1、第24卷 第6期2000年12月武 汉 交 通 科 技 大 学 学 报Journal ofW uhan T ransportation U niversityVol.24No.6December 2000西北部路基工程机械化施工方案的决策研究宋春节王政梅(武汉交通科技大学船舶与土木工程学院武汉430063)摘要:鉴于西北部黄土地区上覆盖层为晚更新世(Q3)和全新世(Q4)黄土,其层厚大、覆盖面广、地势较平坦、且锹挖容易等特点,提出了以土方工程专用机械铲运机为中心资源时的施工机械在型号、数量上匹配的量化计算方法,并给出了施工机械组合单元:某种可行型号铲运机与相应压路机、洒水机匹配的最小数量指标.2、关键词:西北部黄土地区;铲运机;机械配套;模糊综合评判中图法分类号:U 415121西北部黄土地区的黄土物理力学性质及其对道路工程的适应性黄土按成因分为原生黄土和次生黄土.我国黄土分布面积约64万km2,其中湿陷性的约27万km2,分布在北纬3347 之间,覆盖在下更新世(Q1)午城黄土和中更新世(Q2)老黄土(离石黄土)上面的是晚更新世(Q3)马兰黄土和全新世(Q4)的新黄土.晚更新世(Q3)和全新世(Q4)黄土,分布在河岸阶地段、塬地、梁峁的上部以及黄土高原与河谷平原的过渡地带,其厚度5150m,其开挖特性:锹挖容易.中更新世(Q2)老黄土常露于山西高原、豫西山前高地渭北高原、陕甘和陇西高3、原的梁峁丘陵地形深切冲沟的两侧,上覆Q3,下伏Q1黄土或第三纪红粘土或砂磔层,其特点:不具有湿陷性,锹、镐开挖困难1.黄土层的物理力学指标:含水量7%23%,天然容重1318 kN?m3,孔隙比0181124,地下水位深度460 m,湿陷性黄土层厚度220m饱和黄土是指饱和度大于80%,且湿陷性已退化了的黄土.由于湿陷性黄土具有湿陷和压缩两种不同性质的变形,故路基工程中对此类路基土壤采用振动压实辅助洒水的处理方式.由上所知,由于地表层为晚更新世(Q3)和全新世(Q4)黄土覆盖,其锹挖容易,所以对其采用铲运机等专用土方机械进行施工时,不需要进行土壤翻松等辅助工作,便于大规模地组织机械化施工.2路4、基工程机械化施工方案决策的工作内容211几个基本概念1)关键性施工资源施工资源是一个广义的概念,它指投入施工中的人力、材料、施工机械、资金等.所谓关键性施工资源是指对本工程的施工质量、施工进度、施工费用起控制作用的资源.如它可能是施工企业短缺资源、可能是机械本身成本高的资源、可能是控制生产能力大小的资源.若关键性资源为某一类施工机械,则其称为关键性施工机械.2)配套施工资源其专指满足工程施工工艺要求,以关键性施工资源为中心而匹配的施工资源.当资源专指施工机械时,称为配套施工机械.3)辅助施工资源为保证上述关键施工资源和其配套施工资源正常施工而投入的相关资源称为辅助施工资源.212路基工程机械化5、施工方案决策的工作内容工程机械化施工方案决策过程是:首先确定关键性施工机械的类型;第二,根据关键性施工机收稿日期:20000831宋春节:男,32岁,博士,副教授 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.械及工作性能指标,确定其配套施工机械的可能集合;第三,根据路基工程的工程量大小、沿线的地形和作业空间、施工企业具有的施工机械的种类、数量,以施工强度为目标,确定各种施工机械组合方式时的关键性及其配套施工机械的数量.至于辅助施工机械认为施工企业能自动满足,这里不作研究.213西北部黄土地区路基工程可6、行的机械化施工方案路基工程是典型的以土石方工程为主的工程.对于西北部黄土地区而言,由于其黄土覆盖厚度从几米至上百米,路基工程基本上是土方工程,因而其机械化施工方案主要有:以挖掘、运输、碾压机械配套使用的施工方案;以铲运机、碾压机械配套使用的施工方案.其中以挖掘机械(或装载机)、运输机械、碾压机械配套使用的施工方案的研究,可参考文献2,3.以下主要研究土方工程施工专业化程度比较高的铲运机、碾压机械配套使用的施工方案.3路基工程施工机械在型号上的配置研究311关键性施工机械的确定铲运机、碾压机械配套使用的机械化施工方案,其施工工艺流程如图1所示.图1铲运机为中心时的路基工程施工工艺流程图由图1知该7、方案中需要铲运机、碾压机械(压路机)、洒水机械等,至于哪一种机械为关键性施工机械,可以:机械成本;施工单位具有的数量;从施工机械在施工过程中的重要程度等影响因素出发,采用一级模糊综合评判模型M1(,?)4,通过计算而定.这里认为经过计算分析后铲运机械为关键性施工机械.312关键性施工机械铲运机的型号确定影响铲运机型号的因素有:运输距离;爬坡能力;转弯半径;铲土宽度?卸土宽度.令B为某种型号铲运机与本路基工程相适应的模糊集合.则各影响因素对B的隶属度为6:1)运输距离LB(L)=e-K1(L3L-1)2K2(1)式中:L,L3分别为地形确定的实际运距、该种铲运机的经济运距5;K1 0,K2 0(8、且为整数)为系数,由工程具体情况确定.2)爬坡坡度 B()=11+K3(32-1)2K4(2)式中:为铲运机在本工程中经常遇到的爬坡坡度;3为该种铲运机的容许爬坡坡度5;K3 0,K4 0(且为整数)为系数,由工程具体情况定.3)转弯半径rc铲运机的实际最小转弯半径rc由取土场的尺寸、路基的填筑宽度、铲运机运行轨迹而定.图2铲运机的几种典型运行轨迹图2中a),b)轨迹中最小转弯半径取决于路基填筑宽度与取土场宽度中的小者.a),b)运行轨迹布置时D=m in(12D1,D2)(3)式中:D1与D2分别为路基横向填筑宽度、取土场的单侧宽度.c)运行轨迹布置时D=m in(12D2,D2)(4)式中9、:D1,D2分别为路线左侧取土场宽度,路线右侧取土场宽度.rc=FD(5)式中:FD表示以D为变量的函数.B(rc)=0rcrc3e-K5(3rc3rc-1)2K6rc3 3rc3(6)式中:rc3为该种铲运机容许最小转弯半046武汉交通科技大学学报2000年第24卷 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.径5;K5 0,K6 0(且为整数)为参数,由具体工程条件而定.4)铲土宽度?卸土宽度W一般地,填筑宽度W3与铲运机卸土宽度W之比在68时为最佳,即:B(W)=0W3W11+K7(W3W-6)10、2K8WW36W16W 8W(7)所以单因素评判矩阵R=(rij)4m,i=1,2,3,4,表示上述影响铲运机适应性的四种因素;j=1,2,m,表示m种铲运机.A=(a1,a2,a3,a4)为影响因素的权重集合,由一般模糊综合评判模型M1(,?)得:E=A3R=(e1,e2,em).e3=maxj(e1,e2,em)所对应的铲运机为与本工程最适应铲运机.2截集:E=ekek表示与本工程适应程度大于、等于 的铲运机的集合.4配套施工机械型号的确定411压路机型号的选择由施工工艺要求知,压路机应选用先轻型后重型压路机,但考虑到西北部黄土地区填土含水量较小且难以加水湿润,故应选用中型、重型压路机.影11、响压路机与本工程及铲运机匹配程度的因素有:土的类别;铲运机卸土宽度与压路机一次碾压宽度之比.单因素评判矩阵Rr=(rij)2p.式中:rij为第j种压路机对被填筑土的适应程度;rij为第j种型号压路机与铲运机的适应程度.rij=1压路机适用于本工程黄土0压路机不适用于本工程黄土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为整数,它们由具体工程情况而定.同样,取权重因子集A r=(ar1,ar12、2),由一级模糊综合评判模型M1(,?),取大计算及 2截集可得与已定某种型号铲运机在型号上匹配的最佳压路机及 可行集合.412洒水机械的型号选择rj=1WspW0WspW(10)式中:rj=1表示第j种型号洒水机适用,rj=0表示第j种型号洒水机不适用;Wsp为该种型号洒水机一次洒水宽度;W为铲运机一次卸土宽度.5施工机械在数量上的配套研究在上述型号匹配已定的基础上,忽略平行施工机械之间相互影响时,数量上的匹配研究可以从研究1台铲运机与所需压路机、洒水机械的数量着手,将此研究结果作为一个施工机械组合单元.具体工程可根据施工强度大小,确定所需单元数即可.令G为就本工程而言,某种型号压路机(或洒13、水机)与一台某种型号铲运机在数量上相匹配程度为优时的模糊集,则N台该种型号压路机的匹配程度:G(N)=11+(NN3-1)2(11)由文献5知N3=3.6VHKHKBnks(Wr-a0)vrT h(12)T=L1V1+L2V2+L3V3+L4V4+S t1+2t2(13)式中:VH为铲斗容量,m3;ks为土壤松散系数;KH为铲斗充盈系数;KB为时间利用系数;vr为压路碾压速度,km?h;h为压路机的一次碾压厚度;a0为压路机碾压重叠宽度,m;Wr为压路机一次碾压宽度;n为填土要求的碾压遍数;T为铲运机一工作循环的时间,s;L1,L2,L3,L4为铲运机铲土、运土、卸土、回驶的运驶速度;t1为换14、挡时间,s;t2为每循环中转向时间,s;S为一循环中换档的次数.同样,N台洒水机与某种型号铲运机的数量上的匹配程度:G(N)=11+(NN3sp-1)2(14)146第6期宋春节等:西北部路基工程机械化施工方案的决策研究 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.由文献5得:N3sp=3 600VHKHKBqT0ksKVwT(15)式中:Vw为洒水车容积;K为洒水重叠系数;q为每平方米需洒水量,m3?m2;T0为洒水车完成一车水的工作所需的时间.6案例分析某拟建双向四车道高速公路,经过西北部黄土地区15、.已知路面宽度为26 m,路基填筑高度一般在15 m,路基填筑土采用当地黄土(上覆盖为晚更新世Q3和全新世Q4黄土,少部分地区出露中更新世Q2的老黄土),坡度小于20,道路沿线场地较宽,垂直于路线的横断面方向上可取土宽度平均大于等于450650 m.试拟定该路基工程的施工方案.表1常用铲运机型号(自行式)及技术参数CL 7卡特皮勒621B631B641B651B克拉克2密西岗韦伯克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常用自行式压路机的型号及其技术参数光面碾双轮三轮轮胎碾轻型中型重型振动碾羊足碾轻型中型重型最大重量?t1012141210121412101221133015618191082217131621811627124滚压宽度?m112711372219463135411727118821159119052115921591211214317最大滚压速度km?h12191219111311134181113 617、141611 6141611418191341819134181913压实厚度?m2030203020302030152515251525202520252025151515碾压遍数46464646464646333575757土壤适应性砂磔料、粗颗粒土壤粗颗粒土壤、砂性土、细粒土壤砂性土、粗颗粒、土壤细颗料土壤、粘性土表3各种型号铲运机与本工程的适应程度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),则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,其中对应的铲运机卡特皮勒631B型最适应本工程.表4常用压路机与本工程及卡特皮勒631B型的匹配程度光面碾双轮三轮轮胎碾轻型中型重型振动碾羊足碾轻型中型重型r1j1111111111000r2j0.9890.9140.6310.5470.5930.919、910.90.9860.90.7330.9230.8031 取Ar=(0.6,0.4),则Cr=Ar3Rr=(0.995 6,0.966,0.845,0.819,0.837,0.996 1,246武汉交通科技大学学报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),所以与本工程及卡特皮勒631B型铲运机匹配最佳的是中型轮胎碾(重2113t),其次是重1212 t双轮光面碾和重6181 t振动碾.由式公(12):20、N3=0.3273表5N台压路机(中型轮胎碾)与一台631B型铲运机的匹配程度N0110115012012501301350140145015G(N)0.6750.7730.8690.9470.9930.9950.9530.8770.782由表5知:1台631B型铲运机应配置(0125014)台中型轮胎碾,即最佳数量配置为(34)台卡特皮勒631B型铲运机+1台中型轮胎碾.同样可得:(34)台631B型铲运机配1台洒水车(洒水宽度3.5 m,水箱容积12 m3)最佳.故适合本工程的机械组合单元:(34)台卡特皮勒铲运机+1台中型轮胎碾+1台洒水车(洒水宽度3.5 m,水箱容积12 m3).参 21、考 文 献1工程地质编委会编.工程地质手册.北京:中国建筑工业出版社,1975.4454702宋春节,肖焕雄.隧洞开挖网络进度的优化研究.人民长江,1993(4):7143宋春节.运输系统的运输能力的优化计算.交通与计算机,1998(1):74784王彩华,宋连天.模糊论方法学.北京:中国建筑工业出版社,1990.741505工程机械使用手册编写组.工程机械使用手册.第五册.北京:中国铁路出版社,1991.2913106汪培庄.模糊集合论及其应用.上海:上海科学技术出版社,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期宋春节等:西北部路基工程机械化施工方案的决策研究 1995-2003 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.