大斷面公路隧道出渣設備的優(yōu)化配置研究.doc

大斷面公路隧道出渣設備的優(yōu)化配置研究孫燕霞1，楊健民2（重慶交通大學，土木建筑學院，中國 重慶，400074）摘要：本文主要通過應用基于（M/M/1與M/M/c）的排隊論相關理論知識，進行綜合改進，解決大斷面公路隧道出渣中的機械設備配置問題；應用對比分析方法對所得結果進行成本分析，證實了其可行性。通過分析對比得出該理論研究可以提高效率和節(jié)約機械臺班使用成本，為隧道機械化施工組織提供參考。關鍵字：大斷面隧道；機械施工組織；排隊論；成本分析；出渣中文分類號：U455.92 文獻標志碼：A 文章編號：1引言隧道工程的施工呈現機械化、多樣化和高效率等特點。出渣的快慢直接影響隧道掘進的效率 1,2。在大斷面公路隧道掘進出渣過程中，無軌運輸較有軌運輸在提高效率方面更具有優(yōu)越性和靈活性。當前，大型施工機械臺班費用較高，合理的進行機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配合若干臺自卸汽車聯合作業(yè)，組成無軌運輸線路。施工過程中，往往會出現自卸汽車排隊待裝，或裝載機等待自卸汽車，造成窩工和機械臺班浪費。從排隊論理論知識，從實際出發(fā)，進行綜合改進，較準確的確定裝載機與自卸汽車配合數，并對出渣工藝的成本進行分析。3模型建立與計算假定一臺裝載機在單位時間內的裝車數為，每裝一車的平均時間為，自卸汽車單位時間的到達率為。 （1）在下列模型論述中，表示裝載機空閑的概率；k表示自卸汽車的數量；n表示自卸汽車到達等候裝載數量，表示穩(wěn)態(tài)時系統中有n輛自卸汽車的概率；。3.1 基于（M/M/1）系統工作狀態(tài)1代表有一臺服務臺數，根據排隊論理論可知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，現代數據處理理論與方法，重慶，400074。 （3）3.2 基于（M/M/c）系統工作狀態(tài)M/M/c理論指系統中最多可以有c輛自卸汽車同時被裝車。令，對所有n （4）代入模型后，則該模型的全部指標可表示為： （5） （6）式中，所有的，m為自卸汽車的上限數量。4,5,6 3.3技術經濟評價指標本文主要采用以下幾個重要的經濟技術指標進行評價。3.3.1裝載機利用率 （7）3.3.2自卸汽車利用率3，表示在自卸汽車數量確定情況下單臺空閑時間期望值： （8）3.3.3單個臺班裝載機的臺班空閑費用損失，表示裝載機的臺班費用。 （9）3.3.4 n輛自卸機車每臺班的空閑費用損失，表示自卸汽車的臺班費用。 （10）3.3.5兩種施工機械聯合作業(yè)的空閑費用損失3 （11）兩種機械聯合使用的最優(yōu)方案是：。3.3.6機械臺班使用費綜合利用率7 （12）式中機械臺班使用費總額；3.4案例分析與計算某大斷面雙向六車道高速公路山嶺隧道，斷面135?，F場數據統計知，當一臺裝載機裝進行裝渣時，裝滿一輛自卸汽車所需時間平均為6min；兩臺裝載機共同裝一輛自卸汽車所需時間平均3.67min。兩種情況下的自卸車單位時間的平均到達率為2和3。一次出渣所需的平均時間為5小時和3小時。這里自卸車數量以3輛作為下限，15輛為上限。若裝載機的實際生產率為，為準備工作與結束工作需要的時間，每次爆破循環(huán)裝載機總裝渣時間；轉載機斗容量為3m，機械臺班基價為1222.49元；自卸汽車的貨箱容量為10 m，載重量為8t，機械臺班費為763.17元，每臺自卸汽車循環(huán)工作一次需要的時間為。下面進行相關的計算分析：1）從現場數據統計進行裝載機數量的確定：可以看出，選用兩臺裝載機進行同時作業(yè)可以有效地縮短出渣時間，機械臺班對隧道整體的施工成本來說影響很小。故選擇兩臺裝載機進行同時裝渣作業(yè)。2）對于自卸車數量的確定，主要提出以下兩種方案進行分析對比來確定合理數量：方案一：兩臺裝載機看作一個服務臺，裝載同一輛自卸汽車()。方案二：兩臺裝載機看作獨立服務臺，各自裝載一輛自卸汽車()。將相應的統計數據帶入兩種方案后，計算結果列于下表一。表一 兩種理論計算結果nM/M/1理論計算結果M/M/c理論計算結果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：應用方案一進行隧道出渣，選用6輛自卸汽車，兩種施工機械聯合作業(yè)的空閑費用損失為706.59元機械臺班使用費綜合利用率為88.623%，此時配用的自卸汽車沒有臺班損失，有利用減少成本費用。應用方案二進行隧道出渣，選用7輛自卸汽車，兩種施工機械聯合作業(yè)的空閑費用損失為911.740元，機械臺班使用費綜合利用率為88.292 %。從兩個方案得出的結果知道，在該隧道出渣中設置67輛自卸汽車，機械空閑損失費用較少，機械綜合利用率最高。4隧道出渣設備成本分析引用對比分析法7,8，通過對、等相關技術經濟指標進行對比，分析其差異性，以便有效的進行成本控制。通過對計算數據的觀察，上述技術經濟指標都是隨著裝載機與自卸汽車的配合數量而發(fā)生互逆變化，、的變化具有穩(wěn)定性，兩個指標如下圖一、二所示進行分析。圖一 空閑費用損失Cs折線圖圖二 綜合利用率Kz折線圖由圖一可知，隨著自卸汽車臺數的增加，方案一中的費用呈先減少后增加趨勢，在n=6時達到最??；方案二的費用呈遞增趨勢。但自卸車輛較少時（n6），兩者差距較小，隨自卸車輛增加，方案一費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會造成嚴重的機械臺班空閑費用損失，不利于成本控制。由圖二分析知，隨著自卸汽車臺數的增加，兩方案都曾先增加后減少趨勢，但隨著自卸車數量增加，方案一中的消減迅速，必然會增加機械臺班的空閑損失。但總體上，方案二在利用率變化方面較方案一穩(wěn)定，相關應用單位承受的風險也就比較小。經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際需求。5結論1） 在大斷面公路隧道出渣過程中，采用兩臺裝載機配合七輛自卸汽車進行作業(yè)，可以合理的完成洞內出渣作業(yè)，此機械配置符合實際要求。2） 兩種方案在自卸汽車數量較少的情況下，為使機械設備空閑損失達到最小，則選用方案一進行裝渣作業(yè)；若配備自卸汽車數量較多時，綜合考慮風險大小及系統的整體抗損失穩(wěn)定性，選擇兩臺裝載機分別作為服務臺進行裝渣作業(yè)。通常為不影響施工作業(yè)進度，自卸車數量安排較為充足，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、運輸路線和運距、運輸工具類型、道路路面情況及其運輸物的性質等。在雙洞爆破和出渣中，應盡量使兩洞避開同時出渣的情況。本文建立在滿足單洞出渣作業(yè)的情形下的機械配置，配置滿足雙洞出渣機械數量，會造車出渣機械的閑置，成本會增加一倍。所以在爆破時間間隔短的情況，會導致另一洞掌子面工作閑置，此時應及時安排其他工序作業(yè)。參考文獻(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.隧道出渣無軌運輸線傾卸車臺數控制模型研究J.現代機械，2002,2:70-72.4丁禮建.隧道出渣設備最佳配合分析J.石家莊鐵道學院學報.2002.8,15:54-57.5曹宏鐸,趙奎生,邢克宣.排隊論在土方工程組織中的應用J.遼寧工程技術大學學報,2000.10,19(5):485-487.6 郭垂江.運用排隊論確定裝卸機械合理數量J.