автореферат диссертации по строительству, 05.23.15, диссертация на тему:Анализ и формализация проектных решений по строительству тоннелей с разработкой математической модели для автоматизации процесса проектирования

РГБ ОД

\ /ГГ. 1 Г"!.-..-«♦•»»-»«..

■Уши IV!П

^.^ч-г, Л1.А ТТхч^тгтт^

и ид с пег

и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет пут9и СС0Сш.еНИЯ

На правах рукописи

Викинеев Минимукадас Гарифович

Анализ и формализация проектных решении по строительству тоннвлби с разработкой математической модели для автоматизации

процесса проектирования.

Сдбцпальность Gu.SG.iu - Мосты и транспортные тоннели.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

тосква

1396

Работа выполнена б А. 0. "Институт Гидроспеппроект"

Научные руководители

теп

член-корреспондент Академии транспорта РФ. доктор технических наук, профессор Е. А.Демешко действительный член Ме;вдународной академии информатизации, член-корреспондент Академии архитектуры и строительных наук рФ, доктор технических наук, профессор И. Н.Шапошников

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор В.М.Мостков кандидат технических наук Ю.Д.Крячков

Ведущая организация - Акционерное общество "Метрогипротранс"

Зашита состоится 25 июня 1936г. в 43 час. на заседании специализированного совета Д 114.05.02 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 101475, ГСП, г.Москва, А-55, ул.Образцова, дом 15, ауд. 7618

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан мая 1996 г.

Ученый секретарь специализированного Совета доктор технических наук, профессор

В.П.Мальцев

Общая характеристика работы.

Диссертация содержит результаты научно-исследовательских работ по анализу и математической формализации действий проектировщиков при разработке проектов тоннелей различного назначения - транспортных, гидротехнических, коммунальных и др. - с целью последующей разработки алгоритмического и программного обеспечения для достижения максимально возможной автоматизации процесса проектирования.

Проектирование объектов подземного строительства., располагаемых в сложных горно-геологических условиях, требует многовариантности конструктивно-компоновочных решений и расчетов различного вида, что невозможно обеспечить в сжатые сроки с использованием традиционных неавтоматизированных методов проектирования. Следовательно, создание' САПР тоннелей является важной и актуальной задачей. В данной работе определены основные принципы формализации локальной проектной процедуры с разработкой математических моделей для каждого этапа проектирования.

Полученные результаты были апробированы на многочисленных тестовых примерах и использованы в качестве алгоритмической основы программного обеспечения элементов системы автоматизированного проектирования тоннелей различного назначения САПР "Тоннель".

Представленная к зашите диссертация основывается на исследованиях и разработках, выполненных автором лично, а также в соавторстве под его руководством и при непосредственном участии.

Актуальность проблемы. Как известно, процесс любого технического проектирования носит ярко выраженный итеративкыи характер, когда на каждом шаге происходит улучшение какого-либо параметра проектируемого объекта. При этом количество итераций может быть достаточно велико и при отсутствии автоматизации проектирования весь процесс занимает много времени и требует больших трудозатрат. Следовательно, автоматизация процесса проектирования очень важна о точки зрения сокращения трудозатрат и сроков разработки' проектов. Кроме зтого, при обычном, неавтоматизированном проектировании многие решения,

требующие оптимизации, зачастую принимаются интуитивно, без рассмотрения специальных оптимизационных задач. Вместе с тем, при всей значимости таких результатов автоматизированного проектирования как повышение качества проектной документации, сокращение трудозатрат и сроков проектирования, эффективность его применения в гораздо большей мере определяется возможностью выбора на каждом этапе выполнения проекта . оптимального варианта решения из множества допустимых. Только з этом случае можно обеспечить существенное повышение надежности и технического уровня проекта объекта (что особенно важно для тоннелей, относящихся к сооружениям высокого класса капитальности), при одновременном снижении материалоемкости, стоимости и сроков строительства объекта.

Несмотря на перечисленные преимущества, САПР не нашел широкого применения в строительстве в целом, в том числе и в тоннелестроении, где до последнего времени автоматизированно выполняются лишь статические расчеты и сметная документация. Поэтому разработка математического обеспечения автоматизированного проектирования тоннелей представляет собой весьма актуальную научную задачу, очень важную в практическом отношении.

Целью работы являются:

- анализ и формализация конструктивных и технологических проектных решений для всех этапов разработки проектов тоннелей различного назначения-,

- разработка математической модели проектных процедур для последующего составления алгоритмов и программного обеспечения системы автоматизированного проектирования тоннелей.

Научная новизна. В представленной работе впервые в кашей стране рассмотрен комплексный подход к созданию системы автоматизированного проектирования тоннелей (в классическом смысле этого термина), при котором автоматизированно выполняются не только сложные статические расчеты конструкций или сметно-финансовые расчеты, но и все остальные элементы проектов и рабочей документации на строительство тоннелей различного назначения. В частности, впервые решены следующие вопросы.

1. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение, позволяющее автоматизированно выполнять расчеты геометрических параметров внутреннего и наружного контуров одно- и двухуступных тоннелей в зависимости от горно-геологических условии строительства, заданного транспортного габарита или расхода воды для транспортных л гидротехнических тоннелей соответственно с решением в необходимых случаях специальной оптимизационной задачи по рациональному распределению назначенных типов постоянного и временного крепления по длине тоннеля.

2. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение для автоматизированного конструирования пространственных армокаркасов монолитных и сборных железобетонных обделок тоннелей различного назначения.

3. Разработано математическое обеспечение для решения проблемы автоматизированного выбора полного комплекта технологического оборудования, необходимого для проходки тоннелей различного

назначения и возведения временного и постоянного крепления.

4. Разработаны математическое и алгоритмическое обеспечения автоматизированного выбора норм времени на все производственные операции с расчетом циклограмм и составлением сетевого графика строительства тоннеля с оптимизацией его по заданным критериям.

5. Разработано математическое обеспечение автоматизированной графической реализации практически всех элементов основного комплекта чертежей рабочей документации в части конструктивных и технологических решении строительства тоннеля.

Некоторые элементы данной работы не имеют аналогов и в зарубежных разработках автоматизированного проектирования тоннелей. В частности, это можно сказать о проблемах постановки и методах решения оптимизационных задач и использовании теории графов при назначении технологических схем строительства тоннелей.

Практическая ценность работы заключается в разработке математического обеспечения автоматизированного проектирования тоннелей в виде методов и алгоритмов выполнения проектных процедур,

- б -

по которым осуществляется программное обеспечение САПР "Тоннель".

Эта система практически используется з акционерном обществе "Институт Гидроспецпроект" при проектировании тоннелей для гидротехнического, транспортного и коммунального строительства.

Разработки, представленные в диссертации, используются как основа курса "Автоматизированное проектирование тоннелей", преподаваемого автором ка кафедре САПР факультета "Мосты и тоннели" МИИТа.

Достоверность. Достоверность разработанного математического обеспечения проверялась в процессе отладки программного обеспечения путем решения тестовых задач.

Часть расчетных алгоритмов при отладке программ была опробована в специализированных учебных и проектных институтах - МИСИ, Мосгидросталь, Гидропроект и других. Кроме этого, достоверность разработанного математического обеспечения контролируется в системе автоматизированного проектирования специальными подпрограммами, проверяющими непротиворечивость исходных данных и отдельных результатов расчета, а также при автоматизированной графической реализации результатов расчета в виде поперечных сечений, разрезов и узлов тоннельной обделки, армокаркасов и металлоконструкций арочного крепления и т.д.

Реализация работы в строительстве. Результаты работы использовались в полком объеме или частично при проектировании следующих объектов энергетического, транспортного и коммунального строительства:

- строительно-эксплуатационный водосброс Ирганайской ГЭС (построен);

- Зеравшанский ирригационный тоннель(П);

- деривационный тоннель Советской ГЭС (ТЗО);

- транспортный тоннель Т-4 Рогунской ГЭС (построен);

- тоннели водоснабжения г. Ставрополя (ТЭО);

- автодорожный тоннель г. Дамаска, Сирия (П);

- турбинные водоеоды ГЭС Капанда, Ангола (построены);

- строительно-экслуатационный водосброс и подводящий тоннель Тельмамской ГЭС (РД);

- деривационные тоннели и турбинные водоводы двухступенчатого

варианта Майнакской ГЭС в Казахстане (ТЗО) и многие другие.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, докладывались на следующих конференциях и совещаниях:

- о'сесоюзное научно-техническое совещание Минэнерго СССР "Разработка и внедрение САПР в отрасли". Москва. 18-20 шля 1388 г.

- Научно-практическая конференция по системам автоматизированного проектирования. г.Москва, июль 1989 г.

- Отраслевое научно-техническое совещание Минэнерго СССР по внедрению систем автоматизированного проектирования. Москва, 10-11 декабря 1991 г.

- Межрегиональный научно-технический симпозиум "От качественного проекта к совершенному подземному сооружению". Москва.9-10 июня 1993

- В 1394 г. работа экспонировалась в павильоне "Электрификация" ВВЦ РФ, и решением Совета ВВЦ автор награжден медалью "Лауреат ВВЦ".

- Международный тоннельный конгресс, конференция Немецкого тоннельного общества "ШТУВА" и 21-я ежегодная Генеральная ассамблея Международной тоннельной ассоциации. Штутгарт (Германия) 6-11 мая 1395г.

Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 130 наименований и приложения. Диссертация содержит 111 страниц машинописного текста, 16 рисунков, 5 таблиц.

Основное содержание работы.

Во зведении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложена цель работы, научная новизна, практическая ценность,

обоснована достоверность полученных результатов, приведено краткое содержание пяти глав.

В первой главе рассмотрена история развития автоматизации проектирования подземных сооружений у нас в стране и за рубежом.

Вопросам автоматизации процесса проектирования подземных

сооружений различного назначения посвящены работы Айвазова В.Н. Антонова О.Ю., Булычева Н. С., ВиринаЛ.Д., Гарбера В.А., Гузеев А.Г., Еремеева В.М., Золотова О.Н., Крячкова Ю.Д., Лякды A.A. Митейко А.И., Мосткова В.М., Резникова P.A., Фотиевой H.H., Христов С.Б., Шапошникова H.H., Юфина С.А. и других авторов. Анализ имеющихс работ показал, что они, при существенном различии рассматриваемых них механических моделей взаимодействия вмещающих пород с тоннельно конструкцией и применяемых методов расчета, в основном посвящен, проблемам автоматизации выполнения сложных конструктивных расчето различного вида.

Остальные аспекты процесса проектирования в большинстве рабо или вообще не рассматриваются, или рассматриваются только н концептуальном уровне постановки задачи. Исключение составляю работы, посвященные автоматизации проектирования подземных сооружени: угольной отрасли, которые, к сожалению,' из-за специфики отрасли н могут быть распространены на транспортные, гидротехнические коммунальные подземные сооружения.

Среди зарубежных разработок САПР тоннелей необходимо выделит: работы японских, французских, английских и других авторов. Но следуе-отметить, что все рассмотренные зарубежные разработки, во-первых также выполняют только локальные элементы проекта, и во-вторых ориентированы на строительные нормы и правила и технологическое оборудование стран-разработчиков, из-за чего не могут быть бе; значительных дорогостоящих переработок использованы в нашей стране.

Следовательно разработка математического и алгоритмическол обеспечения большинства проектных процедур для автоматизации проектирования тоннелей до настоящего Бремени важна и актуальна.

На начальном этапе разработки системы автоматизированной проектирования тоннелей было выполнено предпроектное исследование i соответствии с ГОСТ 23501.7-80 "Системы автоматизированное проектирования. Предпроектные исследования". На основании результате] этого исследования были определены объем, стоимость и срок: разработки системы и сделан вывод о технической возможности i

- J -

экономической целесообразности разработки САПР "Тоннель" для

автоматизированного проектирования тоннелей различного назначения.

Предпроектное исследование показало, что проект строительства тоннеля, включая все составные части основного комплекта рабочей документации (кроме чертежей металлоконструкций опалубок, подмостей и т. д.) состоит из 30-50 чертежей (в зависимости от сложности объекта), пояснительной записки и сметы. В свою очередь, каждый из зтих документов состоит из отдельных детальных блоков, представляющих собой какой-либо расчет, поперечный или продольный разрез, узел, таблицу и т.д. В каждом из чертежей содержится 15-20 таких детальных блоков. Если предположить, что для выполнения расчетной и графической части каждого детального блока необходимо составить минимум две подпрограммы, то общее количество подпрограмм, подлежалшх разработке, превысит 1500. Принимая во внимание повторяемость отдельных блоков (поперечных и продольных разрезов и т.д.) на разных чертежах, следует ожидать снижения количества алгоритмов и подпрограмм, подлежащих разработке, до 900-1000.

Оценка уровня автоматизации проектирования тоннелей который возможно достигнуть при разработке программного обеспечения в указанном объеме ( 1000 подпрограмм], показал, что в автоматизированном режиме возможно вьтолять до 70% объема проектов тоннелей. Больший уровень автоматизации проектирования вряд ли может быть достигнут, так как определенная часть действий проектировщика, (например, поиск и анализ исходной информации, формирование проектных вариантов на уровне подготовки исходных данных, диалоговый режим, экспертная оценка с проверкой результатов и т.д.) не подлежит автоматизации и должна выполняться проектировщиком вручную.

Вторая глава посвящена проблеме определения структуры и объема «сходной информации, требующейся для автоматизированного проектирования тоннелей различного назначения. Значимость этой проблемы обусловлена важностью обязательного соблюдения требования "необходимости и достаточности" информации - представление минимума исходных данных, юдготовленных по довольно простой схеме, при необходимой их полноте

для надежного функционирования всей системы в целом.

В процессе проектирования различных объектов используется множество данных самого разного характера из нормативных и номенклатурных справочников, сортаментов и технической литературы. Их совокупность составляет информационное обеспечение системы. Данные в системе структуризованы по двум типам.

Первый тип представляет собой однородные двумерные числовые массивы - матрицы, т.е. множество элементов фиксированного типа, объединенных единым именем.

В некоторых подсистемах используется другой тип представления данных - в виде автоматизированного банка данных (АБД).

Имеется возможность расширения АБД и введения новой информации по мере смены видов оборудования, при возникновении новых технологий или при изменении нормативных документов и т.д.

8 третьей главе рассмотрено математическое обеспечение проектных процедур при проектировании конструкций постоянных и временных обделок транспортных и гидротехнических тоннелей.

На рис.1 в качестве примера такого математического обеспечения представлен детальный алгоритм геометрического построения внутреннего и наружного контуров транспортных тоннелей различной формы.

Для гидротехнических тоннелей большого сечения сооружаемых в два уступа решена задача автоматизированного построения плавного внешнего контура сводовой части верхнего уступа при устройстве выносных опорных пят с условием обеспечения габарита для бурения строчки "гладкого" откола по стенам нижнего уступа.

Следующая проблема г инженерная задача конструирования армокаркасов тоннелей состоит из частных задач, определяющих параметры каждого элемента армокаркаса, среди которых необходимо выделить следующие процедуры:

- определение диаметра и геометрических параметров внутреннего и наружного рядов рабочей арматуры;

- разбивка армокаркаса на сборочные элементы (4 или 5 сборочных элементов для одноуступного тоннеля и 6 или 7 элементов для

Таблица габаритов тонне ней Нет

А а ГОСТу

л

[(Ха-Ы'НЪ-Уа)**«!'

Не:»

^ Нею

а,*агссо*вп/2Ли

Пягзз-ги.

аыхав:П,Пг,(7.,. Г

Рис. 1. Алгоритм построения внутреннего и внешнего контуров

Т «Г» г

ДБухуступного тоннеля);

- назначение диаметра стержней распределительной арматуры и определение их количества для каждого элемента армокаркаса;

- определение геометрических параметров поперечного армирования (хомутов, отгибов и т.д.);

- составление спецификаций всех арматурных стержней армокаркаса.

В результате всестороннего анализа расчетных и конструктивных

положений было предложено выполнять поперечное армирование повторяющимися блоками типовой формы по всему периметру обделки тоннеля. В состав типового блока входят один отгиб и два хомута (рис.2). На концевых и угловых участках сборочных элементов армокаркаса поперечное армирование выполняется половинными отгибами.

Конструкция пространственного армокаркаса с указанным поперечным армированием обладает достаточной несущей способностью для восприятия монтажных, транспортных и эксплуатационных нагрузок.

В четвертой главе рассматривается концептуальный подход и описывается математическое обеспечение основных проектных процедур при проектировании технологии строительства тоннеля.

Для автоматизации проектирования технологии строительства тоннелей необходимо было заново разработать математическую модель процесса проектирования, которая бы позволяла учитывать все факторы, влияющие на выбор всевозможных типов и марок машин и механизмов для строительства тоннеля, - форму и размеры поперечного сечения, конструктивные материалы, инженерно-геологические характеристики грунтов, наличие дополнительных подходов к тоннелю и другие параметры, с оценкой рассматриваемых технологий по заранее заданным приоритетам.

Анализ этапа проектирования по назначению технологических схем строительства тоннелей показал, что в этом этапе, независимо от назначения тоннеля и других изменяемых параметров, четко выделяются три проектные процедуры: определение номенклатуры технологических операций строительства тоннеля; определение набора условий строительства, влияющих на выбор типов строительных машин и определение основных конструктивных параметров тоннеля, от которых

)

Рис.2. Конструкция пространственных армокаркасов а) элементы поперечного армирования 1 - отгиб, 2 - хомут, 3 - половинный отгиб б) пример использования элементов поперечного армирования в пространственных армокаркасах

- -

зависит возможность использования конкретной марки машины или механизма того типа, который был ранее определен набором условий строительства тоннеля.

3 результате всестороннего анализа было определено, что при современном уровне развития отечественного тоннелестроения набор технологических операций проходческих, бетонных, монтажных, цементационных и других работ, необходимых для строительства тоннеля любого назначения, состоит более чем из 30 позиций.

Анализируя полный перечень операций, можно заметить, что только несколько позиций - транспорт породы и материалов,монтаж трубопроводов и кабельных линий - будут иметь место в любом проектируемом тоннеле, а необходимость остальных технологических операций должна определяться для каждого конкретного тонеля отдельно. Попытка формализации критериев выбора той или иной технологической операции для строительства конкретного тоннеля привела, в силу логической зависимости, к необходимости в первую очередь формализовать и ранжировать по степени важности условия строительства тоннеля.

Первоначально был предложен набор условий строительства, влияющих на выбор того или иного типа строительных тоннельных машин, состоящий из 18 главных признаков, приведенных в табл.1. Признаки условия строительства в табл. '1 упорядочены в соответствии со степенью важности и логической последовательностью выполнения операции строительства тоннеля.

Как видно из табл.1 для формализации условий строительства использована бинарная система, т.е. каждое условие может быть полностью охарактеризовано признаком, принимающим одно из двух возможных значений - 0 или 1. Таким образом, соответствующей комбинацией нулей и единиц описывается любое сочетание условий, которое может встретиться в практике строительства тоннелей. В результате имеется ситуация, при которой, с одной стороны, существует двоичный вектор, определяющий набор условий строительства для конкретного проектируемого объекта, с другой стороны, тлеется множество типов машин, которые могут быть применены для данных

Таблица 1

Поз. N Содержательный смысл Возможные значения

1 2 3 4

1. Конфигурация тоннеля 1(круг) О(подкова)

2. Механизированный способ разработки 1(да) 0(нет)

породы 1(да) 0(нет)

3. Буровзрывной способ

4. Немеханизированный способ Нда) 0(нет)

5. Уступ сооружения тоннеля 1(нижний) О(верхний)

6. Автомобильный транспорт Нда) 0(нет)

7. Рельсовый транспорт Цда) 0(нет)

8. Скреперный транспорт Нда) 0(нет)

9. Длина забоя 1(до 300м) 0(более ЗООы)

10. Наличие сборной крепи Нда) 0(нет)

11. То же, анкерной крепи Нда) 0(нет)

12. То же, набрызгбетонной крепи 1Ы 0(нет)

13. То же, арочной крепи Нда) 0(нет)

14. То же, из монолитного бетона Нда) 0(нет)

['черновой" бетон) 0(нет)

15. Наличие арматуры в постоянной обделке тоннеля Нда)

16. Наличие плоского бетонного Нда) 0(нет)

лотка или обратного свода 0(нет)

17. Необходимость вибрации бетона постоянной обделки Нда)

18. Показатель толщины бетонной обделки постоянной конструкции Идо 60см) 0(более 60см)

условий или кет. Проведенные исследования показали, что с некоторым расширением бинарной системы путем введения третьего значения признака, равного 2, такой принцип формализации может быть применен и для описания областей применения типов машин. Наличие значения какого-либо признака, равного 2, означает, что данный тип машины может быть использован при любом значении соответствующего признака условий строительства - 0 или 1.

Это обстоятельство - возможность использования расширенной бинарной системы для описания областей применения типов машин с использованием ранее описанных признаков условий строительства тоннеля - является очень важным по следующей причине.

Сравнение двоичного вектора описания признаков условий строительства тоннеля с расширенным двоичным вектором описания областей применения типов машин автоматически приводит к выбору технологической цепи механизмов, необходимой для строительства тоннеля без проведения трудно формализуемой процедуры определения набора технологических операций.

С использованием теории графов можно более наглядно представить область применения типа машин в виде графа специального вида (дерева с наложенными ограничениями), а конкретный набор условий даоительства - как путь по дереву. Сопоставление дерева области применения типа машин с ветвью конкретных условий строительства позволяет установить, принадлежит ли рассматриваемая ветвь данному дереву.

После выбора типов определяются марки машин. Для этого было выделено шесть главных параметров признаков тоннеля, определяющих конкретную марку машины того типа, который может быть применен при данных условиях строительства (в отличие от условий строительства указанные признаки обозначим римскими цифрами: коэффициент крепости породы в образце - I; для подковообразных тоннелей - площадь сечения - II, ширина - III, высота обслуживания - IV, высота выработки - V (последние два параметра различаются только у двухуступных тоннелей); для тоннелей кругового очертания - диаметр выработки - VI.

Тоннелестроительные машины были разделены по типам таким образом, чтобы к одному типу были отнесены машины, предназначенные для работы в одинаковых условиях строительства. При этом соответствующими " машинами ""должен-быть - обеспечен весь -.диапазон изменяемых параметров тоннелей и прочности породы.

3 связи с тем. что база данных типов оборудования и машин в АБД структуризована в соответствии с порядком производства работ ( от забоя к порталу) и упорядочена по критериям производительности и надежности, каждая из выбранных технологических схем практически является наиболее эффективной из возможных для данных условий строительства.

Пятая глава посвящена методам решения задач одно- и многокритериальной оптимизации при автоматизированном проектировании тоннелей.

Сложность постановки и решения оптимизационных задач существенным образом зависит от количества критериев эффективности и их взаимосвязи. Решение однокритериальных задач в теоретическом плане сложности не представляет, хотя в некоторых случаях и возникают технические трудности. При наличии же нескольких критериев з силу их противоречивости могут возникнуть затруднения как при постановке, так и при решении задач.

В САПР "Тоннель" нахождение оптимальных конструктивных и технологических решений выполняется с использованием методов как однокритэриальной, так и многокритериальной оптимизации.

Однокритериальная оптимизация применяется при решении расчетных задач, в которых необходимые параметры определяются итерационным методом с обязательным соблюдением назначенных граничных условии или аналитическим решением целевых функции, а также при решении логических задач, где в качестве управляющих функций используется система приоритетов.

К указанным задачам в САПР "Тоннель" можно отнести задачу построения плавкого внешнего контура тоннельных обделок дзухуступкых тоннелей, задачу выбора комплексов технологического оборудования для сооружения тоннелей и другие.

Типичной олнокригериальной оптимизационной задачей является :роблема равномерного распределения расчетного количества отбойных куров по площади поперечного сечения тоннеля при автоматизированном оставлении чертежа паспорта БВР.

Задача размещения отбойных шпуров по площади забоя при условии расположения прямоугольного клинового вруба в его центральной части ¡сложняется тем, что очертания контура выработки могут быть самыми ¡азными (от одного до восьми как криволинейных, так и прямолинейных, 'частков в различном сочетании).

Фрагменты предельных случаев относительного размещения отбойных шуров по площади забоя представлены на рис.3. На рис.За изображен :лучай максимальных пустот без перекрытий, а на рис.36 - случай максимального перекрытия с отсутствием пустот. Из рис.36 следует, что ¡тот случай имеет место при шахматном порядке расположения шпуров, ¡то ведет к нежелательным краевым эффектам, и поэтому данный вариант [е может быть применен в чистом виде. Таким образом, задача сводится ;...;35шовременной минимизации суммарных плопвдей перекрытий и пустот.

В общем виде решение этой задачи достаточно затруднительно. Нами юлучено приближенное решение задачи при использовании в качестве зарьируемых параметров радиуса действия отбойного шпура и расстояния зт подошвы выработки до вруба.

Пример размещения отбойных шпуров по плоскости забоя для гоннелей различной формы и размеров, выполненные по разработанному алгоритму, показан на рис.4.

К задачам, в которых оптимальные проектные решения отыскиваются ; применением методов многокритериальной оптимизации, следует отнести тривязку типов постоянного и временного крепления к пикетажу тоннеля з зависимости от горногеологических условий. Достаточно часто, 1апример, при проектировании протяженных тоннелей в неоднородных юродах или тоннелей небольшой длины, но с частым чередованием пачек ;лабых и прочных пород (так называемый "слоеный пирог"), желание -меть наиболее рациональную конструкцию тоннеля (без излишних эезервов по несущей способности и размерам поперечного сечения) в

Рис. 3. Примеры взаимного расположения шпуров

Рис.4. Пример паспорта БВР, разработанного в автоматизированном режиме

I— VII - очередности взрывания 1^-101 - номера шпуров

каждой геологической разности вступает в противоречие с технологичностью проходческих и бетонных работ в тоннеле, что, в свою очередь, приводит к увеличению срока его строительства. Каких-либо четких критериев, которые однозначно позволяли бы с использованием простых приемов определить, как поступать в казщом конкретном случае, выработано не может быть ввиду значительного многообразия возможных вариантов геологических условий строительства, конструктивных решений тоннельных обделок, а также количества рассматриваемых взаимосвязанных критериев предпочтительности того или иного варианта, среди которых необходимо выделить стоимость, материалоемкость, трудозатраты и срок строительства. Для решения указанной оптимизационной задачи был применен многомерный поиск с использованием метода деформируемого многогранника Нелдера-Мида, позволяющего довольно быстро приблизиться к экстремуму функции при переборе допустимого числа вариантов.

Следующей многокритериальной задачей является проблема оптимального распределения рабочей арматуры по периметру конструкции тоннеля.

В качестве критериев выбираются себестоимость, трудозатраты и материалоемкость. При рассмотрении перечисленных критериев можно заметить, что себестоимость и материалоемкость взаимосвязаны. Себестоимость является более комплексным показателем, чем материалоемкость, и поэтому сочтено возможным, не снижая точности решения, ограничиться критериями себестоимости и трудозатрат. Последние в данной задаче выражаются количеством сварных швов или участков постоянного диаметра. Очевидно, что сложность при постановке и решении указанной задачи вызывает противоречивость критериев предпочтительности - трудозатрат и себестоимости.

Обычно в таких случаях проблема оптимизации сводится к отысканию области компромиссных решений с последующим принятием оптимального решения путем экспертной оценки.

При классификации критериев в данном случае было принято, что более значимым является критерий себестоимости, а менее значимым -трудозатраты. Трудозатраты обратно пропорциональны стоимости, т.е.

чем меньше количество 'участков постоянного диаметоа. тем меньше

"О!

сварных швов, но диаметры больше отличаются от начальных расчетных, и следовательно, выше стоимость, и наоборот.

¡Выполнив предварительное ранжирование критериев по значимости, можно быстро итерационным путем найти экстремум в однокритериально; задаче iпо основному критерию), а затем отыскивается оптимальное решение по другим критериям с использованием метода уступок.

При таком подходе поставленная задача распадается на два этапа, üa дерЕсы этапе за критерий эффективности принимается стоимость находится оптимальное решение по стоимости. На втором этапе путеь увеличения стоимости на определенную величину, называемую уступкой, возможно сократить количество участков постоянного диаметра, т.е. уменьшить трудозатраты благодаря сокращению количества сварных швов.

Математически постановка задачи выглядит следующим образом:

J? (¿z) —min. , = (s(xi) - S(doi))+ZГ Sa (min {XL, Xirt))] ,

XL ф-XLfi ,

где с - номера исходных участков контура ; ц - количество исходных участков контура : CL - длина d'-го исходного участка ;

Xi - новый диаметр ¿-го исходного участка, определяемый, как максимальный расчетный диаметр наJ- ом участке между двумя соседними

стыками :

Jot- расчетный диаметр Z-го исходного участка арматуры ; S (dot) -стоимость 1 м арматуры рассматриваемого диаметра ;

,Xi-tt)j-стоимость одного сварного шва, рассчитываемого по минимальному диаметру свариваемых стержней арматуры.

При отем необходимо соблюдать следующую ограничения СС1 а&1> т.е. диаметры арматуры нельзя уменьшать

где количество исходных участков в ^-ом участке постоянногс диаметра ;

^ /у - количество участков постоянного диаметра.

Алгоритм направленного перебора заключается в следующем.

За исходное положение принимается максимально возможное количество стыков с учетом ограничений. Стыки поочередно сдвигаютег на рабочее приращение - от одного до максимального количестве участков. Вариант с минимальной стоимостью принимается за исходный, ъ цикл продолжается. В том случае, если не происходит уменьшена? стоимости при всех изменениях мест расположения стыков, процесс заканчивается, и тем самым определяется оптимальное расположение стыков по критерию стоимости. Далее фиксируется полученное количестве сварных швов, после чего их уменьшают на единицу и с использование!» этого числа в качестве исходных данных процесс повторяют, находя новое расположение сварных швов. При этом стоимость увеличивается относительно найденной ранее. Если увеличение стоимости не превышает величины заранее заданной уступки, то фиксируется последнее количество швов, от него отнимается единица, и процесс продолжается.

В тех случаях, когда полученная стоимость превышает оптимальнук более, чем на величину уступки, процесс прекращается, и зг результирующую величину принимают предыдущее расположение стыков.

Величина уступки определена экспертным путем. При проведение серии пробных расчетов величина уступки варьировалась от 1 до 10 7, оптимальной стоимости с шагом в 1%. По результатам этого анализа, величина уступки для автоматизированных расчетов оптимального армирования зкепертно была принята в пределах 5%.

Среднее увеличение стоимости при направленном поиске относительно истинно оптимального значения, определенного полны)» перебором вариантов, составляет 0,35%, а наибольшее отклонение -

1,4%. ло говорит о достаточной точности результатов, полученных при использовании алгоритма с направленным поиском, при этом количество итерации на несколько порядков меньше, чем при полном переооре.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. На основе всестороннего анализа процесса проектирования" тоннелей различного назначения, сооружаемых в разносоразных инженерно-геологических условиях., разработан комплексный подход, к Формализации отдельных проектных операции, процедур и целых этапов проектирования тоннелей.

<2. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированных расчетов различного вида, основанных на указаниях СНиП и другой нормативной литературы.

3. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение автоматизированного выполнения нижеперечисленных проектных процедур, производимых ранее проектировщиками на основании опыта и эвристических спосоиностеи:

- оптимизация распределения назначенных типов постоянного и временного крепления по длине тоннеля;

- конструирование пространственных армокаркасов монолитных и спорных железооетонных обделок тоннелей различного назначения;

- выбор цепи технологического оборудования. необходимого для проходки и возведения временного и постоянного крепления тоннелей различного назначения;

- определение норм времени на все производственные операции с расчетом циклограмм и составлением сетевого графика строительства и гго оптимизации по заданным критериям.

4. Разработано математическое обеспечение автоматизированной графической реализации чертежей сснсвного комплекта рабочее лскуыекташш:

5. На основе разработанного математического обеспечения ¡¡оставлено программное обеспечение системы автоматизированного тооектирования тоннелей САПР "Тоннель", предназначенной для

проектирования тоннелей различного назначения.

Система состоит из пяти подсистем, каждая из которых выполняе! законченную расчетную или графическую часть проекта. ^ 5. С применением САПР "Тоннель" разработаны проекть "гидротехнических и транспортных тоннелей Советской , Днестровской, Рогунской. Ирганайской, Тельмамской ГЭС, тоннеля водоснабжения г.Ставрополя, гидроузлов Капанда (Ангола) и Зит-Змба (Алжир), автодорожных тоннелей на трассе Бишкек-Ош, Кандак и др.

С помощью САПР "Тоннель" имеется возможность проектировать транспортные тоннели по индивидуальному габариту нестандартны? грузов, что значительно расширяет возможности использования системъ для проектирования подземных сооружений другого назначения - гаражей, raso-, кефте-, овощехранилищ, ангаров, заводов и др., для условий устойчивых, скальных и полускальных пород.

3. Исходя из опыта работы создания САПР "Тоннель", следует сделать вывод о необходимости разработки нормативных документоЕ (СНиП, ТУ, ВСН и т.д.) с учетом требований, предъявляемых автоматизацией проектирования.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих

публикациях автора:

1-Опыт разработки системы автоматизированного проектирования "Тоннель". Энергетическое строительство. 1983г. N6.

2 Разработка системы "Тоннель". Разработка и внедрение САПР ¿ отрасли:¡Материалы Всесоюзн.научн-технич.совещ., Москва, 13-20 июля 1388 г. - М.Информэнерго.

3.Построение сложных внешних контуров тоннелей большого сечения. Энергетическое строительство.1388. N9.(соавторы Лапикова Л.В., Хазанов С.Ю.)

4.Подсистема "Технол" комплекса САПР "Тоннель". Избр. докл. научн-практич. кокф. по системам автоматизированного проектирования. Москва, июль 1989г(соавторы Лысенко Ю.П., Петрова Ю.В., Иванова Л.М.]

5.Инструкция пользователя и описание системы автоматизированное

рсекткрсЕакия САПР "Тоннель". Инв.N12631-4-114 (при участии Лысенко .П., Петровой Ю.В. ) 196 страниц.

5. Сборник цен на проектные работы для строительства. Раздел 1 лектр'оэнергетика.Глава 16: Подземные сооружения.энергетических сбъ-ктов. Госстрой СССР. Москва 1990 г.

Система автоматизированного проектирования САПР "Тоннель", пиротехническое строительство. 1391.N5.

3.Подсистема выбора оптимальных технологических схем строи-*-ельства тоннелей при автоматизированном проектировании. Сб.на'/чн. рудов Гидропроекта.1991. Вып.146.(соавторы Лысенко Ю.П.,Петрова Ю.В.)

¿.Концепция и основные принципы построения САПР "Тоннель."Отраслевое научно-техническое совещание Минэнерго по внедрению систем автоматизированного проектирования. Москва. 10-11 декабря 1991 г.Информ-¡нерго.(соавтор Лысенко Ю.П.).

10.Оптимизация проектных решений в САПР "Тоннель". Энергети-юское строительство.1992.N1 (соавтор Хайтман А.Л.).

11.Концепция и основные принципы построения САПР "Тоннель". Энергетическое строительство.1933.N1 (соавтор Лысенко Ю.П.).

12.Автоматизированное проектирование тоннелей. Межрегиональный ¡аучно-технический симпозиум "От качественного проекта к совершенному юдземному сооружению". Москва. 9-10 июня 1393 г.(соавторы Лысенко З.П. .Камушкин Д.В.).

13. Система автоматизированного проектирования тоннелей различного назначения. Международный тоннельный конгресс, конференция Немецкого тоннельного общества "ЖУВА" и 21-я ежегодная Генеральная ассамблея Международной тоннельной ассоциации. Штутгарт ¡Германия; 5-11 мая 1995 года (соавторы Лысенко Ю.П. и Камушкин Д.В.).

14. Система автоматизированного проектирования тоннелей различного назначения. Подземное пространство мира. 1395. N 3-4. (соавторы Лысенко Ю.П. и Камушкин Д.В. к

15. Некоторые проблемы автоматизации проектирования тоннелей. Гидротехническое строительство. 1396. N8 (соавторы Лысенко Ю.П.. Камушкин Д.В. и Мухамеджанова С.В.).