隧道掘進(jìn)機(jī)bm運(yùn)輸系統(tǒng)調(diào)度規(guī)劃

隧道掘進(jìn)機(jī)bm運(yùn)輸系統(tǒng)調(diào)度規(guī)劃

隧道全深度鉆孔。根據(jù)擾動(dòng)段的形狀和大小，將鉆頭配置在切割結(jié)構(gòu)（刀板）上?？涛g是一種大規(guī)模的機(jī)械化開挖設(shè)備，通過巖石將鉆頭切割，進(jìn)行加載、復(fù)制、錯(cuò)誤處理、維護(hù)、爭端解決等工藝操作。它主要用于掘進(jìn)隧道、隧洞、煤礦巖石平巷、煤礦斜井井巷等,特別適用于長隧道的開挖,具有掘進(jìn)速度高、作業(yè)人員少、成洞質(zhì)量好、施工安全、可連續(xù)出渣、操作易實(shí)現(xiàn)集中控制等優(yōu)點(diǎn)。TBM由主機(jī)和后配套系統(tǒng)兩大部分組成。TBM工作時(shí),后支撐和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的支撐構(gòu)件緊壓巷道巖壁,在推力缸作用下,安裝在刀盤上的盤形滾刀壓緊巖面旋轉(zhuǎn)削落巖石。巖渣由鏟斗鏟入輸送機(jī),運(yùn)至機(jī)后卸載。推進(jìn)液壓缸伸長一個(gè)沖程,刀盤及與刀盤固定聯(lián)結(jié)的構(gòu)件相應(yīng)向前移動(dòng)一個(gè)沖程,即完成掘進(jìn)一個(gè)沖程距離。以上動(dòng)作結(jié)束后,縮回后支撐和推進(jìn)機(jī)構(gòu)的支撐構(gòu)件,撐開前支撐,收縮推進(jìn)液壓缸,后支撐構(gòu)件及后配套系統(tǒng)就沿主機(jī)導(dǎo)軌前移,機(jī)器恢復(fù)到原始狀態(tài),以進(jìn)行下一個(gè)工作行程。TBM的后配套系統(tǒng)主要包括出渣運(yùn)料系統(tǒng)、不良地層支護(hù)系統(tǒng)、襯砌安裝系統(tǒng)、激光導(dǎo)向系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供水、排水系統(tǒng)等。采用TBM開挖長隧洞時(shí),列車運(yùn)輸系統(tǒng)是常用的出渣運(yùn)輸系統(tǒng)。它具有安裝設(shè)備簡單、適應(yīng)性高、故障較少等優(yōu)點(diǎn)。在大直徑的隧洞中,由于可使用較多的調(diào)車設(shè)備,使連續(xù)出渣成為可能,因而提高了掘進(jìn)機(jī)的利用率,加快了隧道開挖進(jìn)度。所以列車運(yùn)輸系統(tǒng)的調(diào)度規(guī)劃在TBM施工中占有很重要的地位。若出渣調(diào)度規(guī)劃不合理,就會(huì)影響TBM的正常掘進(jìn),使TBM不能充分發(fā)揮其開挖速度快的特點(diǎn)。1計(jì)算模型在sdm施工期間的鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中的負(fù)荷規(guī)劃1.1容積變化率計(jì)算設(shè)工程開挖隧洞的直徑為D,洞口距棄渣點(diǎn)距離為Lq,所需開挖隧洞長為Lmax,洞口為起始點(diǎn),巖石開挖過程中容積變化率為SW(松方系數(shù));掘進(jìn)機(jī)的開挖速率為X.運(yùn)渣車:每節(jié)車斗容積為Q,列數(shù)為n,每列所掛車斗數(shù)為m,運(yùn)行速率為V,卸渣系數(shù)(每節(jié)車斗的卸渣時(shí)間)是q.1.2tbm挖渣調(diào)度規(guī)劃運(yùn)渣車運(yùn)行循環(huán)時(shí)間設(shè)為T:式中:K0為列車裝車時(shí)間;K1為列車卸渣及等待時(shí)間,等于q·m;V為列車的平均運(yùn)行速率;t為由分析的起始點(diǎn)計(jì)算的時(shí)間的隨機(jī)變量;X為TBM掘進(jìn)速度,因?yàn)閷?shí)際工程中一些客觀因素(如地質(zhì)條件等)和人為因素的影響,X有一個(gè)變動(dòng)范圍,呈一定概率分布。在某一給定工程條件下,由式(1)可看出,T是X,m和t的函數(shù),所以T是一個(gè)隨機(jī)變量。根據(jù)TBM挖渣特點(diǎn)可知,要使隧道作業(yè)穩(wěn)定前進(jìn),在具體調(diào)度規(guī)劃上應(yīng)使掘進(jìn)機(jī)后面每時(shí)每刻都有運(yùn)渣車在裝車,即對任意一列車,自它裝滿渣后算起,到它再回到掘進(jìn)機(jī)后等待裝渣,其間所用時(shí)間必須不大于其它列車裝渣的時(shí)間總和。即當(dāng)所需列車車斗容積相同,每列的車斗數(shù)相同時(shí),對任意T:把式(1)代入式(2)得:因?yàn)槊苛熊嚨娜莘eA=Q·m,所挖洞單位長度的出渣量S=cD2(1+SW)/4,則K0=A/(S·X);而單列車所掛車斗數(shù)確定時(shí),K1是常量,設(shè)B=K1+2Lq/V,工程條件一經(jīng)確定,B為常數(shù);t與挖掘距離L(距洞口起始點(diǎn))和挖掘速度X有關(guān),t=L/X,把這些量代入上式,得即在單列運(yùn)渣車負(fù)載量A一定的情況下,其列數(shù)n必須滿足以上不等式,才能使整套系統(tǒng)正常運(yùn)行,完成洞長L的開挖。2tbm工程特點(diǎn)山西省萬家寨引黃聯(lián)接段工程7#隧洞全長13.52km,洞徑4.2m.為了滿足工期要求,施工中設(shè)置支洞1條,隧洞開挖最大工作面長度10km,采用TBM開挖,出渣運(yùn)輸采用列車運(yùn)輸系統(tǒng)。洞口距棄渣點(diǎn)Lq=900m,洞口是計(jì)算始點(diǎn),巖石為中硬性巖石,松方系數(shù)Sw=0.7,工程示意圖見圖1.掘進(jìn)機(jī)開挖速率呈概率分布,從經(jīng)驗(yàn)可知,它一般為均勻分布,變化范圍為[a,b],本工程中是.掘進(jìn)機(jī)每日凈工作時(shí)間是Dt=10h,它的一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)(兩個(gè)沖程)為2×0.6m;運(yùn)渣車速率V=15000/,所掛渣斗車型號一致,單個(gè)渣斗車容積Q=8m3,每列車最多掛10節(jié),每個(gè)車斗卸渣系數(shù)q=0.04h.2.1概率分布密度函數(shù)n,n-p若對此洞開挖進(jìn)行一次性調(diào)度規(guī)劃,則L取Lmax,每列車所掛車斗數(shù)m按其最大值mmax(使所需列數(shù)達(dá)到最小)計(jì)算,從而K1是常量,B是常量,其運(yùn)輸車調(diào)度規(guī)劃選擇的計(jì)算公式為在實(shí)際施工過程中,工程要求一定的置信水平Pr,則一次性調(diào)度方案的計(jì)算公式為f(x)為x的概率分布密度函數(shù),f(x)=1/(b-a),代入上式得:經(jīng)推理得出:求出n滿足條件的最小值,則可得出滿足一定置信水平Pr的運(yùn)輸車系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度規(guī)劃方案。2.2運(yùn)渣車臨界值的確定為了避免前期投資的無謂加大和引起管理上的復(fù)雜性可采用分步調(diào)度的方案,此類規(guī)劃中的一個(gè)關(guān)鍵之處就是各步調(diào)度規(guī)劃的臨界工作點(diǎn)的確定。由式(2)整理可得出:假設(shè)剛開始只使用兩列運(yùn)渣車(最少為兩例),即n=2,每列運(yùn)渣車車斗數(shù)都是m,則以這兩列車運(yùn)渣使整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行所能挖掘長度L的臨界值就是等號成立時(shí)的L值。保守設(shè)計(jì)可取X=b,得出L的值。若按一定置信水平Pr設(shè)計(jì),則可得出L在置信水平Pr下的最大值。求出第一步規(guī)劃的臨界工作點(diǎn)L1(或t1)后,增加1列,進(jìn)行第二步調(diào)度規(guī)劃;由式(6)得出第二步規(guī)劃的臨界工作點(diǎn)L2(或t2),再在此點(diǎn)改變運(yùn)輸設(shè)備。依此類推,直到所定目標(biāo)點(diǎn)。2.3運(yùn)渣車臨界時(shí)間點(diǎn)的計(jì)算實(shí)際工程中,掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)間是集中的,其日工作時(shí)間是Dt.與2.2部分同,剛一開始配備兩列運(yùn)渣車,但每列車所掛車斗為最小配置(在確定所掛車斗數(shù)時(shí),應(yīng)考慮掘進(jìn)機(jī)一個(gè)沖程C的開挖出渣能力,確定所掛車斗數(shù)的最小單位,然后以此數(shù)做單位成倍數(shù)地加掛車斗),這兩列車所掛車斗數(shù)相同,先給出一個(gè)預(yù)定的時(shí)間t0.其中Dn是初始化天數(shù),U1為掘進(jìn)長度,X取值由所要求的置信水平Pr決定,X=Prb+(1-Pr)a.由式(2)可得:式中H=2Lq/V,又從調(diào)度經(jīng)濟(jì)性和可行性考慮,得利用式(7)、(8)可聯(lián)立得出m的最小值mmin,即兩列運(yùn)渣車各掛mmin節(jié)車斗可正常運(yùn)轉(zhuǎn)至少t0時(shí)間長(或掘進(jìn)U1長度)。但此處U1并非真正的第一臨界值,第一臨界值應(yīng)為把mmin代入同樣由式(2)導(dǎo)出的式(9)所求得的L的最大值L1;然后再從計(jì)算所得的第一步的臨界值L1處開始加車斗(車斗數(shù)的最小單位Y由式(10)決定)。加車斗后,同樣利用式(9)得出各步的Li(i=2,3,…)或ti(i=2,3,…),直至兩列車的能力達(dá)到最高,此時(shí)車斗數(shù)是mmax.此后考慮加列,先加一列,所掛車斗數(shù)是斗數(shù)的最小單位Y,依據(jù)下式(11)得出加掛此列后的第一個(gè)調(diào)度臨界值L21.為推廣使用,設(shè)已配n列運(yùn)渣車,所掛車斗數(shù)都是mmax(mmax是其所能掛車斗數(shù)的最大值,為常量),循環(huán)周期設(shè)為T2,裝車、卸車時(shí)間分別為K02,K12;設(shè)新加列車所掛斗數(shù)是m1,循環(huán)周期為T1,裝車、卸車時(shí)間分別為K01,K11.則其中整理得:這樣就可以得出加入新列車掛m1個(gè)車斗所能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的臨界點(diǎn)Ln1.而后再對新列車再加掛車斗,直至此列也滿負(fù)荷運(yùn)載了,再考慮新加列車,直至完成工程(計(jì)算程序框圖略)。以上計(jì)算中對臨界時(shí)間點(diǎn)ti(或tni)的設(shè)置除需滿足式(7)～(10)或(11)外,還可根據(jù)工程日進(jìn)度,以月或天為單位作臨界時(shí)間點(diǎn),便于工程調(diào)度。分步加車調(diào)度較為復(fù)雜,但采取此方案節(jié)約成本,且每次加車總盡可能不加列,在道軌岔口的調(diào)度上盡量不增加工作量。當(dāng)然隨著加掛車斗數(shù)的增加,列車裝、卸、運(yùn)行速度都要受到影響,循環(huán)時(shí)間T也受到影響,在分岔口的調(diào)度上應(yīng)考慮這些因素。2.4車斗掛方案方案2本工程要求規(guī)劃方案的置信水平為60%.對工程進(jìn)行分析后,得出以下幾種調(diào)度方案:1)進(jìn)行一次性調(diào)度規(guī)劃。方案為:用3列車,每列車掛10節(jié)車斗。2)分步調(diào)度,每步加列車。方案為:用2列掛10節(jié)車斗的列車,開挖至3593.44m;然后加1列車(車斗數(shù)為10節(jié)),挖至10000m.3)分步調(diào)度,從最小單位加起。工程中,S=cD2(1+Sw)/4=23.55m3,掘進(jìn)機(jī)沖程數(shù)0.6S=14.13m3,決定了列車所掛車斗數(shù)的最小單位為Y=2節(jié)。依據(jù)