公路路面施工工程的機(jī)械設(shè)備選型與配置
關(guān)鍵詞：公路路面,關(guān)鍵設(shè)備,優(yōu)化組合,理論模型,施工工藝
1、引言
工欲善其事，必先利其器，日益發(fā)展的高速公路建設(shè)，日益提升的高品質(zhì)、高性能產(chǎn)品的要求，預(yù)示機(jī)械化程度越發(fā)激烈，以高科技含量為突破口，追求高起點(diǎn)、鎖定新目標(biāo)、求得新發(fā)展，是我們筑路人的追求。在公路路面施工工藝中，機(jī)械設(shè)備是完成各項(xiàng)工程施工的主要工具，是確保工程質(zhì)量和安全生產(chǎn)、加快工程進(jìn)度、提高經(jīng)濟(jì)效益、改善勞動(dòng)條件、降低工程成本的重要技術(shù)裝備。對(duì)于整個(gè)公路機(jī)械化施工系統(tǒng)，施工機(jī)械種類雜、數(shù)量大，施工環(huán)節(jié)多，在研究公路路面施工機(jī)械設(shè)備的重點(diǎn)是瀝青混凝土攪拌設(shè)備、攤鋪設(shè)備、運(yùn)輸車輛和碾壓設(shè)備這四個(gè)工藝環(huán)節(jié)的相互配合問題。一方面，他們之間密切聯(lián)系又相互制約，任何一個(gè)環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，都會(huì)使整個(gè)機(jī)械化施工系統(tǒng)阻塞和混亂；另一方面，上述四類設(shè)備是公路施工的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備，數(shù)量多、投資大、使用范圍的局限性較大，絕大部分是專用機(jī)械，每一種設(shè)備只能完成一、二項(xiàng)或者三、四項(xiàng)性質(zhì)相近的工程。公路路面施工機(jī)械設(shè)備的選用受作業(yè)內(nèi)容、地理環(huán)境、運(yùn)距遠(yuǎn)近、氣象條件等各個(gè)方面的影響和制約，選用時(shí)應(yīng)遵循以下基本原則：
(1)能與工地的地理環(huán)境，當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件相適應(yīng)；
(2)滿足工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，在施工工藝允許的條件下，盡可能采用重型機(jī)械，并保證為其安排足夠的工程量；
(3)不破壞周邊已有建筑設(shè)施和質(zhì)量；
(4)具有良好的性能及可靠性，能高效完成既定工程量；
(5)機(jī)械使用費(fèi)少，施工單價(jià)低；
(6)容易操作，維修方便，可靠性高；
(7)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，節(jié)約勞動(dòng)力；
(8)安全性能好，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染和破壞；
(9)安裝調(diào)試簡(jiǎn)便，轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸容易。
公路路面工程機(jī)械化施工是由多種機(jī)械設(shè)備協(xié)同作業(yè)，發(fā)揮同一工程中多種作業(yè)機(jī)械的最大經(jīng)濟(jì)效益是我們應(yīng)該深入研究的課題，即對(duì)這些施工機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化組合，優(yōu)化組合的基本原則：
(1)選好既定工程的主導(dǎo)機(jī)械，其它機(jī)械必須與主導(dǎo)機(jī)械進(jìn)行配套，主導(dǎo)機(jī)械在施工工藝中稱關(guān)鍵設(shè)備（關(guān)鍵設(shè)備隨著工程的變化而變化）。
(2)盡量減小配套機(jī)械設(shè)備的數(shù)量；
(3)各配套機(jī)械設(shè)備的工作能力必須相匹配；
(4)采用合理的施工組織方案；
⑸同一作業(yè)要盡量使用同一型號(hào)的機(jī)械，以便管理和維修；
�、蔬x用最經(jīng)濟(jì)的機(jī)械優(yōu)化組合。
關(guān)鍵設(shè)備決定施工方式、方法、工程的施工質(zhì)量和進(jìn)度，并且在很大程度上決定整套機(jī)械生產(chǎn)效益。因此，公路施工機(jī)械設(shè)備的選型與配置是否合理，對(duì)于提高設(shè)備利用率、圓滿完成施工任務(wù)、提高經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的意義。為合理配置機(jī)械設(shè)備，充分發(fā)揮單體設(shè)備的技術(shù)性能并使公路施工機(jī)械設(shè)備之間的參數(shù)匹配合理，減少重復(fù)投資造成的浪費(fèi)，降低能耗，首要的問題是建立優(yōu)化組合的理論模型。
2、一般優(yōu)化模型的建立
公路路面施工機(jī)械設(shè)備的配置應(yīng)根據(jù)路面結(jié)構(gòu)類型、材料種類、施工方法和工藝、工程數(shù)量及環(huán)境條件、生產(chǎn)工期等確定。路面的施工工序一般采用：瀝青混合料拌和一瀝青混合料運(yùn)輸一瀝青混合料攤鋪一瀝青混合料初壓一瀝青混合料復(fù)壓一瀝青混合料終壓（圖1）。其對(duì)應(yīng)的機(jī)械設(shè)備分別為瀝青混凝土攪拌設(shè)備、攤鋪設(shè)備、運(yùn)輸車輛和碾壓設(shè)備，關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備為瀝青混凝土攪拌設(shè)備，其生產(chǎn)能力決定其后續(xù)工作所選用機(jī)械設(shè)備的類型、數(shù)量和生產(chǎn)能力。下面以瀝青混凝土攪拌設(shè)備、攤鋪設(shè)備、運(yùn)輸車輛三種機(jī)械設(shè)備(根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)，碾壓設(shè)備一般不需要進(jìn)行優(yōu)化配置)的生產(chǎn)能力等性能參數(shù)為中心，以公路路面工程量為基本依據(jù)，建立公路路面施工機(jī)械優(yōu)化配置理論模型。
設(shè)公路路面工程班所需生產(chǎn)能力(即拌和量)為Qm，則某種公路路面施工機(jī)械不同類型的數(shù)量分別為N1，N2，N3，…，其性能參數(shù)(即臺(tái)班生產(chǎn)能力)分別為C1，C2，C3，…，為使公路施工實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力Qm，針對(duì)某種公路路面施工機(jī)械，其總的班生產(chǎn)能力之和必須大于工程班所需生產(chǎn)能力，即必須有下式成立
N1Cl+N2C2+N3C3+…≥Qm(1)
2.1瀝青混凝土攪拌設(shè)備的生產(chǎn)能力關(guān)系
瀝青混凝土攪拌設(shè)備的班生產(chǎn)能力根據(jù)式(1)有
βNjiCjihiaj≥Qm(2)
令aj＝NjiCjihjajβ／Qm
則aj≥1(3)
式中：aj一攪拌設(shè)備富余系數(shù)；
Nji一攪拌設(shè)備的數(shù)量，臺(tái)；
Cji一攪拌設(shè)備類型的臺(tái)班生產(chǎn)能力，t/h；
hj一每班工作時(shí)間(工程上一般以12h計(jì))，h；
aj一攪拌設(shè)備時(shí)間利用系數(shù)；
β－為機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)效率因子。
2.2瀝青混凝土攤鋪設(shè)備的生產(chǎn)能力關(guān)系
瀝青混凝土攤鋪設(shè)備的理論攤鋪能力比拌和能力大得多，但其實(shí)際攤鋪量取決于攤鋪速度、寬度、厚度等三個(gè)方面，利用瀝青混凝土攤鋪設(shè)備生產(chǎn)能力的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)式(1)得
NpiCpi≥Qm(4)
根據(jù)臺(tái)班生產(chǎn)能力有
Cpi＝Vtγbhhpαp
令B2=Vtγbhhpαp／Qm(6)
由式(4)～(6)得αp＝B2Npi≥1(7)
式中：αp一攤鋪設(shè)備的富余系數(shù)；
Vt一攤鋪速度(一般來說，對(duì)于下層攤鋪速度為2.1～2.7m／min，對(duì)于上層攤鋪速度為3.08～5.34m／min)，m／min；
γ一瀝青混凝土密度，t／m3；
b一攤鋪寬度，m；
h一攤鋪厚度(分為上層厚度和下層厚度，計(jì)算時(shí)分開計(jì)算)，m；
Npi一攤鋪設(shè)備的數(shù)量，臺(tái)；
hp一攤鋪設(shè)備班工作時(shí)間，h；
αp一時(shí)間利用系數(shù)。
2.3瀝青混凝土運(yùn)輸車輛的生產(chǎn)能力關(guān)系
公路路面施工用瀝青混凝土運(yùn)輸車輛一般采用自卸汽車，因拌和站基本上設(shè)在標(biāo)段中點(diǎn)，故考慮到經(jīng)濟(jì)性，取經(jīng)濟(jì)運(yùn)距一般為最大運(yùn)距的80％。根據(jù)瀝青混凝土運(yùn)輸車輛生產(chǎn)能力，由式(1)有
NqiCqi≥Qm(8)
根據(jù)臺(tái)班生產(chǎn)能力，有
Cqi＝60Ghqklk2／[(t1+2t2+t3+t4)k3](9)
令B3＝60Ghqk1k2／[(t1+2t2+t3+t4)k3Qm](10)
將式(8)～(10)整理得
αq＝NqiGB3≥1(11)
式中：αq一運(yùn)輸車輛的富余系數(shù)；
Nqi一運(yùn)輸車輛的數(shù)量，輛；
Cqi一運(yùn)輸車輛的生產(chǎn)能力，t／班；
G一運(yùn)輸車輛的載重，t／次；
hq一班工作時(shí)間，h；
k1一運(yùn)輸車輛載重利用系數(shù)；
k2一運(yùn)輸車輛時(shí)間利用系數(shù)；
k3一運(yùn)輸車輛備用系數(shù)；
t1一攤鋪1車料的時(shí)間，min；
t2一車輛在攪拌站和攤鋪機(jī)之間途中行駛的時(shí)間，min；
t3一車輛在攪拌場(chǎng)裝料及等待的時(shí)間，min；
t4一攤鋪現(xiàn)場(chǎng)車輛等待卸載的時(shí)間，min。
1.4一般優(yōu)化理論模型
根據(jù)上面的推導(dǎo)，得到了在滿足公路路面生產(chǎn)能力條件下三種類型機(jī)械的富余系數(shù)αj、αp、αq的表達(dá)式，要使公路路面施工連續(xù)進(jìn)行并保證機(jī)械設(shè)備充分發(fā)揮生產(chǎn)效率，即要求各工序機(jī)械的富余系數(shù)之差值應(yīng)最小，并且均不小于1。為此優(yōu)化目標(biāo)確定為各工序機(jī)械的富余系數(shù)之差的平方和最小，即
Rmin＝(αj—αp)2+(αp—αq)2(12)
因此，綜合式(3)、(7)、(11)、(13)得到公路路面施工機(jī)械優(yōu)化配置的數(shù)學(xué)模型如下
Rmin＝(αj—αp)2+(αp—αq)2
而且
由式(13)可以看出，公路路面施工機(jī)械的數(shù)量和性能參數(shù)(如設(shè)備的規(guī)模)是優(yōu)化配置的核心，它們相互影響，相互制約，并且受多方面不穩(wěn)定因素的影響，對(duì)于不同公路路面基層各因素的影響程度不一樣。
3、模型驗(yàn)證
式(13)為一般公路路面施工機(jī)械優(yōu)化配置的理論模型，對(duì)于不同的公路路面，各參數(shù)的影響程度不一樣，而對(duì)于具體的公路路面施工，各種類型設(shè)備相應(yīng)的影響系數(shù)就可以確定了。對(duì)于一個(gè)公路路面施工工程，可以根據(jù)式(3)、(7)、(11)分別確定機(jī)械設(shè)備的性能、數(shù)量與公路路面施工規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化配置，再根據(jù)約束條件和目標(biāo)函數(shù)計(jì)算出優(yōu)化配置結(jié)果。
下面以山東省同三線第十五標(biāo)段高速公路瀝青混凝土路面工程施工為例進(jìn)行優(yōu)化配置計(jì)算。該路面工程概況為：全長(zhǎng)21.6km高速公路，總投資5356.6萬元。路面分三層，下層為6cm厚粗粒式瀝青混凝土，中層為6cm厚中粒式混凝土，上層為4cm細(xì)粒石瀝青混凝土，總拌和量為28.4×104t,瀝青混凝土路面施工工期為5個(gè)月。
該工程所用的瀝青混凝土攪拌設(shè)備、攤鋪設(shè)備、運(yùn)輸車輛三種機(jī)械設(shè)備的實(shí)際情況分別為：
瀝青混凝土攪拌設(shè)備日本生產(chǎn)的NBA240型攪拌設(shè)備1臺(tái)，生產(chǎn)率為200～240t／h；瑪蓮尼MAP120E190L型攪拌設(shè)備1臺(tái)，產(chǎn)量100～120t／h，兩設(shè)備產(chǎn)量可達(dá)300—360t／h。
瀝青混凝土攤鋪設(shè)備ABG423型攤鋪機(jī)2臺(tái)，福格勒S1800型攤鋪機(jī)1臺(tái)，理論攤鋪能力可達(dá)2400t／h，比攪拌能力大得多。但其實(shí)際攤鋪量取決于攤鋪速度、寬度、厚度三個(gè)方面，可以根據(jù)式(4)、(5)進(jìn)行計(jì)算。
瀝青混凝土運(yùn)輸車輛考慮到經(jīng)濟(jì)性，避免車輛過多閑置，取經(jīng)濟(jì)運(yùn)距11km(最大運(yùn)距的80％)，車輛載重15t，運(yùn)輸車輛20臺(tái)。
利用式(13)進(jìn)行核驗(yàn)，山東省同三線第十五標(biāo)段高速公路瀝青混凝土路面工程施工機(jī)械設(shè)備的配置并不優(yōu)化，兩種類型設(shè)備其生產(chǎn)能力都有較大富余：以瀝青混凝土攪拌設(shè)備為例，它的生產(chǎn)能力可達(dá)300～360t／h，富余系數(shù)αj達(dá)到了1.5，造成了較大浪費(fèi)。在優(yōu)化計(jì)算中，瀝青混凝土攪拌設(shè)備的生產(chǎn)能力達(dá)到200～240t／h，攤鋪機(jī)富余系數(shù)也為1.5（其主要原因是因?yàn)楫?dāng)?shù)氐奶厥馐┕すに�，攤鋪機(jī)并機(jī)作業(yè)、碾壓工藝要求很嚴(yán)，同時(shí)當(dāng)?shù)貙倥瘻貛О霚貪?rùn)季風(fēng)氣候，夏季多雨，攤鋪速度、碾壓速度和溫度比較苛刻，故產(chǎn)生此結(jié)果）。
4、結(jié)論
根據(jù)以上分析及應(yīng)用結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：
(1)該優(yōu)化配置理論模型是正確且有效的，在進(jìn)行公路路面施工機(jī)械優(yōu)化配置時(shí)，應(yīng)以公路路面工程量為基礎(chǔ)，在完成施工工程量的前提下，使得各種類型機(jī)械設(shè)備的富余系數(shù)之差為最小，謀求最高的效益。
(2)該理論模型的結(jié)構(gòu)不是固定的，具有分形性，可以根據(jù)公路路面工程的實(shí)際情況靈活添加項(xiàng)數(shù)的因子。
(3)根據(jù)該理論模型計(jì)算出來的優(yōu)化配置結(jié)果一定要結(jié)合公路路面施工的作業(yè)內(nèi)容、地理環(huán)境、運(yùn)距遠(yuǎn)近、氣象條件等實(shí)際情況來確定公路路面施工的最佳優(yōu)化配置方案。
(4)該理論模型可以校核公路路面施工機(jī)械設(shè)備是否達(dá)到優(yōu)化配置。
