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1、第24卷 第6期2000年12月武 漢 交 通 科 技 大 學 學 報Journal ofW uhan T ransportation U niversityVol.24No.6December 2000西北部路基工程機械化施工方案的決策研究宋春節王政梅(武漢交通科技大學船舶與土木工程學院武漢430063)摘要:鑒于西北部黃土地區上覆蓋層為晚更新世(Q3)和全新世(Q4)黃土,其層厚大、覆蓋面廣、地勢較平坦、且鍬挖容易等特點,提出了以土方工程專用機械鏟運機為中心資源時的施工機械在型號、數量上匹配的量化計算方法,并給出了施工機械組合單元:某種可行型號鏟運機與相應壓路機、灑水機匹配的最小數量指標.2、關鍵詞:西北部黃土地區;鏟運機;機械配套;模糊綜合評判中圖法分類號:U 415121西北部黃土地區的黃土物理力學性質及其對道路工程的適應性黃土按成因分為原生黃土和次生黃土.我國黃土分布面積約64萬km2,其中濕陷性的約27萬km2,分布在北緯3347 之間,覆蓋在下更新世(Q1)午城黃土和中更新世(Q2)老黃土(離石黃土)上面的是晚更新世(Q3)馬蘭黃土和全新世(Q4)的新黃土.晚更新世(Q3)和全新世(Q4)黃土,分布在河岸階地段、塬地、梁峁的上部以及黃土高原與河谷平原的過渡地帶,其厚度5150m,其開挖特性:鍬挖容易.中更新世(Q2)老黃土常露于山西高原、豫西山前高地渭北高原、陜甘和隴西高3、原的梁峁丘陵地形深切沖溝的兩側,上覆Q3,下伏Q1黃土或第三紀紅粘土或砂磔層,其特點:不具有濕陷性,鍬、鎬開挖困難1.黃土層的物理力學指標:含水量7%23%,天然容重1318 kN?m3,孔隙比0181124,地下水位深度460 m,濕陷性黃土層厚度220m飽和黃土是指飽和度大于80%,且濕陷性已退化了的黃土.由于濕陷性黃土具有濕陷和壓縮兩種不同性質的變形,故路基工程中對此類路基土壤采用振動壓實輔助灑水的處理方式.由上所知,由于地表層為晚更新世(Q3)和全新世(Q4)黃土覆蓋,其鍬挖容易,所以對其采用鏟運機等專用土方機械進行施工時,不需要進行土壤翻松等輔助工作,便于大規模地組織機械化施工.2路4、基工程機械化施工方案決策的工作內容211幾個基本概念1)關鍵性施工資源施工資源是一個廣義的概念,它指投入施工中的人力、材料、施工機械、資金等.所謂關鍵性施工資源是指對本工程的施工質量、施工進度、施工費用起控制作用的資源.如它可能是施工企業短缺資源、可能是機械本身成本高的資源、可能是控制生產能力大小的資源.若關鍵性資源為某一類施工機械,則其稱為關鍵性施工機械.2)配套施工資源其專指滿足工程施工工藝要求,以關鍵性施工資源為中心而匹配的施工資源.當資源專指施工機械時,稱為配套施工機械.3)輔助施工資源為保證上述關鍵施工資源和其配套施工資源正常施工而投入的相關資源稱為輔助施工資源.212路基工程機械化5、施工方案決策的工作內容工程機械化施工方案決策過程是:首先確定關鍵性施工機械的類型;第二,根據關鍵性施工機收稿日期:20000831宋春節:男,32歲,博士,副教授 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.械及工作性能指標,確定其配套施工機械的可能集合;第三,根據路基工程的工程量大小、沿線的地形和作業空間、施工企業具有的施工機械的種類、數量,以施工強度為目標,確定各種施工機械組合方式時的關鍵性及其配套施工機械的數量.至于輔助施工機械認為施工企業能自動滿足,這里不作研究.213西北部黃土地區路基工程可6、行的機械化施工方案路基工程是典型的以土石方工程為主的工程.對于西北部黃土地區而言,由于其黃土覆蓋厚度從幾米至上百米,路基工程基本上是土方工程,因而其機械化施工方案主要有:以挖掘、運輸、碾壓機械配套使用的施工方案;以鏟運機、碾壓機械配套使用的施工方案.其中以挖掘機械(或裝載機)、運輸機械、碾壓機械配套使用的施工方案的研究,可參考文獻2,3.以下主要研究土方工程施工專業化程度比較高的鏟運機、碾壓機械配套使用的施工方案.3路基工程施工機械在型號上的配置研究311關鍵性施工機械的確定鏟運機、碾壓機械配套使用的機械化施工方案,其施工工藝流程如圖1所示.圖1鏟運機為中心時的路基工程施工工藝流程圖由圖1知該7、方案中需要鏟運機、碾壓機械(壓路機)、灑水機械等,至于哪一種機械為關鍵性施工機械,可以:機械成本;施工單位具有的數量;從施工機械在施工過程中的重要程度等影響因素出發,采用一級模糊綜合評判模型M1(,?)4,通過計算而定.這里認為經過計算分析后鏟運機械為關鍵性施工機械.312關鍵性施工機械鏟運機的型號確定影響鏟運機型號的因素有:運輸距離;爬坡能力;轉彎半徑;鏟土寬度?卸土寬度.令B為某種型號鏟運機與本路基工程相適應的模糊集合.則各影響因素對B的隸屬度為6:1)運輸距離LB(L)=e-K1(L3L-1)2K2(1)式中:L,L3分別為地形確定的實際運距、該種鏟運機的經濟運距5;K1 0,K2 0(8、且為整數)為系數,由工程具體情況確定.2)爬坡坡度 B()=11+K3(32-1)2K4(2)式中:為鏟運機在本工程中經常遇到的爬坡坡度;3為該種鏟運機的容許爬坡坡度5;K3 0,K4 0(且為整數)為系數,由工程具體情況定.3)轉彎半徑rc鏟運機的實際最小轉彎半徑rc由取土場的尺寸、路基的填筑寬度、鏟運機運行軌跡而定.圖2鏟運機的幾種典型運行軌跡圖2中a),b)軌跡中最小轉彎半徑取決于路基填筑寬度與取土場寬度中的小者.a),b)運行軌跡布置時D=m in(12D1,D2)(3)式中:D1與D2分別為路基橫向填筑寬度、取土場的單側寬度.c)運行軌跡布置時D=m in(12D2,D2)(4)式中9、:D1,D2分別為路線左側取土場寬度,路線右側取土場寬度.rc=FD(5)式中:FD表示以D為變量的函數.B(rc)=0rcrc3e-K5(3rc3rc-1)2K6rc3 3rc3(6)式中:rc3為該種鏟運機容許最小轉彎半046武漢交通科技大學學報2000年第24卷 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.徑5;K5 0,K6 0(且為整數)為參數,由具體工程條件而定.4)鏟土寬度?卸土寬度W一般地,填筑寬度W3與鏟運機卸土寬度W之比在68時為最佳,即:B(W)=0W3W11+K7(W3W-6)10、2K8WW36W16W 8W(7)所以單因素評判矩陣R=(rij)4m,i=1,2,3,4,表示上述影響鏟運機適應性的四種因素;j=1,2,m,表示m種鏟運機.A=(a1,a2,a3,a4)為影響因素的權重集合,由一般模糊綜合評判模型M1(,?)得:E=A3R=(e1,e2,em).e3=maxj(e1,e2,em)所對應的鏟運機為與本工程最適應鏟運機.2截集:E=ekek表示與本工程適應程度大于、等于 的鏟運機的集合.4配套施工機械型號的確定411壓路機型號的選擇由施工工藝要求知,壓路機應選用先輕型后重型壓路機,但考慮到西北部黃土地區填土含水量較小且難以加水濕潤,故應選用中型、重型壓路機.影11、響壓路機與本工程及鏟運機匹配程度的因素有:土的類別;鏟運機卸土寬度與壓路機一次碾壓寬度之比.單因素評判矩陣Rr=(rij)2p.式中:rij為第j種壓路機對被填筑土的適應程度;rij為第j種型號壓路機與鏟運機的適應程度.rij=1壓路機適用于本工程黃土0壓路機不適用于本工程黃土r2j=11+K11(WWr-0.85)2K12W 0.85Wr10.85WrWWr11+K13(WWr-117)2K14WrW 1.7Wr1117WrW 1.95Wr11+K15(WWr-2.85)2K16119WrW 0,且K12,K14,K16為整數,它們由具體工程情況而定.同樣,取權重因子集A r=(ar1,ar12、2),由一級模糊綜合評判模型M1(,?),取大計算及 2截集可得與已定某種型號鏟運機在型號上匹配的最佳壓路機及 可行集合.412灑水機械的型號選擇rj=1WspW0WspW(10)式中:rj=1表示第j種型號灑水機適用,rj=0表示第j種型號灑水機不適用;Wsp為該種型號灑水機一次灑水寬度;W為鏟運機一次卸土寬度.5施工機械在數量上的配套研究在上述型號匹配已定的基礎上,忽略平行施工機械之間相互影響時,數量上的匹配研究可以從研究1臺鏟運機與所需壓路機、灑水機械的數量著手,將此研究結果作為一個施工機械組合單元.具體工程可根據施工強度大小,確定所需單元數即可.令G為就本工程而言,某種型號壓路機(或灑13、水機)與一臺某種型號鏟運機在數量上相匹配程度為優時的模糊集,則N臺該種型號壓路機的匹配程度:G(N)=11+(NN3-1)2(11)由文獻5知N3=3.6VHKHKBnks(Wr-a0)vrT h(12)T=L1V1+L2V2+L3V3+L4V4+S t1+2t2(13)式中:VH為鏟斗容量,m3;ks為土壤松散系數;KH為鏟斗充盈系數;KB為時間利用系數;vr為壓路碾壓速度,km?h;h為壓路機的一次碾壓厚度;a0為壓路機碾壓重疊寬度,m;Wr為壓路機一次碾壓寬度;n為填土要求的碾壓遍數;T為鏟運機一工作循環的時間,s;L1,L2,L3,L4為鏟運機鏟土、運土、卸土、回駛的運駛速度;t1為換14、擋時間,s;t2為每循環中轉向時間,s;S為一循環中換檔的次數.同樣,N臺灑水機與某種型號鏟運機的數量上的匹配程度:G(N)=11+(NN3sp-1)2(14)146第6期宋春節等:西北部路基工程機械化施工方案的決策研究 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.由文獻5得:N3sp=3 600VHKHKBqT0ksKVwT(15)式中:Vw為灑水車容積;K為灑水重疊系數;q為每平方米需灑水量,m3?m2;T0為灑水車完成一車水的工作所需的時間.6案例分析某擬建雙向四車道高速公路,經過西北部黃土地區15、.已知路面寬度為26 m,路基填筑高度一般在15 m,路基填筑土采用當地黃土(上覆蓋為晚更新世Q3和全新世Q4黃土,少部分地區出露中更新世Q2的老黃土),坡度小于20,道路沿線場地較寬,垂直于路線的橫斷面方向上可取土寬度平均大于等于450650 m.試擬定該路基工程的施工方案.表1常用鏟運機型號(自行式)及技術參數CL 7卡特皮勒621B631B641B651B克拉克2密西崗韋伯克110211B1102TB222H小松W S23SW?mm2 7003 0003 4903 4553 6502 2862 7183 0003 380?()20r3?m145155611061561758199164116、4512100V?m391513231729331681411212216182310L3?m2003008001 2001 2001 600200300 8001 0008001 200表2常用自行式壓路機的型號及其技術參數光面碾雙輪三輪輪胎碾輕型中型重型振動碾羊足碾輕型中型重型最大重量?t1012141210121412101221133015618191082217131621811627124滾壓寬度?m112711372219463135411727118821159119052115921591211214317最大滾壓速度km?h12191219111311134181113 617、141611 6141611418191341819134181913壓實厚度?m2030203020302030152515251525202520252025151515碾壓遍數46464646464646333575757土壤適應性砂磔料、粗顆粒土壤粗顆粒土壤、砂性土、細粒土壤砂性土、粗顆粒、土壤細顆料土壤、粘性土表3各種型號鏟運機與本工程的適應程度CL 7621B631B641B651B110211B1102TB222HW S23SMB(L)0.6850.7480.7480.7480.2640.6850.8620.7480.748MB(b)111111111MB(rc)0.26011018、.8960.7900.6340.32010.616MB(W)0.2740.6921110.0810.2900.6921取A=(0.25,0.25,0.25,0.25),則E=A3R(e1,e2,e9)=(0.555,0.860,0.937,0.911,0,764,0.6,0.618,0.860),e3=max(e1,e2,e9)=e3=0.937,其中對應的鏟運機卡特皮勒631B型最適應本工程.表4常用壓路機與本工程及卡特皮勒631B型的匹配程度光面碾雙輪三輪輪胎碾輕型中型重型振動碾羊足碾輕型中型重型r1j1111111111000r2j0.9890.9140.6310.5470.5930.919、910.90.9860.90.7330.9230.8031 取Ar=(0.6,0.4),則Cr=Ar3Rr=(0.995 6,0.966,0.845,0.819,0.837,0.996 1,246武漢交通科技大學學報2000年第24卷 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.0.96,0.994,0.96,0.893,0.369,0.321,0.4),所以與本工程及卡特皮勒631B型鏟運機匹配最佳的是中型輪胎碾(重2113t),其次是重1212 t雙輪光面碾和重6181 t振動碾.由式公(12):20、N3=0.3273表5N臺壓路機(中型輪胎碾)與一臺631B型鏟運機的匹配程度N0110115012012501301350140145015G(N)0.6750.7730.8690.9470.9930.9950.9530.8770.782由表5知:1臺631B型鏟運機應配置(0125014)臺中型輪胎碾,即最佳數量配置為(34)臺卡特皮勒631B型鏟運機+1臺中型輪胎碾.同樣可得:(34)臺631B型鏟運機配1臺灑水車(灑水寬度3.5 m,水箱容積12 m3)最佳.故適合本工程的機械組合單元:(34)臺卡特皮勒鏟運機+1臺中型輪胎碾+1臺灑水車(灑水寬度3.5 m,水箱容積12 m3).參 21、考 文 獻1工程地質編委會編.工程地質手冊.北京:中國建筑工業出版社,1975.4454702宋春節,肖煥雄.隧洞開挖網絡進度的優化研究.人民長江,1993(4):7143宋春節.運輸系統的運輸能力的優化計算.交通與計算機,1998(1):74784王彩華,宋連天.模糊論方法學.北京:中國建筑工業出版社,1990.741505工程機械使用手冊編寫組.工程機械使用手冊.第五冊.北京:中國鐵路出版社,1991.2913106汪培莊.模糊集合論及其應用.上海:上海科學技術出版社,1985.150221On Construction Scheme Decision2making ofM echaniz22、ed Operation on Roadbed in the Northwest of ChinaSong ChunjieWang Zhengmei(College of N aval A rchetecture and Civil Eng ineering,W TU,W uhan430063)AbstractBased on the Characteristicsof loess in L ater pleislocene epoch and recent epoch of its thick layer,large scale,more smooth terrain and easily 23、digging in the nothw est of China,the paper points outcalculating method of mating of constrution mechanism types and numbers in accordance w ith thescraper that is a specific construction mechanism for earthwork.Then gives a combined indexes forunit of construction mechanism w ith one feasible type scraper,relative rollers and sprinklers sprayingcars.Key words:loess area in the northw est of China;scraper mating of construction mechanism;fuzzymulti2hierachical comprehensive evaluation346第6期宋春節等:西北部路基工程機械化施工方案的決策研究 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.