIME为基础，进行地下洞室群施工进度仿真优化分析研究，定义函数f，表示通风时间参数OTIME与仿真通风参数IVENT之间的逻辑关系。
提出地下洞室群施工通风两相流混合模拟理论方法具体为：针对地下洞室群施工通风特点和洞室立体交叉分布实际，建立施工通风三维非稳态两相流混合数学模型，欧拉-欧拉两相流模型和大涡-拉格朗日两相流模型，首先建立施工通风欧拉-欧拉两相流模型，在动量方程中充分考虑气固间相互作用力，对其施工通风过程进行雷诺时均两相流模拟研究，分析风流场分布和洞室群内粉尘浓度随时间、空间运移机制；其次针对地下洞室群通风重点区域(如工作面附近，洞室连接处等)建立施工通风大涡-拉格朗日两相流模型，分析风流场瞬态信息和尘粒在大涡结构中的运动规律及弥散特性；最后结合工程实际，确定进口、出口、壁面以及颗粒碰撞的边界条件，采用有限体积法对控制方程进行离散，采用采用压力的隐式算子分割法(Pressure-Implicit with Splitting of Operators，PISO)对控制方程进行求解。
建立地下洞室群施工通风数值模拟参数库具体为：根据地下洞室群工程总布置、施工组织计划书以及地下工程相关施工组织规范，建立地下洞室群施工通风数值模拟参数库，参数库数据包括：地下洞室群几何参数和爆破参数，施工通风控制条件，施工通风方式，所需通风量。
建立地下洞室群施工通风三维精细物理模型并划分网格具体为：结合步骤(3)中参数库各项通风参数和实际工程资料，通过建模软件建立不同施工进度下地下洞室群施工通风三维精细物理模型，采用适体坐标变换方法及局部加密技术对所建立物理模型进行网格划分。
实现不同开挖进度下地下洞室群施工通风两相流混合模拟具体为：基于步骤(4)建立的不同洞室开挖进度下的洞室群三维精细网格模型，调用步骤(3)参数库各参数，采用步骤(2)构建的两相流混合数学模型，利用计算流体力学软件实现不同洞室开挖进度下地下洞室群施工通风过程的两相流混合模拟，得出风流结构和瞬态信息、污染物浓度变化规律和尘粒扩散机理，并以可视化表达的形式输出，最后通过洞室内的污染物浓度随时间和空间的变化，得出随洞室开挖进度变化的施工通风时间参数。
结合通风模拟结果进行地下洞室群施工全过程仿真优化分析具体为：
①设立地下洞室群施工全过程仿真钟
全过程动态仿真技术由于采用了两个层次的模型进行建模，故在仿真过程中相应地设置两个“仿真钟”：“全程仿真钟”和“本地仿真钟”。
②建立地下洞室群施工仿真模型
首先，确定通风、钻孔、运渣等地下洞室群施工参数的取值信息，输入各自的仿真模块参数库；
其次，用通过通风数值模拟得出的随开挖进度变化的通风时间参数代替原有的经验通风参数，更新通风参数库，形成优化通风模块；
再次，依据施工组织设计，确定各工序施工方式，调用通风模块、钻孔模块、运渣模块等，建立不同施工方式下的循环网络技术模型；
最后，将循环网络技术模型计算结果输入关键路径法网络模型，建立地下洞施工仿真关键路径法层模型，并最终形成优化的整体仿真模型。
③计算仿真有效时间
④分析仿真进度计划
⑤输出仿真优化结果
综合考虑各种因素的影响，充分考虑工序间依赖关系，对施工资源强度进行均衡优化，进行施工进度的定量计算与分析，获得了合理的施工工期、优化的施工进度、资源强度、关键路线及各时段机械设备使用情况等重要参数，对工程完工概率进行了分析，为施工方案的论证提供更好的依据。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.采用耦合关键路径法网络模型(CPM模型)和循环网络技术模型(CYCLONE网络模型)的层次化仿真建模技术，基于数值模拟得出的科学施工通风时间参数，建立通风数值模拟模块，弥补了传统仿真系统中通风参数的取值多依据工程类比和经验确定的不足，实现了地下洞室群施工仿真优化。
2.采用先进的计算机技术和科学的计算流体力学方法对水电地下洞室群施工通风过程进行三维非稳态两相流数值模拟，突破了现有水电地下工程施工通风时间科学取值的数值模拟研究局限于单一引水隧洞独头掘进施工通风方面的局限。
3.针对水电地下洞室群具有立体交叉群体结构的特点，提出地下洞室群施工通风两相流混合数值模拟方法，不仅通过欧拉-欧拉(Eulerian-Eulerian)两相流模拟分析了整体洞室内污染物随时间、空间运移机制；而且通过大涡-拉格朗日(LES-Lagrangian)两相流模拟揭示了通风难点区域的风流瞬时脉动信息和湍流涡量演化下尘粒的弥散机理，弥补了目前两相流施工通风模拟研究均是对于施工通风过程的雷诺时均模拟的不足。
附图说明
图1是本发明方法具体实施过程中的总体技术流程图
图2是本发明方法具体实施过程中的数学模型图
图3是本发明地下洞室群施工通风两相流混合模拟理论方法构建图
图4是本发明地下洞室群施工全过程仿真模型图
具体实施方式
下文中，Eulerian-Eulerian两相流紊流模型也即欧拉-欧拉两相流模型；两相流大涡模拟LES-Lagrangian模型也即大涡-拉格朗日两相流模型；CPM模型也即关键路径法网络模型；CYCLONE模型也即循环网络技术模型。
针对现有地下洞室群施工进度仿真技术的不足，本发明结合水工结构学、系统仿真、计算流体力学等多学科交叉理论成果，采用数学建模、仿真建模及通风模拟等综合研究手段，首先基于建立的地下洞室群施工通风三维非稳态两相流混合数学模型，对其施工通风过程进行三维数值模拟，分析了洞室群整体风流结构和污染物动态变化规律，获得了通风重点区域的风流瞬态脉动信息和尘粒弥散机理；其次基于数值模拟结果，得出随洞室开挖施工进度变化的施工通风时间参数，优化传统地下洞室群施工进度仿真模型中通风参数的取值，从而得出更符合施工实际、更接近真实系统的施工进度仿真结果，总体如图1所示。为达到上述目的，下面将结合附图和具体实施例进一步说明本发明，本方法尤其适用于大型的地下洞室群：
(1)提出基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化数学模型，具体步骤为：
将通风数值模拟和施工进度仿真结合，建立地下洞室群施工进度仿真优化数学模型，如附图2所示。该数学模型包括5部分，各部分模型具体描述如下：
①建立了基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法的数学模型集合M，包括：地下洞室群施工通风两相流混合模拟数学模型(MVENT)和地下洞室群施工进度仿真模型(MSIM)；
②提出了地下洞室群施工通风两相流混合数值模拟方法，建立了三维非稳态紊流数学模型集合MVENT，包括：Eulerian-Eulerian两相流紊流模型(MEE)和两相流大涡模拟LES-Lagrangian模型(MLL)；
③建立了地下洞室群施工进度仿真模型集合MSIM，包括：控制层CPM网络模型(CCPM)和实施层CYCLONE模型(MCYC)；
④定义了模型集合M中各个子模型的参数集合，包括参数集PVENT的输入参数如几何参数IG、边界条件IBO、初始条件II、通风布置参数IA，输出参数如污染物浓度OC、风速OV、通风时间OTIME；参数集PSIM的输入参数如循环进尺IL，爆破参数IB，渣车参数IZ，通风参数IVENT，输出参数如总工期OD，完工概率OP，关键路线OKP；
⑤以数值模拟得出的通风时间参数OTIME为基础，进行地下洞室群施工进度仿真优化分析研究，定义函数f，表示通风时间参数OTIME与仿真通风参数IVENT之间的逻辑关系。
(2)提出地下洞室群施工通风两相流混合模拟理论方法，具体步骤为：
针对地下洞室群施工通风特点和洞室立体交叉分布实际，建立施工通风三维非稳态两相流混合数学模型，包括欧拉-欧拉两相流模型和大涡-拉格朗日两相流模型，见图3。首先建立施工通风欧拉-欧拉两相流模型，在动量方程中充分考虑气固间相互作用力，对其施工通风过程进行雷诺时均两相流模拟研究，分析风流场分布和洞室群内粉尘浓度随时间、空间运移机制；其次针对地下洞室群通风重点区域(如工作面附近，洞室连接处等)建立施工通风大涡-拉格朗日两相流模型，分析风流场瞬态信息和尘粒在大涡结构中的运动规律及弥散特性；最后根据实际情况确定进口、出口、壁面和颗粒碰撞的边界条件和控制方程求解方法。
①建立Eulerian-Eulerian两相流紊流模型
连续性方程：
Figure BDA0001219369900000071
动量方程：
Figure BDA0001219369900000072
其中：t是时间，s；αk是第k相体积分率，无因次；ρk是第k相的密度，kg/m3；uk是第k相的平均速度矢量，m/s；τk、
Figure BDA0001219369900000073
分别是层流和湍流应力，N/m2；p是压力，Pa，假定两相的压力相等；g为重力矢量，m/s2；SD为动量源项，N/m3，包括相间动量传递项Mk以及固相与气相间密度差的影响SC。
相间动量传递项Mk表示两相间总的作用力，满足Ml＝-Ms，Mk包括曳力FD，虚拟质量力FVM以及升力FL，颗粒相相间动量传递相可表示为：
Ms＝FD+FVM+FL
紊动应力采用涡粘度模型：
Figure BDA0001219369900000074
式中：I为湍流强度，m3/m·s；
Figure BDA0001219369900000075
为湍流粘度，N·s/m2。
通过响应函数Ct建立固相与气相脉动的相关性，响应函数定义为固相脉动速度与气相脉动速度之比，即
Figure BDA0001219369900000081
则固相湍流粘性为：
Figure BDA0001219369900000082
流体相湍动能方程：
Figure BDA0001219369900000083
流体相耗散率方程：
Figure BDA0001219369900000084
其中：
Figure BDA0001219369900000085
式中：kl为流体相湍动能，N·m；μl为流体相分子粘度，N·s/m2；σk、σε分别为k、ε方程的湍流Prandtl数；εl为kl的扩散率，N/s；C1、C2为常数；Sk2、Sε2表示两相间的相互作用。
②建立两相流大涡模拟LES-Lagrangian模型
大涡模拟方法对基本控制方程进行空间过滤，将小尺度运动过滤掉，对大尺度运动直接求解；小尺度运动对大尺度运动的影响则通过亚格子模型来体现。过滤后的控制方程为：
连续性方程：
Figure BDA0001219369900000086
动量方程：
Figure BDA0001219369900000087
式中：t是时间，s；ρ是流体相密度，kg/m3；
Figure BDA0001219369900000088
是滤波后流体相速度，m/s；
Figure BDA0001219369900000089
是压力，Pa，μ是流体相运动粘滞系数，N·s/m2；σij为粘性应力张量，式中带有上划线的量为滤波后的场变量。
τij称为亚格子应力：
Figure BDA00012193699000000810
常用亚格子模型为Smagorinsky提出基于涡粘性假设的模式：
Figure BDA0001219369900000091
式中，
Figure BDA0001219369900000092
为大尺度应变率张量；Cs为Smagorinsky常数。Δ＝(ΔxΔyΔz)1/3为滤波宽度；Δi(i＝x,y,z)代表i轴方向的网格尺寸；
Figure BDA0001219369900000093
为大尺度应变值。
采用随机轨道模型计算颗粒与湍流的相互作用。颗粒控制方程为：
Figure BDA0001219369900000094
式中，us为颗粒相的瞬时速度，m/s；ms为颗粒相质量，kg；SD为气相和颗粒相间由密度差引起的浮力；Ss为气相对颗粒相的作用力，包括曳力FD、压强梯度力FP、虚拟质量力FVM和升力FL。
③确定边界条件和求解方法
结合工程实际，确定进口为速度边界，出口为压力边界、壁面采用标准壁面函数处理以及颗粒碰撞采用完全碰撞边界条件，采用有限体积法对控制方程进行离散，采用采用压力的隐式算子分割法(Pressure-Implicit with Splitting of Operators，PISO)对控制方程进行求解。
采用有限体积法对基本方程进行离散。质量方程、动量方程、组分方程和紊流模型方程等微分方程写成如下通用形式：
Figure BDA0001219369900000095
式中：u为流体速度矢量，m/s；Φ表示因变量(如ui，k，ε，Y等)；ΓΦ表示对应于Φ的扩散系数，m2/s；SΦ表示对应于Φ的源项，N/m3。
(3)建立地下洞室群施工通风数值模拟参数库，具体步骤为：
①收集地下洞室群洞室布置方案、洞室几何参数、爆破参数。
②查阅施工通风控制条件，施工的控制条件主要包括以下几个方面：粉尘浓度：含有10％以上的游离SiO2的粉尘应小于2mg/m3，含有游离SiO2在10％以下时，粉尘不大于10mg/m3；一氧化碳浓度：空气中CO体积分数不大于0.0024％，施工人员进入开挖面时，浓度允许到100mg/m3，但人员进入开挖面30min后，浓度应小于30mg/m3；洞内风量要求：每人供应新鲜空气不小于3m3/min；洞内风速要求：一般要求洞内风速不小于0.15m/s，且不大于6m/s。
③选择施工通风方式
施工通风方式的选择应针对污染源的特性，且有利于快速施工。选择施工通风方式的一般原则：有轨运输施工的地下厂房宜采用吸出式或混合式通风；无轨运输施工的地下厂房宜采用压入式或变换式通风；有平行导坑施工的地下厂房宜采用巷道式通风；自然通风因其影响因素较多，不稳定且不易控制，复杂地下洞室施工时应避免采用自然通风。
④计算通风量
爆破散烟的需风量计算方法：
通风使开挖工作面爆破产生的有害气体浓度降至允许值所需的通风量下式确定：
Figure BDA0001219369900000101
式中，Qb是爆破通风量；t是通风时间；G是一次爆破的最大炸药量；A是隧道横净断面面积；L是隧道长度风管。
(4)建立水电地下洞室群施工通风三维精细物理模型并划分网格，具体步骤为：
结合步骤(3)中参数库各项通风参数和实际工程资料，通过建模软件建立不同施工进度下地下洞室群施工通风三维精细物理模型，采用适体坐标变换方法及局部加密技术对所建立物理模型进行网格划分，具体如下：
①根据实际工程资料，在AutoCAD中绘制地下通风隧洞以及隧洞中通风管道的主要轮廓特征曲线。
②将包含主要轮廓特征线的AutoCAD文件导入建模软件中；
③对隧洞转折处前后两段模型使用布尔运算处理，以实现模型的无缝整体化对接；隧洞转折处内部通风管道采用扫掠的方式处理，以真实反映实际隧洞转折处通风管道的布置情况；
④在隧洞模型的入口及出口处建立曲面，将多重曲面模型转变为实体模型，并检查模型边缘以确保模型封闭，无外露边缘。
⑤将建模软件建立的地下通风隧洞三维模型导出，并通过数据接口导入网格划分软件。
⑥在进行网格划分时，针对洞室群复杂几何边界采用适体坐标变化方法，使自动生成的网格线与边界重合。从四面体/混合网格、六面体为主的网格以及笛卡尔网格中选择合适的网格类型，进行全局网格参数设置以及局部网格加密设置，进而将整体模型网格划分完毕。
(5)实现不同开挖进度下水电地下洞室群施工通风两相流混合模拟，具体步骤为：
基于步骤(4)建立的不同洞室开挖进度下的洞室群三维精细网格模型，调用步骤(3)参数库各参数，采用步骤(2)构建的两相流混合数学模型，利用计算流体力学软件FLUENT实现不同洞室开挖进度下地下洞室群施工通风过程的两相流混合模拟，得出风流结构和瞬态信息、污染物浓度变化规律和尘粒扩散机理，并以可视化表达的形式输出，最后通过洞室内的污染物浓度随时间和空间的变化，得出随洞室开挖进度变化的施工通风时间参数，即：洞室内污染物浓度达标时间，并拟合得出洞室开挖进度和施工通风时间的关系式。
(6)结合通风模拟结果进行水电地下洞室群施工全过程仿真优化计算，具体步骤为：
①设立地下洞室群施工全过程仿真钟
全过程动态仿真技术由于采用了两个层次的模型进行建模，故在仿真过程中相应地设置两个“仿真钟”：“全程仿真钟”和“本地仿真钟”。
以某一规定的单位时间ΔT为增量，每推进一步检验是否有事件发生，当检测到有“仿真工序开始”事件发生时，全程仿真钟保留当时的状态，然后将控制权交给仿真工序模型，启动本地仿真钟，设置模型初始状态；本地仿真钟从该工序开始，向前推进一个时间步长Δt，然后对工序模型中的所有节点进行扫描，检测是否有满足条件的活动发生，如果有活动发生，相应地改变系统的状态，统计各种资源的使用时间或空闲时间；重复上述过程，直到整个工程结束。
②建立地下洞室群施工仿真模型
地下洞室群施工仿真模型的建立充分利用CPM模型和CYCLONE模型的优点，以CPM网络模型作为框架，再把框架中的节点细化成CYCLONE模型，形成一个分层次的模型结构，如附图4所示。利用CPM网络模型可进行整个工程项目的进度计划分析，利用CYCLONE模型分析工程施工工期，资源利用率等情况。
确定通风、钻孔、运渣等地下洞室群施工参数的取值信息，输入各自的仿真模块参数库；用经科学计算得到的随时间变化而相应变化的通风参数代替原有的经验通风参数，更新通风参数库，形成优化通风模块；依据施工组织设计，确定各工序施工方式，调用通风模块、钻孔模块、运渣模块等，建立不同施工方式下的CYCLONE网络模型；将CYCLONE网络模型计算结果输入CPM模型，建立地下洞施工仿真CPM层模型；最终形成优化的整体仿真模型。
③计算仿真有效时间
地下工程施工受气候条件影响较小，可全年施工，但考虑到实际施工中的停工时间，施工有效工日应给予相应折算。在地下洞室群施工仿真中，按每年12个月，每月25工日算。
将模拟所得的工期时间转换成日历时间。设工期为T天，转换成历时Tyear年Tmonth月Tday日的公式为：
Tyear＝INT(T/300)
Tmonth＝INT[(T-Tyear*300)/25]
Tday＝T-Tyear*300-Tmonth*25
④分析仿真进度计划
一个活动所有紧前活动的最迟完工时间即该工程的最早开工时间。即：
TES(1)＝0
TES(j)＝max{TES(i)+T(i)}
TEF(j)＝TES(j)+T(j)
其中：
TES(j)——j活动的最早开工时间；TEF(j)——j活动的最早结束时间；T(i)——i活动的持续时间；i——所有j活动紧前工序编号。
仿真结束后，采用逆推法分析各项活动的最迟开工时间和最迟结束时间，其最迟结束时间为所有紧后活动最迟开工时间中最小的一个，即：
TLF(n)＝TEF(n)
TLF(i)＝min{TLF(j)-T(j)}
TLS(i)＝Tlf(i)-T(i)
其中：
TLS(j)——j活动的最迟开工时间；TLFj)——j活动的最迟结束时间；T(i)——i活动的持续时间；i——所有j活动紧前工序编号；n——活动总数。
至此可以求出各项活动的总时差，
TF(i)＝TLS(i)-TES(i)或TF(i)＝TLF(i)-TEF(i)
⑤输出地下洞室群施工仿真优化结果
寻找关键路线：
首先寻找关键工作，关键路线上的工作没有机动时间，即TF＝0。
确定关键路线，从首节点开始搜索，检查所有紧后工序是否为关键工作，如果是则连接到关键路线上，并保存在数组中。然后继续检查所有关键路线的紧后工序，重复上述工作直至到达尾节点。
进行施工强度统计与资源均衡优化：
绘制初始的资源强度动态曲线图，根据曲线图找出资源强度最高峰时段，选择一个目标最大强度值R0作为调整的“控制标准”。
对于大于“控制标准”的资源强度高峰，选择位于该时段的一个能推迟到该时段之后开始的非关键工序，将其推迟到该时段之后开始，同时保证调整后的资源强度高峰低于控制标准。
修改工程的资源计划及各工序的仿真时间参数：
根据新的各时段的资源强度值，得到新的资源强度动态曲线图，重复上述步骤，直到最大资源强度值再也不能降低为止。
进行完工概率分析：
设定分组的组距Tg。令Tmin为n次仿真中施工工期的最小值，Tmax为n次仿真中施工工期的最大值，l为分组的组数，则分组的组距Tg为：
Figure BDA0001219369900000131
进行分组。令T1＝Tmin+Tg，T2＝T1+Tg，……，Tl＝Tl-1+Tg，则施工工期T的分组结果为[Tmin,T1)，[T2,T1)，……，[Tl-1,Tl]。并按区间统计频数。
利用曲线对施工工期的频率直方图和累计直方图进行拟合，得到施工工期的经验分布曲线和经验累计曲线。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将通风数值模拟和地下洞室群施工进度仿真结合，建立基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化数学模型；所述地下洞室群施工进度仿真优化数学模型包括5部分，具体如下：
①建立了基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法的数学模型集合M，包括：地下洞室群施工通风两相流混合模拟数学模型MVENT和地下洞室群施工进度仿真模型MSIM；
②提出了地下洞室群施工通风两相流混合数值模拟方法，建立了三维非稳态紊流数学模型集合MVENT，包括：欧拉-欧拉两相流模型MEE和大涡-拉格朗日两相流模型MLL；
③建立了地下洞室群施工进度仿真模型集合MSIM，包括：关键路径法网络模型CCPM和循环网络技术模型MCYC；
④定义了数学模型集合M中各个子模型的参数集合，包括参数集PVENT的输入参数，包括：几何参数IG、边界条件IBO、初始条件II、通风布置参数IA；输出参数，包括污染物浓度OC、风速OV、通风时间OTIME；参数集PSIM的输入参数，包括循环进尺IL，爆破参数IB，渣车参数IZ，通风参数IVENT；输出参数，包括总工期OD，完工概率OP，关键路线OKP；
⑤以数值模拟得出的通风时间参数OTIME为基础，进行地下洞室群施工进度仿真优化分析，定义函数f，示通风时间参数OTIME与仿真通风参数IVENT之间的逻辑关系；
(2)提出地下洞室群施工通风两相流混合模拟理论方法；
(3)建立地下洞室群施工通风数值模拟参数库；
(4)建立地下洞室群施工通风三维精细物理模型并划分网格；
(5)实现不同开挖进度下地下洞室群施工通风两相流混合模拟；
(6)结合通风数值模拟结果进行地下洞室群施工全过程仿真优化分析；全过程仿真优化分析步骤为：
①设立地下洞室群施工全过程仿真钟：由于采用了两个层次的模型进行建模，因此在仿真过程中相应地设置两个“仿真钟”，分别为“全程仿真钟”和“本地仿真钟”；
②建立地下洞室群施工仿真模型：包括以下步骤：
首先，确定通风、钻孔和运渣地下洞室群施工参数的取值信息，输入各自的仿真模块参数库；
其次，用通过通风数值模拟得出的随开挖进度变化的通风时间参数代替原有的经验通风参数，更新通风参数库，形成优化通风模块；
再次，依据施工组织设计，确定各工序施工方式，调用通风模块、钻孔模块和运渣模块，建立不同施工方式下的循环网络技术模型；
最后，将循环网络技术模型的计算结果输入关键路径法网络模型，建立地下洞施工仿真关键路径法层模型，并最终形成优化的整体仿真模型；
③计算仿真有效时间；
④分析仿真进度计划；
⑤输出仿真优化结果。
2.根据权利要求1所述基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，其特征在于，步骤(2)包括以下步骤：针对地下洞室群施工通风特点和洞室立体交叉分布情况，建立施工通风三维非稳态两相流混合数学模型，包括欧拉-欧拉两相流模型和大涡-拉格朗日两相流模型；通过欧拉-欧拉两相流模型分析风流场分布和洞室群内粉尘浓度随时间、空间运移机制；通过大涡-拉格朗日两相流模型分析风流场瞬态信息和尘粒在大涡结构中的运动规律及弥散特性；根据实际情况确定进口、出口、壁面和颗粒碰撞的边界条件和控制方程求解方法。
3.根据权利要求1所述基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，其特征在于，步骤(3)所述模拟参数库的建立依据地下洞室群工程总布置、施工组织计划书以及地下工程施工组织规范，参数库的数据包括：地下洞室群几何参数和爆破参数、施工通风控制条件、施工通风方式和所需通风量。
4.根据权利要求1所述基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，其特征在于，步骤(4)中采用适体坐标变换方法及局部加密技术对所述物理模型进行网格划分。
5.根据权利要求1所述基于通风数值模拟的地下洞室群施工进度仿真优化方法，其特征在于，步骤(5)中，利用计算流体力学软件实现不同洞室开挖进度下地下洞室群施工通风两相流混合模拟，得出风流结构、瞬态信息、污染物浓度变化规律和尘粒扩散机理，并以可视化表达的形式输出，最后通过洞室内污染物浓度随时间和空间的变化关系，得出随洞室开挖进度变化的施工通风时间参数。
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