本發(fā)明屬于地下工程施工技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

地下工程施工是一個極其復雜的過程，尤其是對于地下洞室群工程，其施工過程是一個復雜的帶有隨機因素的系統(tǒng)，不僅面臨著開挖量大、施工條件復雜等問題，還涉及開挖方式多樣等難點。因此，有必要系統(tǒng)地分析研究施工中各方面因素，協(xié)調(diào)各施工環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系，使施工方案更加合理，達到施工快速、經(jīng)濟、安全的目的。而采用全過程仿真技術(shù)對于這一過程進行分析研究，可在工程實際施工前進行多方案預演，從而對不同方案進行比較與分析，進而制定出較為合理的施工方案。

施工通風作為工程施工鉆爆循環(huán)中的重要一環(huán)以及施工進度仿真中的重要參數(shù)，它的科學取值嚴重影響著整個工程的施工進度和施工安全。在地下洞室群鉆爆法開挖過程中會產(chǎn)生大量的有害氣體和粉塵，風流由于空間限制形成的渦流結(jié)構(gòu)，流體間因密度差形成的異重流，以及洞室間布置錯綜復雜的特點，通風拐角、死角的存在都會阻礙煙塵排出。有害氣體和粉塵長期滯留在洞室內(nèi)，將極大損害施工人員的身體健康；同時，洞室內(nèi)空氣的含氧量下降，使的燃油設(shè)備的施工效率下降，影響施工進度。

目前傳統(tǒng)的地下洞室群施工全過程仿真技術(shù)雖然可實現(xiàn)施工方案的優(yōu)選和施工過程的描述，但是初始仿真系統(tǒng)中通風參數(shù)的取值多是根據(jù)施工人員的經(jīng)驗判斷，很難定量估算出排煙效率，對洞室群中的風流路徑和有害氣體擴散過程也難以預測。因此，有必要采用先進的計算機技術(shù)和科學的計算流體力學方法對水電地下洞室群施工通風過程進行數(shù)值模擬研究，得出科學合理的施工通風散煙時間，從而為仿真過程的優(yōu)化和工程實際提供理論指導和技術(shù)支持。

現(xiàn)有對于地下工程施工通風時間科學取值的數(shù)值模擬研究局限于單一引水隧洞獨頭掘進施工通風雷諾時均單相流模擬方面[1]；而地下洞室群不僅具有各洞室立體交叉的群體結(jié)構(gòu)特點，而且其通風拐角、死角多，導致施工通風強度高、難度大，并且其通風過程是一個氣固兩相相互摻混相互影響的復雜物理過程，因此有必要利用兩相流方法對其進行深入細致的研究。目前地下工程施工通風兩相流模擬研究主要集中在礦井巷道方面[2-4]，在水電地下工程施工通風研究方面初有涉及，王曉玲等[5]建立了引水隧洞三維瞬態(tài)Euler-Euler兩相流數(shù)學模型，模擬了水電站地下引水洞獨頭掘進面爆破開挖后的施工通風過程，分析了壁面糙率等因素對粉塵遷移的影響。王曉玲[6]和Liu等[7]針對某水電站深埋引水隧洞鉆爆施工后的通風散煙困難問題，建立了瞬態(tài)Euler–Lagrange兩相流模型，模擬得出隧洞群內(nèi)壁面熱交換系數(shù)和粉塵遷移變化，并通過洞口質(zhì)量率指標得出不同開挖長度下的通風散煙時間。

由上述可知，目前缺乏基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工通風時間科學取值的研究，且相關(guān)地下工程通風數(shù)值模擬多集中在單相流方面。此外，目前的兩相流施工通風模擬研究均是對于施工通風過程的雷諾時均模擬，求解得出的是洞室群內(nèi)整體風流結(jié)構(gòu)和污染物空間分布及動態(tài)變化規(guī)律，無法模擬得出地下洞室群內(nèi)洞室連接處、拐角、死角等通風難點區(qū)域的風流場瞬態(tài)脈動信息和塵粒彌散機理。

參考文獻：

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[6]王曉玲,劉震,楊安林,張愛麗.考慮熱交換的引水隧洞施工通風兩相流模擬[J].天津大學學報,2013,46(4):322-327.

[7]Zhen Liu,Xiaoling Wang,Zhengfei Cheng,Ruirui Sun,Aili Zhang.Simulation of construction ventilation in deep diversion tunnels using Euler–Lagrange method[J].Computers&Fluids,2014,105:28-38.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過地下洞室群施工通風三維兩相流混合數(shù)值模擬，獲得科學合理的施工通風時間參數(shù)，為地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化和工程實際提供理論指導和技術(shù)支持。因此，本發(fā)明提供了一種基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化方法。通過本發(fā)明方法首先實現(xiàn)了地下洞室群施工通風三維兩相流混合數(shù)值模擬，不僅求解得出洞室群內(nèi)整體風流結(jié)構(gòu)和污染物空間分布及動態(tài)變化規(guī)律，還可得出地下洞室群內(nèi)洞室連接處、拐角、死角等通風難點區(qū)域的風流場瞬態(tài)脈動信息和塵粒彌散機理；其次基于通風數(shù)值模擬，得出隨洞室開挖施工進度變化的施工通風時間參數(shù)，優(yōu)化了傳統(tǒng)地下洞室群施工進度仿真模型中通風參數(shù)的取值，從而得出更符合施工實際、更接近真實系統(tǒng)的施工進度仿真結(jié)果。

為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化方法，具體包括下列內(nèi)容：

(1)將通風數(shù)值模擬和地下洞室群施工進度仿真結(jié)合，建立基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化數(shù)學模型；

(2)提出地下洞室群施工通風兩相流混合模擬理論方法；

(3)建立地下洞室群施工通風數(shù)值模擬參數(shù)庫；

(4)建立地下洞室群施工通風三維精細物理模型并劃分網(wǎng)格；

(5)實現(xiàn)不同開挖進度下地下洞室群施工通風兩相流混合模擬；

(6)結(jié)合通風數(shù)值模擬結(jié)果進行地下洞室群施工全過程仿真優(yōu)化分析。

地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化數(shù)學模型包括5部分，各部分模型具體描述如下：

①建立了基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化方法的數(shù)學模型集合M，包括：地下洞室群施工通風兩相流混合模擬數(shù)學模型M_VENT和地下洞室群施工進度仿真模型M_SIM；

②提出了地下洞室群施工通風兩相流混合數(shù)值模擬方法，建立了三維非穩(wěn)態(tài)紊流數(shù)學模型集合M_VENT，包括：歐拉-歐拉兩相流模型M_EE和大渦-拉格朗日兩相流模型M_LL；

③建立了地下洞室群施工進度仿真模型集合M_SIM，包括：關(guān)鍵路徑法網(wǎng)絡(luò)模型C_CPM和循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模型M_CYC；

④定義了模型集合M中各個子模型的參數(shù)集合，包括參數(shù)集P_VENT的輸入?yún)?shù)如幾何參數(shù)I_G、邊界條件I_BO、初始條件I_I、通風布置參數(shù)I_A，輸出參數(shù)如污染物濃度O_C、風速O_V、通風時間O_TIME；參數(shù)集P_SIM的輸入?yún)?shù)如循環(huán)進尺I_L，爆破參數(shù)I_B，渣車參數(shù)I_Z，通風參數(shù)I_VENT，輸出參數(shù)如總工期O_D，完工概率O_P，關(guān)鍵路線O_KP；

⑤以數(shù)值模擬得出的通風時間參數(shù)O_TIME為基礎(chǔ)，進行地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化分析研究，定義函數(shù)f，表示通風時間參數(shù)O_TIME與仿真通風參數(shù)I_VENT之間的邏輯關(guān)系。

提出地下洞室群施工通風兩相流混合模擬理論方法具體為：針對地下洞室群施工通風特點和洞室立體交叉分布實際，建立施工通風三維非穩(wěn)態(tài)兩相流混合數(shù)學模型，歐拉-歐拉兩相流模型和大渦-拉格朗日兩相流模型，首先建立施工通風歐拉-歐拉兩相流模型，在動量方程中充分考慮氣固間相互作用力，對其施工通風過程進行雷諾時均兩相流模擬研究，分析風流場分布和洞室群內(nèi)粉塵濃度隨時間、空間運移機制；其次針對地下洞室群通風重點區(qū)域(如工作面附近，洞室連接處等)建立施工通風大渦-拉格朗日兩相流模型，分析風流場瞬態(tài)信息和塵粒在大渦結(jié)構(gòu)中的運動規(guī)律及彌散特性；最后結(jié)合工程實際，確定進口、出口、壁面以及顆粒碰撞的邊界條件，采用有限體積法對控制方程進行離散，采用采用壓力的隱式算子分割法(Pressure-Implicit with Splitting of Operators，PISO)對控制方程進行求解。

建立地下洞室群施工通風數(shù)值模擬參數(shù)庫具體為：根據(jù)地下洞室群工程總布置、施工組織計劃書以及地下工程相關(guān)施工組織規(guī)范，建立地下洞室群施工通風數(shù)值模擬參數(shù)庫，參數(shù)庫數(shù)據(jù)包括：地下洞室群幾何參數(shù)和爆破參數(shù)，施工通風控制條件，施工通風方式，所需通風量。

建立地下洞室群施工通風三維精細物理模型并劃分網(wǎng)格具體為：結(jié)合步驟(3)中參數(shù)庫各項通風參數(shù)和實際工程資料，通過建模軟件建立不同施工進度下地下洞室群施工通風三維精細物理模型，采用適體坐標變換方法及局部加密技術(shù)對所建立物理模型進行網(wǎng)格劃分。

實現(xiàn)不同開挖進度下地下洞室群施工通風兩相流混合模擬具體為：基于步驟(4)建立的不同洞室開挖進度下的洞室群三維精細網(wǎng)格模型，調(diào)用步驟(3)參數(shù)庫各參數(shù)，采用步驟(2)構(gòu)建的兩相流混合數(shù)學模型，利用計算流體力學軟件實現(xiàn)不同洞室開挖進度下地下洞室群施工通風過程的兩相流混合模擬，得出風流結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)信息、污染物濃度變化規(guī)律和塵粒擴散機理，并以可視化表達的形式輸出，最后通過洞室內(nèi)的污染物濃度隨時間和空間的變化，得出隨洞室開挖進度變化的施工通風時間參數(shù)。

結(jié)合通風模擬結(jié)果進行地下洞室群施工全過程仿真優(yōu)化分析具體為：

①設(shè)立地下洞室群施工全過程仿真鐘

全過程動態(tài)仿真技術(shù)由于采用了兩個層次的模型進行建模，故在仿真過程中相應地設(shè)置兩個“仿真鐘”：“全程仿真鐘”和“本地仿真鐘”。

②建立地下洞室群施工仿真模型

首先，確定通風、鉆孔、運渣等地下洞室群施工參數(shù)的取值信息，輸入各自的仿真模塊參數(shù)庫；

其次，用通過通風數(shù)值模擬得出的隨開挖進度變化的通風時間參數(shù)代替原有的經(jīng)驗通風參數(shù)，更新通風參數(shù)庫，形成優(yōu)化通風模塊；

再次，依據(jù)施工組織設(shè)計，確定各工序施工方式，調(diào)用通風模塊、鉆孔模塊、運渣模塊等，建立不同施工方式下的循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模型；

最后，將循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模型計算結(jié)果輸入關(guān)鍵路徑法網(wǎng)絡(luò)模型，建立地下洞施工仿真關(guān)鍵路徑法層模型，并最終形成優(yōu)化的整體仿真模型。

③計算仿真有效時間

④分析仿真進度計劃

⑤輸出仿真優(yōu)化結(jié)果

綜合考慮各種因素的影響，充分考慮工序間依賴關(guān)系，對施工資源強度進行均衡優(yōu)化，進行施工進度的定量計算與分析，獲得了合理的施工工期、優(yōu)化的施工進度、資源強度、關(guān)鍵路線及各時段機械設(shè)備使用情況等重要參數(shù)，對工程完工概率進行了分析，為施工方案的論證提供更好的依據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

1.采用耦合關(guān)鍵路徑法網(wǎng)絡(luò)模型(CPM模型)和循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模型(CYCLONE網(wǎng)絡(luò)模型)的層次化仿真建模技術(shù)，基于數(shù)值模擬得出的科學施工通風時間參數(shù)，建立通風數(shù)值模擬模塊，彌補了傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)中通風參數(shù)的取值多依據(jù)工程類比和經(jīng)驗確定的不足，實現(xiàn)了地下洞室群施工仿真優(yōu)化。

2.采用先進的計算機技術(shù)和科學的計算流體力學方法對水電地下洞室群施工通風過程進行三維非穩(wěn)態(tài)兩相流數(shù)值模擬，突破了現(xiàn)有水電地下工程施工通風時間科學取值的數(shù)值模擬研究局限于單一引水隧洞獨頭掘進施工通風方面的局限。

3.針對水電地下洞室群具有立體交叉群體結(jié)構(gòu)的特點，提出地下洞室群施工通風兩相流混合數(shù)值模擬方法，不僅通過歐拉-歐拉(Eulerian-Eulerian)兩相流模擬分析了整體洞室內(nèi)污染物隨時間、空間運移機制；而且通過大渦-拉格朗日(LES-Lagrangian)兩相流模擬揭示了通風難點區(qū)域的風流瞬時脈動信息和湍流渦量演化下塵粒的彌散機理，彌補了目前兩相流施工通風模擬研究均是對于施工通風過程的雷諾時均模擬的不足。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法具體實施過程中的總體技術(shù)流程圖

圖2是本發(fā)明方法具體實施過程中的數(shù)學模型圖

圖3是本發(fā)明地下洞室群施工通風兩相流混合模擬理論方法構(gòu)建圖

圖4是本發(fā)明地下洞室群施工全過程仿真模型圖

具體實施方式

下文中，Eulerian-Eulerian兩相流紊流模型也即歐拉-歐拉兩相流模型；兩相流大渦模擬LES-Lagrangian模型也即大渦-拉格朗日兩相流模型；CPM模型也即關(guān)鍵路徑法網(wǎng)絡(luò)模型；CYCLONE模型也即循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模型。

針對現(xiàn)有地下洞室群施工進度仿真技術(shù)的不足，本發(fā)明結(jié)合水工結(jié)構(gòu)學、系統(tǒng)仿真、計算流體力學等多學科交叉理論成果，采用數(shù)學建模、仿真建模及通風模擬等綜合研究手段，首先基于建立的地下洞室群施工通風三維非穩(wěn)態(tài)兩相流混合數(shù)學模型，對其施工通風過程進行三維數(shù)值模擬，分析了洞室群整體風流結(jié)構(gòu)和污染物動態(tài)變化規(guī)律，獲得了通風重點區(qū)域的風流瞬態(tài)脈動信息和塵粒彌散機理；其次基于數(shù)值模擬結(jié)果，得出隨洞室開挖施工進度變化的施工通風時間參數(shù)，優(yōu)化傳統(tǒng)地下洞室群施工進度仿真模型中通風參數(shù)的取值，從而得出更符合施工實際、更接近真實系統(tǒng)的施工進度仿真結(jié)果，總體如圖1所示。為達到上述目的，下面將結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明，本方法尤其適用于大型的地下洞室群：

(1)提出基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化數(shù)學模型，具體步驟為：

將通風數(shù)值模擬和施工進度仿真結(jié)合，建立地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化數(shù)學模型，如附圖2所示。該數(shù)學模型包括5部分，各部分模型具體描述如下：

①建立了基于通風數(shù)值模擬的地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化方法的數(shù)學模型集合M，包括：地下洞室群施工通風兩相流混合模擬數(shù)學模型(M_VENT)和地下洞室群施工進度仿真模型(M_SIM)；

②提出了地下洞室群施工通風兩相流混合數(shù)值模擬方法，建立了三維非穩(wěn)態(tài)紊流數(shù)學模型集合M_VENT，包括：Eulerian-Eulerian兩相流紊流模型(M_EE)和兩相流大渦模擬LES-Lagrangian模型(M_LL)；

③建立了地下洞室群施工進度仿真模型集合M_SIM，包括：控制層CPM網(wǎng)絡(luò)模型(C_CPM)和實施層CYCLONE模型(M_CYC)；

④定義了模型集合M中各個子模型的參數(shù)集合，包括參數(shù)集P_VENT的輸入?yún)?shù)如幾何參數(shù)I_G、邊界條件I_BO、初始條件I_I、通風布置參數(shù)I_A，輸出參數(shù)如污染物濃度O_C、風速O_V、通風時間O_TIME；參數(shù)集P_SIM的輸入?yún)?shù)如循環(huán)進尺I_L，爆破參數(shù)I_B，渣車參數(shù)I_Z，通風參數(shù)I_VENT，輸出參數(shù)如總工期O_D，完工概率O_P，關(guān)鍵路線O_KP；

⑤以數(shù)值模擬得出的通風時間參數(shù)O_TIME為基礎(chǔ)，進行地下洞室群施工進度仿真優(yōu)化分析研究，定義函數(shù)f，表示通風時間參數(shù)O_TIME與仿真通風參數(shù)I_VENT之間的邏輯關(guān)系。

(2)提出地下洞室群施工通風兩相流混合模擬理論方法，具體步驟為：

針對地下洞室群施工通風特點和洞室立體交叉分布實際，建立施工通風三維非穩(wěn)態(tài)兩相流混合數(shù)學模型，包括歐拉-歐拉兩相流模型和大渦-拉格朗日兩相流模型，見圖3。首先建立施工通風歐拉-歐拉兩相流模型，在動量方程中充分考慮氣固間相互作用力，對其施工通風過程進行雷諾時均兩相流模擬研究，分析風流場分布和洞室群內(nèi)粉塵濃度隨時間、空間運移機制；其次針對地下洞室群通風重點區(qū)域(如工作面附近，洞室連接處等)建立施工通風大渦-拉格朗日兩相流模型，分析風流場瞬態(tài)信息和塵粒在大渦結(jié)構(gòu)中的運動規(guī)律及彌散特性；最后根據(jù)實際情況確定進口、出口、壁面和顆粒碰撞的邊界條件和控制方程求解方法。

①建立Eulerian-Eulerian兩相流紊流模型

連續(xù)性方程：

動量方程：

其中：t是時間，s；α_k是第k相體積分率，無因次；ρ_k是第k相的密度，kg/m³；u_k是第k相的平均速度矢量，m/s；τ_k、分別是層流和湍流應力，N/m²；p是壓力，Pa，假定兩相的壓力相等；g為重力矢量，m/s²；S_D為動量源項，N/m³，包括相間動量傳遞項M_k以及固相與氣相間密度差的影響S_C。

相間動量傳遞項M_k表示兩相間總的作用力，滿足M_l＝-M_s，M_k包括曳力F_D，虛擬質(zhì)量力F_VM以及升力F_L，顆粒相相間動量傳遞相可表示為：

M_s＝F_D+F_VM+F_L

紊動應力采用渦粘度模型：

式中：I為湍流強度，m³/m·s；為湍流粘度，N·s/m²。

通過響應函數(shù)C_t建立固相與氣相脈動的相關(guān)性，響應函數(shù)定義為固相脈動速度與氣相脈動速度之比，即

則固相湍流粘性為：

流體相湍動能方程：

流體相耗散率方程：

其中：

式中：k_l為流體相湍動能，N·m；μ_l為流體相分子粘度，N·s/m²；σ_k、σ_ε分別為k、ε方程的湍流Prandtl數(shù)；ε_l為k_l的擴散率，N/s；C₁、C₂為常數(shù)；S_k2、S_ε2表示兩相間的相互作用。

②建立兩相流大渦模擬LES-Lagrangian模型

大渦模擬方法對基本控制方程進行空間過濾，將小尺度運動過濾掉，對大尺度運動直接求解；小尺度運動對大尺度運動的影響則通過亞格子模型來體現(xiàn)。過濾后的控制方程為：

連續(xù)性方程：

動量方程：

式中：t是時間，s；ρ是流體相密度，kg/m³；是濾波后流體相速度，m/s；是壓力，Pa，μ是流體相運動粘滯系數(shù)，N·s/m²；σ_ij為粘性應力張量，式中帶有上劃線的量為濾波后的場變量。

τ_ij稱為亞格子應力：常用亞格子模型為Smagorinsky提出基于渦粘性假設(shè)的模式：

式中，為大尺度應變率張量；C_s為Smagorinsky常數(shù)。Δ＝(Δ_xΔ_yΔ_z)^1/3為濾波寬度；Δ_i(i＝x,y,z)代表i軸方向的網(wǎng)格尺寸；為大尺度應變值。

采用隨機軌道模型計算顆粒與湍流的相互作用。顆粒控制方程為：

式中，u_s為顆粒相的瞬時速度，m/s；m_s為顆粒相質(zhì)量，kg；S_D為氣相和顆粒相間由密度差引起的浮力；S_s為氣相對顆粒相的作用力，包括曳力F_D、壓強梯度力F_P、虛擬質(zhì)量力F_VM和升力F_L。

③確定邊界條件和求解方法

結(jié)合工程實際，確定進口為速度邊界，出口為壓力邊界、壁面采用標準壁面函數(shù)處理以及顆粒碰撞采用完全碰撞邊界條件，采用有限體積法對控制方程進行離散，采用采用壓力的隱式算子分割法(Pressure-Implicit with Splitting of Operators，PISO)對控制方程進行求解。

采用有限體積法對基本方程進行離散。質(zhì)量方程、動量方程、組分方程和紊流模型方程等微分方程寫成如下通用形式：

式中：u為流體速度矢量，m/s；Φ表示因變量(如u_i，k，ε，Y等)；Γ_Φ表示對應于Φ的擴散系數(shù)，m²/s；S_Φ表示對應于Φ的源項，N/m³。

(3)建立地下洞室群施工通風數(shù)值模擬參數(shù)庫，具體步驟為：

①收集地下洞室群洞室布置方案、洞室?guī)缀螀?shù)、爆破參數(shù)。

②查閱施工通風控制條件，施工的控制條件主要包括以下幾個方面：粉塵濃度：含有10％以上的游離SiO₂的粉塵應小于2mg/m³，含有游離SiO₂在10％以下時，粉塵不大于10mg/m³；一氧化碳濃度：空氣中CO體積分數(shù)不大于0.0024％，施工人員進入開挖面時，濃度允許到100mg/m³，但人員進入開挖面30min后，濃度應小于30mg/m³；洞內(nèi)風量要求：每人供應新鮮空氣不小于3m³/min；洞內(nèi)風速要求：一般要求洞內(nèi)風速不小于0.15m/s，且不大于6m/s。

③選擇施工通風方式

施工通風方式的選擇應針對污染源的特性，且有利于快速施工。選擇施工通風方式的一般原則：有軌運輸施工的地下廠房宜采用吸出式或混合式通風；無軌運輸施工的地下廠房宜采用壓入式或變換式通風；有平行導坑施工的地下廠房宜采用巷道式通風；自然通風因其影響因素較多，不穩(wěn)定且不易控制，復雜地下洞室施工時應避免采用自然通風。

④計算通風量

爆破散煙的需風量計算方法：

通風使開挖工作面爆破產(chǎn)生的有害氣體濃度降至允許值所需的通風量下式確定：

式中，Q_b是爆破通風量；t是通風時間；G是一次爆破的最大炸藥量；A是隧道橫凈斷面面積；L是隧道長度風管。

(4)建立水電地下洞室群施工通風三維精細物理模型并劃分網(wǎng)格，具體步驟為：

結(jié)合步驟(3)中參數(shù)庫各項通風參數(shù)和實際工程資料，通過建模軟件建立不同施工進度下地下洞室群施工通風三維精細物理模型，采用適體坐標變換方法及局部加密技術(shù)對所建立物理模型進行網(wǎng)格劃分，具體如下：

①根據(jù)實際工程資料，在AutoCAD中繪制地下通風隧洞以及隧洞中通風管道的主要輪廓特征曲線。

②將包含主要輪廓特征線的AutoCAD文件導入建模軟件中；

③對隧洞轉(zhuǎn)折處前后兩段模型使用布爾運算處理，以實現(xiàn)模型的無縫整體化對接；隧洞轉(zhuǎn)折處內(nèi)部通風管道采用掃掠的方式處理，以真實反映實際隧洞轉(zhuǎn)折處通風管道的布置情況；

④在隧洞模型的入口及出口處建立曲面，將多重曲面模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶓w模型，并檢查模型邊緣以確保模型封閉，無外露邊緣。

⑤將建模軟件建立的地下通風隧洞三維模型導出，并通過數(shù)據(jù)接口導入網(wǎng)格劃分軟件。

⑥在進行網(wǎng)格劃分時，針對洞室群復雜幾何邊界采用適體坐標變化方法，使自動生成的網(wǎng)格線與邊界重合。從四面體/混合網(wǎng)格、六面體為主的網(wǎng)格以及笛卡爾網(wǎng)格中選擇合適的網(wǎng)格類型，進行全局網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置以及局部網(wǎng)格加密設(shè)置，進而將整體模型網(wǎng)格劃分完畢。

(5)實現(xiàn)不同開挖進度下水電地下洞室群施工通風兩相流混合模擬，具體步驟為：

基于步驟(4)建立的不同洞室開挖進度下的洞室群三維精細網(wǎng)格模型，調(diào)用步驟(3)參數(shù)庫各參數(shù)，采用步驟(2)構(gòu)建的兩相流混合數(shù)學模型，利用計算流體力學軟件FLUENT實現(xiàn)不同洞室開挖進度下地下洞室群施工通風過程的兩相流混合模擬，得出風流結(jié)構(gòu)和瞬態(tài)信息、污染物濃度變化規(guī)律和塵粒擴散機理，并以可視化表達的形式輸出，最后通過洞室內(nèi)的污染物濃度隨時間和空間的變化，得出隨洞室開挖進度變化的施工通風時間參數(shù)，即：洞室內(nèi)污染物濃度達標時間，并擬合得出洞室開挖進度和施工通風時間的關(guān)系式。

(6)結(jié)合通風模擬結(jié)果進行水電地下洞室群施工全過程仿真優(yōu)化計算，具體步驟為：

①設(shè)立地下洞室群施工全過程仿真鐘

全過程動態(tài)仿真技術(shù)由于采用了兩個層次的模型進行建模，故在仿真過程中相應地設(shè)置兩個“仿真鐘”：“全程仿真鐘”和“本地仿真鐘”。

以某一規(guī)定的單位時間ΔT為增量，每推進一步檢驗是否有事件發(fā)生，當檢測到有“仿真工序開始”事件發(fā)生時，全程仿真鐘保留當時的狀態(tài)，然后將控制權(quán)交給仿真工序模型，啟動本地仿真鐘，設(shè)置模型初始狀態(tài)；本地仿真鐘從該工序開始，向前推進一個時間步長Δt，然后對工序模型中的所有節(jié)點進行掃描，檢測是否有滿足條件的活動發(fā)生，如果有活動發(fā)生，相應地改變系統(tǒng)的狀態(tài)，統(tǒng)計各種資源的使用時間或空閑時間；重復上述過程，直到整個工程結(jié)束。

②建立地下洞室群施工仿真模型

地下洞室群施工仿真模型的建立充分利用CPM模型和CYCLONE模型的優(yōu)點，以CPM網(wǎng)絡(luò)模型作為框架，再把框架中的節(jié)點細化成CYCLONE模型，形成一個分層次的模型結(jié)構(gòu)，如附圖4所示。利用CPM網(wǎng)絡(luò)模型可進行整個工程項目的進度計劃分析，利用CYCLONE模型分析工程施工工期，資源利用率等情況。

確定通風、鉆孔、運渣等地下洞室群施工參數(shù)的取值信息，輸入各自的仿真模塊參數(shù)庫；用經(jīng)科學計算得到的隨時間變化而相應變化的通風參數(shù)代替原有的經(jīng)驗通風參數(shù)，更新通風參數(shù)庫，形成優(yōu)化通風模塊；依據(jù)施工組織設(shè)計，確定各工序施工方式，調(diào)用通風模塊、鉆孔模塊、運渣模塊等，建立不同施工方式下的CYCLONE網(wǎng)絡(luò)模型；將CYCLONE網(wǎng)絡(luò)模型計算結(jié)果輸入CPM模型，建立地下洞施工仿真CPM層模型；最終形成優(yōu)化的整體仿真模型。

③計算仿真有效時間

地下工程施工受氣候條件影響較小，可全年施工，但考慮到實際施工中的停工時間，施工有效工日應給予相應折算。在地下洞室群施工仿真中，按每年12個月，每月25工日算。

將模擬所得的工期時間轉(zhuǎn)換成日歷時間。設(shè)工期為T天，轉(zhuǎn)換成歷時T_year年T_month月T_day日的公式為：

T_year＝INT(T/300)

T_month＝INT[(T-T_year*300)/25]

T_day＝T-T_year*300-T_month*25

④分析仿真進度計劃

一個活動所有緊前活動的最遲完工時間即該工程的最早開工時間。即：

T_ES(1)＝0

T_ES(j)＝max{T_ES(i)+T(i)}

T_EF(j)＝T_ES(j)+T(j)

其中：

T_ES(j)——j活動的最早開工時間；T_EF(j)——j活動的最早結(jié)束時間；T(i)——i活動的持續(xù)時間；i——所有j活動緊前工序編號。

仿真結(jié)束后，采用逆推法分析各項活動的最遲開工時間和最遲結(jié)束時間，其最遲結(jié)束時間為所有緊后活動最遲開工時間中最小的一個，即：

T_LF(n)＝T_EF(n)

T_LF(i)＝min{T_LF(j)-T(j)}

T_LS(i)＝T_lf(i)-T(i)

其中：

T_LS(j)——j活動的最遲開工時間；T_LFj)——j活動的最遲結(jié)束時間；T(i)——i活動的持續(xù)時間；i——所有j活動緊前工序編號；n——活動總數(shù)。

至此可以求出各項活動的總時差，

TF(i)＝T_LS(i)-T_ES(i)或TF(i)＝T_LF(i)-T_EF(i)

⑤輸出地下洞室群施工仿真優(yōu)化結(jié)果

尋找關(guān)鍵路線：

首先尋找關(guān)鍵工作，關(guān)鍵路線上的工作沒有機動時間，即TF＝0。

確定關(guān)鍵路線，從首節(jié)點開始搜索，檢查所有緊后工序是否為關(guān)鍵工作，如果是則連接到關(guān)鍵路線上，并保存在數(shù)組中。然后繼續(xù)檢查所有關(guān)鍵路線的緊后工序，重復上述工作直至到達尾節(jié)點。

進行施工強度統(tǒng)計與資源均衡優(yōu)化：

繪制初始的資源強度動態(tài)曲線圖，根據(jù)曲線圖找出資源強度最高峰時段，選擇一個目標最大強度值R₀作為調(diào)整的“控制標準”。

對于大于“控制標準”的資源強度高峰，選擇位于該時段的一個能推遲到該時段之后開始的非關(guān)鍵工序，將其推遲到該時段之后開始，同時保證調(diào)整后的資源強度高峰低于控制標準。

修改工程的資源計劃及各工序的仿真時間參數(shù)：

根據(jù)新的各時段的資源強度值，得到新的資源強度動態(tài)曲線圖，重復上述步驟，直到最大資源強度值再也不能降低為止。

進行完工概率分析：

設(shè)定分組的組距T_g。令T_min為n次仿真中施工工期的最小值，T_max為n次仿真中施工工期的最大值，l為分組的組數(shù)，則分組的組距T_g為：

進行分組。令T₁＝T_min+T_g，T₂＝T₁+T_g，……，T_l＝T_l-1+T_g，則施工工期T的分組結(jié)果為[T_min,T₁)，[T₂,T₁)，……，[T_l-1,T_l]。并按區(qū)間統(tǒng)計頻數(shù)。

利用曲線對施工工期的頻率直方圖和累計直方圖進行擬合，得到施工工期的經(jīng)驗分布曲線和經(jīng)驗累計曲線。

本發(fā)明并不限于上文描述的實施方式。以上對具體實施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。