大斷面公路隧道出渣設(shè)備的優(yōu)化配置研究.doc

大斷面公路隧道出渣設(shè)備的優(yōu)化配置研究孫燕霞1，楊健民2（重慶交通大學(xué)，土木建筑學(xué)院，中國 重慶，400074）摘要：本文主要通過應(yīng)用基于（M/M/1與M/M/c）的排隊(duì)論相關(guān)理論知識，進(jìn)行綜合改進(jìn)，解決大斷面公路隧道出渣中的機(jī)械設(shè)備配置問題；應(yīng)用對比分析方法對所得結(jié)果進(jìn)行成本分析，證實(shí)了其可行性。通過分析對比得出該理論研究可以提高效率和節(jié)約機(jī)械臺班使用成本，為隧道機(jī)械化施工組織提供參考。關(guān)鍵字：大斷面隧道；機(jī)械施工組織；排隊(duì)論；成本分析；出渣中文分類號：U455.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1引言隧道工程的施工呈現(xiàn)機(jī)械化、多樣化和高效率等特點(diǎn)。出渣的快慢直接影響隧道掘進(jìn)的效率 1,2。在大斷面公路隧道掘進(jìn)出渣過程中，無軌運(yùn)輸較有軌運(yùn)輸在提高效率方面更具有優(yōu)越性和靈活性。當(dāng)前，大型施工機(jī)械臺班費(fèi)用較高，合理的進(jìn)行機(jī)械臺班施工組織和優(yōu)化配置對縮短工期、節(jié)約成本具有重要意義。2問題的提出一般由多臺裝載機(jī)配合若干臺自卸汽車聯(lián)合作業(yè)，組成無軌運(yùn)輸線路。施工過程中，往往會出現(xiàn)自卸汽車排隊(duì)待裝，或裝載機(jī)等待自卸汽車，造成窩工和機(jī)械臺班浪費(fèi)。從排隊(duì)論理論知識，從實(shí)際出發(fā)，進(jìn)行綜合改進(jìn)，較準(zhǔn)確的確定裝載機(jī)與自卸汽車配合數(shù)，并對出渣工藝的成本進(jìn)行分析。3模型建立與計(jì)算假定一臺裝載機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)的裝車數(shù)為，每裝一車的平均時(shí)間為，自卸汽車單位時(shí)間的到達(dá)率為。 （1）在下列模型論述中，表示裝載機(jī)空閑的概率；k表示自卸汽車的數(shù)量；n表示自卸汽車到達(dá)等候裝載數(shù)量，表示穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)中有n輛自卸汽車的概率；。3.1 基于（M/M/1）系統(tǒng)工作狀態(tài)1代表有一臺服務(wù)臺數(shù)，根據(jù)排隊(duì)論理論可知3： . ,其中 （2） 由正則條件知：作者簡介：孫燕霞(1987-)，女，山西忻州人，在讀碩士研究生，現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理理論與方法，重慶，400074。 （3）3.2 基于（M/M/c）系統(tǒng)工作狀態(tài)M/M/c理論指系統(tǒng)中最多可以有c輛自卸汽車同時(shí)被裝車。令，對所有n （4）代入模型后，則該模型的全部指標(biāo)可表示為： （5） （6）式中，所有的，m為自卸汽車的上限數(shù)量。4,5,6 3.3技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價(jià)指標(biāo)本文主要采用以下幾個(gè)重要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)。3.3.1裝載機(jī)利用率 （7）3.3.2自卸汽車?yán)寐?，表示在自卸汽車數(shù)量確定情況下單臺空閑時(shí)間期望值： （8）3.3.3單個(gè)臺班裝載機(jī)的臺班空閑費(fèi)用損失，表示裝載機(jī)的臺班費(fèi)用。 （9）3.3.4 n輛自卸機(jī)車每臺班的空閑費(fèi)用損失，表示自卸汽車的臺班費(fèi)用。 （10）3.3.5兩種施工機(jī)械聯(lián)合作業(yè)的空閑費(fèi)用損失3 （11）兩種機(jī)械聯(lián)合使用的最優(yōu)方案是：。3.3.6機(jī)械臺班使用費(fèi)綜合利用率7 （12）式中機(jī)械臺班使用費(fèi)總額；3.4案例分析與計(jì)算某大斷面雙向六車道高速公路山嶺隧道，斷面135。現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)知，當(dāng)一臺裝載機(jī)裝進(jìn)行裝渣時(shí)，裝滿一輛自卸汽車所需時(shí)間平均為6min；兩臺裝載機(jī)共同裝一輛自卸汽車所需時(shí)間平均3.67min。兩種情況下的自卸車單位時(shí)間的平均到達(dá)率為2和3。一次出渣所需的平均時(shí)間為5小時(shí)和3小時(shí)。這里自卸車數(shù)量以3輛作為下限，15輛為上限。若裝載機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)率為，為準(zhǔn)備工作與結(jié)束工作需要的時(shí)間，每次爆破循環(huán)裝載機(jī)總裝渣時(shí)間；轉(zhuǎn)載機(jī)斗容量為3m，機(jī)械臺班基價(jià)為1222.49元；自卸汽車的貨箱容量為10 m，載重量為8t，機(jī)械臺班費(fèi)為763.17元，每臺自卸汽車循環(huán)工作一次需要的時(shí)間為。下面進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算分析：1）從現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)行裝載機(jī)數(shù)量的確定：可以看出，選用兩臺裝載機(jī)進(jìn)行同時(shí)作業(yè)可以有效地縮短出渣時(shí)間，機(jī)械臺班對隧道整體的施工成本來說影響很小。故選擇兩臺裝載機(jī)進(jìn)行同時(shí)裝渣作業(yè)。2）對于自卸車數(shù)量的確定，主要提出以下兩種方案進(jìn)行分析對比來確定合理數(shù)量：方案一：兩臺裝載機(jī)看作一個(gè)服務(wù)臺，裝載同一輛自卸汽車()。方案二：兩臺裝載機(jī)看作獨(dú)立服務(wù)臺，各自裝載一輛自卸汽車()。將相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)帶入兩種方案后，計(jì)算結(jié)果列于下表一。表一 兩種理論計(jì)算結(jié)果nM/M/1理論計(jì)算結(jié)果M/M/c理論計(jì)算結(jié)果Cs1Kz1Cs2Kz23922.49174.7291034.64978.1474912.46780.037931.32383.065965.76783.342876.57785.9996706.59988.622869.57787.6271322.61285.761911.7488.29281657.69685.3661005.15388.24492116.49784.1061154.69787.602102709.52782.1041365.37786.45113438.25379.511641.96884.852124296.31976.4781988.26982.864135265.50973.192406.32380.541146323.20769.8142896.34377.94157447.04266.4763452.26875.15可知：應(yīng)用方案一進(jìn)行隧道出渣，選用6輛自卸汽車，兩種施工機(jī)械聯(lián)合作業(yè)的空閑費(fèi)用損失為706.59元機(jī)械臺班使用費(fèi)綜合利用率為88.623%，此時(shí)配用的自卸汽車沒有臺班損失，有利用減少成本費(fèi)用。應(yīng)用方案二進(jìn)行隧道出渣，選用7輛自卸汽車，兩種施工機(jī)械聯(lián)合作業(yè)的空閑費(fèi)用損失為911.740元，機(jī)械臺班使用費(fèi)綜合利用率為88.292 %。從兩個(gè)方案得出的結(jié)果知道，在該隧道出渣中設(shè)置67輛自卸汽車，機(jī)械空閑損失費(fèi)用較少，機(jī)械綜合利用率最高。4隧道出渣設(shè)備成本分析引用對比分析法7,8，通過對、等相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行對比，分析其差異性，以便有效的進(jìn)行成本控制。通過對計(jì)算數(shù)據(jù)的觀察，上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都是隨著裝載機(jī)與自卸汽車的配合數(shù)量而發(fā)生互逆變化，、的變化具有穩(wěn)定性，兩個(gè)指標(biāo)如下圖一、二所示進(jìn)行分析。圖一 空閑費(fèi)用損失Cs折線圖圖二 綜合利用率Kz折線圖由圖一可知，隨著自卸汽車臺數(shù)的增加，方案一中的費(fèi)用呈先減少后增加趨勢，在n=6時(shí)達(dá)到最??；方案二的費(fèi)用呈遞增趨勢。但自卸車輛較少時(shí)（n6），兩者差距較小，隨自卸車輛增加，方案一費(fèi)用較方案二增勢幅度較大，即方案一在自卸汽車不斷增加時(shí)會造成嚴(yán)重的機(jī)械臺班空閑費(fèi)用損失，不利于成本控制。由圖二分析知，隨著自卸汽車臺數(shù)的增加，兩方案都曾先增加后減少趨勢，但隨著自卸車數(shù)量增加，方案一中的消減迅速，必然會增加機(jī)械臺班的空閑損失。但總體上，方案二在利用率變化方面較方案一穩(wěn)定，相關(guān)應(yīng)用單位承受的風(fēng)險(xiǎn)也就比較小。經(jīng)過上述綜合分析對比，我們通過綜合分析施工作業(yè)過程中各方面的因素，可知方案二更符合實(shí)際需求。5結(jié)論1） 在大斷面公路隧道出渣過程中，采用兩臺裝載機(jī)配合七輛自卸汽車進(jìn)行作業(yè)，可以合理的完成洞內(nèi)出渣作業(yè)，此機(jī)械配置符合實(shí)際要求。2） 兩種方案在自卸汽車數(shù)量較少的情況下，為使機(jī)械設(shè)備空閑損失達(dá)到最小，則選用方案一進(jìn)行裝渣作業(yè)；若配備自卸汽車數(shù)量較多時(shí)，綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)大小及系統(tǒng)的整體抗損失穩(wěn)定性，選擇兩臺裝載機(jī)分別作為服務(wù)臺進(jìn)行裝渣作業(yè)。通常為不影響施工作業(yè)進(jìn)度，自卸車數(shù)量安排較為充足，所以選后者是合理的。3） 隧道施工出渣作業(yè)中，涉及的影響因素較多，如每循環(huán)出渣量、運(yùn)輸路線和運(yùn)距、運(yùn)輸工具類型、道路路面情況及其運(yùn)輸物的性質(zhì)等。在雙洞爆破和出渣中，應(yīng)盡量使兩洞避開同時(shí)出渣的情況。本文建立在滿足單洞出渣作業(yè)的情形下的機(jī)械配置，配置滿足雙洞出渣機(jī)械數(shù)量，會造車出渣機(jī)械的閑置，成本會增加一倍。所以在爆破時(shí)間間隔短的情況，會導(dǎo)致另一洞掌子面工作閑置，此時(shí)應(yīng)及時(shí)安排其他工序作業(yè)。參考文獻(xiàn)(References)：1李德武. 隧道M.中國鐵道出版社.2宋秀清,劉杰.隧道施工M.人民交通出版社.3趙金生,陳延志,張新力.隧道出渣無軌運(yùn)輸線傾卸車臺數(shù)控制模型研究J.現(xiàn)代機(jī)械，2002,2:70-72.4丁禮建.隧道出渣設(shè)備最佳配合分析J.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào).2002.8,15:54-57.5曹宏鐸,趙奎生,邢克宣.排隊(duì)論在土方工程組織中的應(yīng)用J.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2000.10,19(5):485-487.6 郭垂江.運(yùn)用排隊(duì)論確定裝卸機(jī)械合理數(shù)量J.