1.4. Vấn đề lập và lựa chọn phương ỏn thi cụng trong thi cụng cụng trỡnh
1.4.2. Cỏc phương phỏp lập phương ỏn thi cụng hầm hiện cú
1.4.2.1. Phương phỏp truyền thống
Thụng thường, trong quỏ trỡnh chuẩn bị thầu, nhà thầu đưa ra cỏc quyết định sơ bộ liờn quan đến phương ỏn (kế hoạch) xõy dựng dựa trờn những thụng tin sẵn cú. Nếu nhà thầu thành cụng trong việc đấu thầu, cỏc quyết định trước đú sẽ được xem xột và một bản kế hoạch thi cụng mới được đưa ra dưới dạng thụng tin đầy đủ hơn. Tuy nhiờn, cỏc nghiờn cứu đó chỉ ra rằng, phần lớn cỏc nhà thầu lập kế hoạch thi cụng là dựa trờn kinh nghiệm [46, 50]. Người ta thường giả định và ước tớnh về khối lượng, cụng suất hoặc thời gian để xỏc định việc lựa chọn thiết bị, số lượng nhõn cụng, bố trớ logic vận hành... Những thụng tin để lập kế hoạch thường là thụng tin cú tớnh chất nội bộ và do đú, chất lượng của bản kế hoạch cú thể rất khỏc nhau, tựy thuộc vào kiến thức và kinh nghiệm của người lập. Trờn cơ sở đú, người ta sử dụng cỏc phương phỏp lập tiến độ thi cụng phổ biến như biểu đồ Gantt, phương phỏp sơ đồ mạng găng CPM, sơ đồ mạng PERT... để xỏc định thời gian thi cụng của dự ỏn. Cỏch lập kế hoạch như vậy cú nhiều nhược điểm, do:
- Lập kế hoạch khụng dựa trờn thời lượng quy trỡnh thực tế mà dựa trờn ước tớnh bị sai lệch do thiờn về lạc quan trong ước tớnh thời lượng cụng việc.
- Cỏc tương tỏc quỏ trỡnh và cỏc xung đột thường bị bỏ qua, từ đú gõy ra độ trễ thời gian mà khụng được lường trước và khụng dự kiến cỏch thức giải quyết.
- Bỏ qua những quỏ trỡnh bị xem là nhỏ, mặc dự chỳng cú ảnh hưởng đỏng kể. - Bỏ qua những thay đổi trong điều kiện cụng việc hoặc tiến độ dự ỏn dẫn đến bản kế hoạch lập ra khụng thớch ứng với điều kiện thay đổi.
Mặt khỏc, việc so sỏnh cỏc phương ỏn thay thế thường bị bỏ qua hoặc ở mức ớt nhất do hạn chế về thời gian, cụng cụ, tiền bạc... Vỡ thế, cỏc quỏ trỡnh xõy dựng
thường khụng được khảo sỏt chi tiết trước khi tiến hành và hậu quả là tỡnh trạng chậm tiến độ hay chi phớ bị đội lờn khụng dự tớnh trước được dẫn đến hiệu quả của dự ỏn khụng đạt được theo mục tiờu đó định.
1.4.2.2. Phương phỏp mụ phỏng
Shannon (1975) đó định nghĩa mụ phỏng là: “Quỏ trỡnh thiết kế một mụ hỡnh của một hệ thống thực và tiến hành cỏc thử nghiệm với mụ hỡnh này nhằm mục đớch tỡm hiểu hành vi của hệ thống hoặc để đỏnh giỏ cỏc chiến lược khỏc nhau (trong giới hạn được ỏp đặt bởi một tiờu chớ hoặc bộ tiờu chớ) cho hoạt động của hệ thống" (được trớch dẫn bởi Thanh Dang, T. [87]).
Mụ phỏng là một cụng cụ mạnh mẽ để xem xột cỏc hệ thống phức tạp và hỗ trợ lập kế hoạch cho cỏc dự ỏn xõy dựng. Mụ phỏng cung cấp khả năng phõn tớch minh bạch cỏc hệ thống phức tạp và cung cấp cỏc phương phỏp dễ dàng cũng như tinh vi để xem xột tớnh khụng chắc chắn.
Mụ phỏng sự kiện rời rạc đó được ngành cụng nghiệp sản xuất sử dụng như một cụng cụ lập kế hoạch để phõn tớch cỏc hệ thống sản xuất phức tạp. Trong một mụ phỏng, một mụ hỡnh được xõy dựng để thể hiện một tỡnh huống trong thế giới thực, sau đú sử dụng mỏy tớnh để đỏnh giỏ mụ hỡnh số trong một khoảng thời gian nhất định và dữ liệu được thu thập để ước tớnh diễn biến thực sự của mụ hỡnh. Cỏc mụ hỡnh được tạo bằng ngụn ngữ lập trỡnh đa năng cú thể đại diện cho hầu hết mọi quỏ trỡnh thực tế. Một số ngụn ngữ mụ phỏng đa năng được sử dụng trong mụ hỡnh húa cỏc quỏ trỡnh sản xuất cú thể kể đến là GPSS, SIMSCRIPT, SLAM-II và SIMAN.
Theo nghiờn cứu của AbouRizk [30], trước những năm 1970, việc sử dụng mụ phỏng khụng phổ biến do cụng nghệ mỏy tớnh chưa được phổ biến. Sau đú, tiến trỡnh ỏp dụng phương phỏp mụ phỏng quỏ trỡnh đó phỏt triển rất nhanh và cú thể chia ra làm ba giai đoạn:
- Giai đoạn đầu tiờn do Halpin [48] đi tiờn phong với việc giới thiệu hệ thống CYCLONE (dựa trờn phương phỏp mụ phỏng sự kiện rời rạc). Hệ thống CYCLONE là phương phỏp lõu đời nhất và giỳp phổ biến phương phỏp mụ phỏng quỏ trỡnh. Đõy là một kỹ thuật mụ hỡnh húa cho phộp cỏc yếu tố đồ họa (vớ dụ: queue, normal, và cỏc
nỳt kết hợp trong CYCLONE) biểu diễn và mụ phỏng cỏc hệ thống rời rạc liờn quan đến cỏc biến xỏc định hoặc ngẫu nhiờn. Kể từ khi phỏt triển CYCLONE, phương phỏp mụ phỏng đó được chứng minh là một cụng cụ phõn tớch cực kỳ hữu ớch và cải thiện hiệu suất của cỏc quy trỡnh xõy dựng với nhiều ứng dụng thành cụng. Ưu điểm của mụ hỡnh CYCLONE là nú được thiết lập tốt, sử dụng rộng rói và dễ dàng cũng như khả năng mụ hỡnh hiệu quả đối với nhiều hoạt động xõy dựng đơn giản. Nhưng do tớnh đơn giản của hệ thống và CYCLONE khụng cú khả năng mụ hỡnh húa tài nguyờn một cỏch rừ ràng, nú tạo ra những hạn chế đối với cỏc nhà phỏt triển để xõy dựng mụ hỡnh mụ phỏng phức tạp. Vỡ vậy, CYCLONE đó được nghiờn cứu cải tiến để khắc phục được cỏc hạn chế và nhờ đú cung cấp cho nhà tạo mụ hỡnh nhiều khả năng hơn. Cỏc hệ thống mụ phỏng khỏc nhau trờn cơ sở cải tiến, phỏt triển CYCLONE cú thể kể đến là INSIGHT [74], RESQUE [39], UM-CYCLONE [54], MicroCYCLONE [49], ABC [82], DISCO [52], HSM [81] và HKCONSIM [59]. Bờn cạnh hệ thống được mụ tả ở trờn, cú ba hệ thống khỏc là DES, SD và ABM (mụ hỡnh tỏc nhõn) cũng là những hệ thống mụ phỏng phổ biến hiện nay.
- Giai đoạn thứ hai là sự phỏt triển trong ngụn ngữ lập trỡnh. Đặc trưng của giai đoạn phỏt triển thứ hai là sự nhấn mạnh vào khả năng mụ hỡnh húa và mụ phỏng nhiều hơn so với cỏc cụng cụ trước đõy. Để đạt được điều này, từ đầu những năm 1990 cho đến năm 2000, một số hệ thống mụ phỏng và ứng dụng mụ phỏng đó được giới thiệu. Liu và Ioannou [58] đó phỏt triển một hệ thống hướng đối tượng mới, giỳp nõng cao hệ thống CYCLONE, được gọi là COOPS. Cỏc mụ hỡnh COOPS được xỏc định thụng qua giao diện người dựng đồ họa cho phộp chương trỡnh mụ phỏng cú thể nắm bắt cỏc tài nguyờn, định nghĩa cỏc tài nguyờn khỏc nhau và cú thể liờn kết với cỏc lịch trỡnh cú thể được sử dụng để quản lý cỏc hoạt động trong lỳc nghỉ. Một hệ thống hướng đối tượng khỏc cú tờn gọi là CIPROS [73, 88] thực hiện mụ hỡnh húa cỏc quy trỡnh xõy dựng bằng cỏch kết hợp cỏc thuộc tớnh tài nguyờn với cỏc thành phần thiết kế. CIPROS cho phộp người dựng liờn kết cỏc kế hoạch xõy dựng và cỏc thụng số kỹ thuật thành một kế hoạch chung. Nú cũng tớch hợp cấp quỏ trỡnh và kế hoạch cấp dự ỏn bằng cỏch thể hiện cỏc hoạt động thụng qua cỏc mạng quỏ trỡnh, tất
cả đều cú thể sử dụng nhúm tài nguyờn chung. STEPS [69] được phỏt triển dưới dạng một hệ thống đa năng với một thư viện bao gồm cỏc mụ hỡnh tiờu chuẩn cho cỏc quy trỡnh xõy dựng thụng thường. STEPS đó được mở rộng cho Hải qũn Hoa Kỳ và hỗ trợ khỏi niệm cỏc kớch cỡ tài nguyờn khỏc nhau trong cựng một hàng đợi (queue). Một ngụn ngữ lập trỡnh mụ phỏng đa năng đỏng chỳ ý khỏc là STROBOSCOPE [61, 64]. Để ỏp dụng STROBOSCOPE cho hoạt động xõy dựng, người lập mụ hỡnh cần phải viết một loạt cỏc cõu lệnh lập trỡnh định nghĩa cỏc thành phần mụ hỡnh mạng. STROBOSCOPE được sử dụng trong phõn tớch hoạt động xõy dựng. Nú được thiết kế để mụ hỡnh húa cỏc hoạt động xõy dựng phức tạp một cỏch chi tiết và để phỏt triển cỏc cụng cụ mụ phỏng mục đớch đặc biệt. Bờn cạnh đú cũn cú Simphony [31] được phỏt triển dưới dạng hệ thống mụ phỏng đa năng, nhưng nú cũng rất hữu ớch để tạo ra cỏc cụng cụ mụ phỏng mục đớch đặc biệt cho ngành cụng nghiệp.
- Giai đoạn thứ ba là một bước tiến tập trung vào việc tớch hợp mụ phỏng với cỏc cụng cụ khỏc, đặc biệt là trực quan húa. Từ năm 1990, nhiều ứng dụng đó được phỏt triển, vớ dụ: Xu và AbouRizk [91] đó giới thiệu cỏch cỏc mụ hỡnh 3D AutoCAD cú thể được tớch hợp với mụ phỏng mỏy tớnh để tạo điều kiện cho việc ra quyết định tốt hơn trong quỏ trỡnh xõy dựng. Kamat và Martinez [57] đó giới thiệu ngụn ngữ Vitascope, một hệ thống mụ phỏng sự kiện rời rạc được thiết kế để tớch hợp với khả năng hiển thị 3D và được phỏt triển để mụ phỏng cỏc ứng dụng xõy dựng như một nền tảng tớch hợp.
Gúc nhỡn về sự phỏt triển của phương phỏp mụ phỏng quỏ trỡnh đó được túm tắt ở trờn. Nú cho thấy phương phỏp mụ phỏng quỏ trỡnh đó phỏt triển kể từ khi ra đời vào những năm 1970 và những thành tựu được ghi nhận chủ yếu trong cỏc lĩnh vực học thuật và nghiờn cứu hơn là trong cụng nghiệp.
Túm lại, đó cú những nỗ lực nhất định để ỏp dụng mụ phỏng trong xõy dựng, thể hiện ở một số khớa cạnh sau đõy [87]:
- Phỏt triển ngụn ngữ mụ phỏng, vớ dụ: CYCLONE, COOPS, CIPROS, STROBOSCOPE, STEPS;
- Ứng dụng cỏc ngụn ngữ mụ phỏng để giải quyết cỏc vấn đề trong hoạt động xõy dựng;
- Tổng hợp cỏc ngụn ngữ mụ phỏng với một phần mềm khỏc.
Đối với xõy dựng hầm, cỏc tỏc giả khỏc nhau đó sử dụng mụ phỏng quỏ trỡnh để phõn tớch và đỏnh giỏ việc xõy dựng đường hầm bằng TBM. Salazar và Einstein [47] đó sử dụng cỏc kỹ thuật mụ phỏng sự kiện riờng biệt và ngụn ngữ lập trỡnh FORTRAN để phỏt triển một chương trỡnh mụ phỏng, được đặt tờn là SIMSUPER5 (Simulation SUPERvisor). Chương trỡnh mụ phỏng mụ tả quỏ trỡnh xõy dựng đường hầm trong điều kiện khụng chắc chắn. SIMSUPER5 giỳp cỏc kỹ sư ước tớnh tổng thời gian và chi phớ cần thiết để xõy dựng một đường hầm. Touran và Asai [89] dự đoỏn tốc độ tiến bộ của đường hầm trong việc xõy dựng một đường hầm dài vài km, đường kớnh nhỏ (3-3,5m) trong đỏ mềm. Với mục đớch này, hệ thống mụ hỡnh CYCLONE được sử dụng. Một số mụ hỡnh mụ phỏng được phỏt triển để nghiờn cứu ảnh hưởng của cỏc biến số khỏc nhau đến tốc độ tiến của đường hầm. Tỏc động của từng biến chớnh đến tốc độ tiến của đường hầm được nghiờn cứu bằng phõn tớch độ nhạy. Cỏc biến này bao gồm tốc độ thõm nhập của mỏy khoan hầm, thời gian di chuyển của tàu, số lượng xe chở đất đỏ, loại đỏ và thời gian đứng của đỏ. Al-Jalil [33] đó phỏt triển một hệ thống hỗ trợ quyết định trong việc đào hầm để dự đoỏn hiệu suất của cỏc hệ thống đào mỏy khoan hầm trong điều kiện địa chất đỏ cứng. AbouRizk và cộng sự [32] đó mụ tả mẫu mụ phỏng đường hầm cú mục đớch đặc biệt được phỏt triển dựa trờn cỏc hoạt động đào hầm được thực hiện tại Sở Cụng trỡnh Cụng cộng Thành phố Edmonton sử dụng TBM. Cỏc kết quả được tạo từ mẫu sử dụng dữ liệu lịch sử để kiểm tra mẫu và để phõn tớch cỏc quy trỡnh xõy dựng tiềm năng được trỡnh bày. Donghai và cộng sự [44] ước tớnh tốc độ thõm nhập của việc đào đường hầm bằng TBM dựa trờn phõn loại khối đỏ...
Gần đõy, nhiều nghiờn cứu [45, 75, 80] đó cố gắng phõn tớch mỏy đào đường hầm cú lỏ chắn cõn bằng ỏp suất Trỏi Đất (EPB) bằng cỏch phỏt triển một cụng cụ mụ hỡnh mụ phỏng bằng cỏch sử dụng cựng quy trỡnh mụ phỏng kỹ thuật. Để phõn tớch cỏc vấn đề của đường hầm với mỏy đào đường hầm lỏ chắn EPB, cỏc tỏc giả đó tớch hợp phần mềm mụ phỏng SysML và AnyLogic để phỏt triển cụng cụ mụ phỏng. Hai hệ thống, được gọi là mụ phỏng sự kiện rời rạc (DES), động lực hệ thống (SD) được
ỏp dụng bờn trong phần mềm mụ phỏng AnyLogic để phỏt triển cụng cụ mụ phỏng. Họ sử dụng cỏc kỹ thuật mụ phỏng giống nhau nhưng trọng tõm của mỗi nghiờn cứu là khỏc nhau. Rahm và cộng sự [76] đó phỏt triển cụng cụ mụ phỏng để phõn tớch mối quan hệ giữa năng suất và chuỗi cung ứng khi xem xột cỏc xỏo trộn điển hỡnh của việc xõy dựng đường hầm với EPB. Cụng cụ mụ phỏng cũng cú thể điều tra tốc độ tiến bộ của TBM. Bằng cỏch sử dụng cựng một phương phỏp, Sadri và cộng sự [80] đó trỡnh bày mụ phỏng chuỗi cung ứng TBM. Nhiệm vụ của nghiờn cứu là phỏt triển cụng cụ mụ phỏng để đỏnh giỏ ảnh hưởng của nhiễu loạn, vớ dụ: tàu bị hư hỏng, phõn khỳc vận chuyển đến nơi làm việc, về năng suất của chuỗi cung ứng TBM. Duhme và cộng sự [45] đó phỏt triển một mụ hỡnh chức năng tổng quỏt dựa trờn phõn tớch chức năng của cỏc dự ỏn khỏc nhau. Mụ hỡnh cú thể phõn tớch cỏc quy trỡnh hậu cần, phụ thuộc lẫn thời gian chết của toàn bộ hoạt động xõy dựng với TBM. Cụng cụ mụ phỏng cú thể hỡnh dung cỏc giỏn đoạn quỏ trỡnh và xỏo trộn trong hệ thống và kiểm tra cỏc biện phỏp đối phú cú thể cú hầu như về hiệu quả của chỳng.
Một số nghiờn cứu về ứng dụng mụ phỏng quỏ trỡnh trong xõy dựng đường hầm với micro tunnel boring machines cũng đó được cụng bố. Cú thể tỡm thấy liệt kờ và túm tắt cỏc nghiờn cứu này trong tài liệu [87].
Phương phỏp mụ phỏng trong hoạt động xõy dựng đó được sử dụng cho cỏc mục tiờu khỏc nhau và cú những đúng gúp khỏc nhau. Vớ dụ, trong quản lý xõy dựng, cỏc mụ hỡnh toỏn học thường được sử dụng để ước tớnh cỏc vấn đề về lập kế hoạch và kiểm soỏt, chẳng hạn như lập kế hoạch dự ỏn, quản lý nợ tiền mặt và quản lý tài nguyờn. Ngày nay, việc sử dụng phương phỏp mụ phỏng quỏ trỡnh trong xõy dựng được coi là một trong những phương phỏp hiệu quả nhất để mụ hỡnh húa, phõn tớch và nắm bắt cỏc quỏ trỡnh liờn quan đến phõn tớch, lập kế hoạch và tiến độ dự ỏn xõy dựng. Sử dụng mụ phỏng quỏ trỡnh, cỏc hoạt động thực tế cú thể được mụ hỡnh húa một cỏch hợp lý và toàn bộ quỏ trỡnh xõy dựng cú thể được phõn tớch sõu, do đú cỏc vấn đề tiềm ẩn cú thể được xỏc định. Hơn nữa, cú thể phõn tớch một loạt cỏc khớa cạnh của xõy dựng, chẳng hạn như: chi phớ của toàn bộ dự ỏn, năng suất, số lượng tài nguyờn cần thiết để nõng cao một mức năng suất nhất định (phõn bổ tài nguyờn) và lập kế hoạch sử dụng mặt
bằng thi cụng. Thụng tin này cú thể hữu ớch và cú giỏ trị cho cỏc nhà quản lý xõy dựng trờn cụng trường, do đú nếu cần thiết, cỏc quỏ trỡnh cú thể được thiết kế lại và cỏc nguồn lực được phõn bổ lại để cải thiện năng suất của hoạt động xõy dựng.
Trong lĩnh vực xõy dựng hầm, vai trũ của mụ phỏng quỏ trỡnh đối với cỏc hoạt động xõy dựng đường hầm được đỏnh giỏ như sau [36, 79]:
- Lập kế hoạch dự ỏn: Sử dụng mụ phỏng mỏy tớnh tạo điều kiện thuận lợi cho việc lập kế hoạch chuỗi cỏc hoạt động cụng việc, khai bỏo phương thức hoạt động, chọn tài nguyờn phự hợp và phõn tớch năng suất.
- Phõn tớch cỏc tắc nghẽn để xỏc định yếu tố gõy ra sự chậm trễ của hệ thống. - Dự đoỏn hiệu suất hệ thống trong cỏc điều kiện khỏc nhau.
- Kiểm tra cải tiến năng suất và tối ưu húa việc sử dụng tài nguyờn: Mụ phỏng cho phộp cỏc nhà quy hoạch hoặc kỹ sư quan sỏt năng suất, tốc độ tiến triển đường hầm và sử dụng tài nguyờn của dự ỏn.
- Đưa ra so sỏnh cỏc kịch bản xõy dựng hầm thay thế: Mụ phỏng cho phộp cỏc nhà hoạch định dự đoỏn kết quả thực tế và cũng để so sỏnh kết quả bằng cỏc kịch bản khỏc nhau.
- Việc sử dụng phõn tớch độ nhạy để xỏc định cỏc yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.
Ngoài ra, đối với mẫu mụ phỏng mục đớch đặc biệt, phương phỏp mụ phỏng