康盛 李菊 華雪賚 李培培

(1.上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海 200023;2.上海市建設(shè)工程管理有限公司，上海 200031)

0 引言

目前，城市地下空間的開發(fā)和隧道網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，使得隧道施工現(xiàn)象大量涌現(xiàn)，盾構(gòu)法是其施工的核心技術(shù)。盾構(gòu)施工的工程量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工工序多，僅依靠設(shè)計(jì)人員采用傳統(tǒng)的方法計(jì)算，不利于制定合理可行的施工進(jìn)度和施工組織設(shè)計(jì)方案;同時(shí)，隨著隧道施工的愈發(fā)復(fù)雜，施工過程中如果引發(fā)地面塌陷，拱起等事故，對城市地面交通及相關(guān)施工建筑的交叉影響后果不言而喻［1］，可能造成較大的人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，社會(huì)影響巨大。因此，對隧道盾構(gòu)挖掘過程進(jìn)行研究的重要性不言而喻。

本文把計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)應(yīng)用到隧道盾構(gòu)挖掘過程的仿真實(shí)現(xiàn)中，模擬隧道施工過程及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和引起的后果，為風(fēng)險(xiǎn)控制提供輔助決策手段，對于保證隧道施工的順利進(jìn)行，提高隧道施工過程的科學(xué)化管理水平都具有重要的作用和實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 仿真場景設(shè)計(jì)與搭建

虛擬隧道及三維漫游場景的搭建為盾構(gòu)掘進(jìn)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了重要的環(huán)境基礎(chǔ)。系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio(2005版本)為開發(fā)平臺(tái)，集成SGI公司的Open Inventor(6.0版本)三維開發(fā)包。Open Inventor是構(gòu)筑在OpenGL三維圖形接口之上的通用的商業(yè)化三維開發(fā)包，不僅實(shí)現(xiàn)對象的造型、屬性描述、動(dòng)畫表現(xiàn)等一系列功能，同時(shí)支持面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)對圖形對象造型和其操作的綁定，并提供多種文件格式接口，實(shí)現(xiàn)與不同三維造型軟件的集成。借助這個(gè)技術(shù)成熟、功能強(qiáng)大、使用廣泛的軟件開發(fā)平臺(tái)，能夠高效地開發(fā)、調(diào)試基于Open Inventor的三維軟件，并方便地進(jìn)行仿真結(jié)果的可視化顯示。具體建模過程如下圖1所示。首先，利用具有VRML文件輸出接口的SolidWorks三維造型軟件——進(jìn)行系統(tǒng)對象的幾何建模;然后以VRML文件格式輸出;最后，通過Open Inventor中的VRML接口讀取VRML文件以及使用Open Inventor直接構(gòu)建三維對象模型，并將其轉(zhuǎn)化為場景組成節(jié)點(diǎn)，從而建立了系統(tǒng)的三維虛擬場景。

圖1 圖形建模與模型驅(qū)動(dòng)過程

1.2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)的功能包括以下四個(gè)部分，其總體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

具體功能描述如下;

(1)基本數(shù)據(jù)模塊提供相關(guān)的初始數(shù)據(jù)，包括隧道基本參數(shù);依據(jù)隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)狀況建立的CAD模型，為搭建仿真場景提供模型基礎(chǔ);結(jié)合探測點(diǎn)數(shù)據(jù)，給出掘進(jìn)全線區(qū)域采樣點(diǎn)的土質(zhì)類型數(shù)據(jù)等。

(2)仿真模擬模塊主要搭建仿真平臺(tái)和創(chuàng)建仿真場景。創(chuàng)建三維仿真場景，合理組織各個(gè)場景結(jié)構(gòu)的層次;搭建仿真平臺(tái)，組織好仿真模型和場景中的數(shù)據(jù)交換;建立仿真數(shù)學(xué)模型;整理盾構(gòu)掘進(jìn)相關(guān)參數(shù)，建立它們和環(huán)境變化的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)自由漫游仿真及同步掘進(jìn)仿真，并依據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過程的土層土質(zhì)類型的可視化仿真。

圖2 盾構(gòu)掘進(jìn)仿真系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(3)統(tǒng)計(jì)分析模塊計(jì)算和評估地表沉降和曲率參數(shù)。通過仿真數(shù)學(xué)模型計(jì)算出地表沉降變化值和曲率變化量，并實(shí)現(xiàn)和上位組態(tài)控制系統(tǒng)的雙向反饋以評估和控制實(shí)際施工過程。

(4)遠(yuǎn)程通信模塊的功能是從模擬實(shí)際操作臺(tái)的組態(tài)控制軟件發(fā)出命令，經(jīng)由以太網(wǎng)處理傳輸?shù)椒抡嫦到y(tǒng)。仿真系統(tǒng)接收到從組態(tài)控制系統(tǒng)發(fā)來的控制命令，作出相應(yīng)的動(dòng)作，并把系統(tǒng)仿真的結(jié)果反饋給組態(tài)控制軟件以控制實(shí)際施工。

2 仿真數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 隧道擬合場景

依據(jù)隧道實(shí)際走向，給出一系列軸線上離散點(diǎn)坐標(biāo)值作為軸線值，即

(xi，yi，zi)i=0，1，2，…，n，其中，(x0，y0，z0)、(xn，yn，zn)分別為隧道的起點(diǎn)和終點(diǎn)，x正方向?yàn)樗淼谰蜻M(jìn)方向。則隧道軸線方程為

其中，采用最小二乘法可確定參數(shù)ay、az，且有

式中的 Yi、Zi(i=1，2，…，n-1)如下

沿曲線所定義的軸線，調(diào)用OpenInventor的相關(guān)接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)在仿真場景中隧道模型的實(shí)時(shí)繪制。

2.2 土層土質(zhì)仿真模型

結(jié)合勘探點(diǎn)土層、土壤物理結(jié)構(gòu)探測數(shù)據(jù)，通過插值計(jì)算求解盾構(gòu)掘進(jìn)全線區(qū)域土壤土質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況。

1)探測點(diǎn)采樣土質(zhì)

上海地區(qū)位于長江三角洲沖積平原的東南前緣，成陸較晚。本系統(tǒng)工程位于上海市區(qū)外環(huán)線西側(cè)，根據(jù)上海市《巖土工程勘察規(guī)范》所附上海市地貌類型圖，擬建場地屬濱海平原地貌類型［4］。根據(jù)每鉆土層、土質(zhì)特性，進(jìn)行縱向和橫向的數(shù)值擬合，得到隧道施工全程工作面采樣土質(zhì)特征，如下表1所示。

2)根據(jù)最相似原理，插值計(jì)算全程土質(zhì)類型

設(shè)有任意位置(x，y，z)，計(jì)算其土質(zhì)屬性方法如下:采用最近屬性值的計(jì)算方法，尋找距離輸入點(diǎn)最近的屬性參數(shù)，取其土質(zhì)屬性值，作為該位置的屬性值。每鉆探測點(diǎn)土層參數(shù)，作為插值計(jì)算的初始數(shù)據(jù)。土質(zhì)數(shù)據(jù)文件說明樣本(x、y、z坐標(biāo)代表采樣點(diǎn)坐標(biāo)值，最后一列代表對應(yīng)的土質(zhì)類型)如下表2所示:

表1 采樣數(shù)據(jù)及土質(zhì)類型

根據(jù)最相似原理，按最近原則對任意點(diǎn)的土質(zhì)狀況采用插值方法獲得土層中任意點(diǎn)土質(zhì)狀況。跟隨掘進(jìn)過程用移動(dòng)的矩形墻(墻壁網(wǎng)格數(shù)據(jù)采用21*21節(jié)點(diǎn))表達(dá)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中當(dāng)前位置處的周圍土質(zhì)狀況，并通過數(shù)據(jù)可視化模塊繪制通過顏色表達(dá)的云圖來仿真土質(zhì)的漸變效果。移動(dòng)矩形各節(jié)點(diǎn)土質(zhì)屬性的計(jì)算過程如下:

輸入:采樣點(diǎn)土質(zhì)數(shù)據(jù)。各個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)為(xi，yi，Zj)(i=1，2，……，n)，各個(gè)點(diǎn)土質(zhì)號:Tui(i=1，2，……，n)。

輸出:每個(gè)當(dāng)前位置的矩形墻網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)土質(zhì)數(shù)據(jù)。

(1)for循環(huán)計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)方向的軸向位置，即隧道軸向X坐標(biāo)位置;

(2)for循環(huán)計(jì)算當(dāng)前軸線位置處矩形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置;

(3)for遍歷矩形墻每個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算其節(jié)點(diǎn)土質(zhì)類型;

①設(shè)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置為(x，y，z)，最小距離初始值 Dmin=9 000;

②for矩形墻每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)do

④if D＞Dmin，直接進(jìn)入下一重循環(huán);

⑤end if

⑥ 更新Dmin=D，土質(zhì)編號L=Tui;

⑦end for

(4)end for

(5)end for

經(jīng)過上述插值計(jì)算后，可求得不同深度處土層土質(zhì)類型的數(shù)據(jù)表達(dá)。

表2 土質(zhì)數(shù)據(jù)樣本

2.3 地表沉降計(jì)算模型

設(shè)當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)的位置坐標(biāo)為(x，y，z)，x向?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)方向，橫向?yàn)閥向，豎直為z向，路面觀察點(diǎn)距離隧道軸線的三個(gè)方向的距離分布為:Dx、Dy、Dz，采用 Peck 公式［4-5］，則地面沉降量為:

其中，Smax為隧道上方的最大沉降量，Vloss為盾構(gòu)隧道單位長度土體損失量(m3/m)。η為體積損失率，一般情況下，粘性土層η=1.3% ～2.5%，砂層 η =0.15% ～1.3%;R 為隧道半徑(m)。i為地面沉降槽寬度系數(shù)(m)，即沉降槽曲線拐點(diǎn)離隧道軸線的水平距離，計(jì)算i經(jīng)驗(yàn)公式，其中，Dz為隧道軸線距離地面的深度(m);n=0.8 ～1.0，土質(zhì)越軟，n取值越大。

計(jì)算最大沉降量的算法描述如下:

輸入:隧道半徑R，當(dāng)前盾構(gòu)掘進(jìn)位置坐標(biāo)(x，y，z):

輸出:當(dāng)前盾構(gòu)位置處的地表最大沉降量。

(1)計(jì)算路面觀察點(diǎn)距離隧道軸線的三個(gè)方向的距離(坐標(biāo)值差):Dx、Dy、Dz(均為正值)

(2)設(shè)置 n=0.8 ～1.0

(3)設(shè)置體積損失率:粘性土層 η=l.3% ～2.5%，砂層 η=0.15% ～1.3%;

(4)for某斷面的所有數(shù)據(jù)點(diǎn);

(6)計(jì)算單位長度土體損失量Vloss=ηπR2;

(8)修正經(jīng)驗(yàn)參數(shù)i和Vloss;

(9)end for

(10)返回最大沉降量。

3 仿真系統(tǒng)應(yīng)用效果

本系統(tǒng)研究以上海虹橋綜合交通樞紐仙霞西路新建工程為應(yīng)用背景，實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)由上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院提供。系統(tǒng)開發(fā)的硬件平臺(tái):Pentium IV2.4GHz CPU，DDR1G內(nèi)存;軟件環(huán)境:Windows XP，OpenInventor 6.0 以上，Visual Studio2005 及Solidworks2007，系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)了隧道場景的三維重建及隧道內(nèi)自由漫游;通過上位組態(tài)控制軟件的同步控制實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)過程的動(dòng)態(tài)仿真及周圍土質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)模擬;實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地表沉降狀況的實(shí)時(shí)曲線顯示;并向上位組態(tài)控制軟件反饋土質(zhì)狀況的改變并動(dòng)態(tài)仿真變化了的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)。該系統(tǒng)模擬了盾構(gòu)掘進(jìn)全過程的動(dòng)態(tài)仿真及周圍土質(zhì)變化狀況，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果為組態(tài)控制軟件提供模型支持，反饋環(huán)境變化，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，為隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程的風(fēng)險(xiǎn)控制提供決策手段。經(jīng)試運(yùn)行驗(yàn)證，滿足了該工程項(xiàng)目的隧道掘進(jìn)現(xiàn)場施工要求，地表變形計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)在誤差范圍之內(nèi)，說明了該仿真技術(shù)及仿真模型的可行性。系統(tǒng)仿真過程結(jié)果顯示如下圖3所示。

圖3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

根據(jù)隧道盾構(gòu)的實(shí)際施工過程，以上海虹橋綜合交通樞紐工程為依托，運(yùn)用基于Open Inventor的MFC框架完成了對隧道盾構(gòu)掘進(jìn)的系統(tǒng)建模以及動(dòng)態(tài)過程仿真，實(shí)現(xiàn)對隧道各對象模型的三維重建，完成對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中周圍土質(zhì)類型的實(shí)時(shí)計(jì)算和可視化仿真，模擬了施工區(qū)域地表變形的沉降變化并向上位組態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行雙向反饋。仿真界面友好結(jié)果直觀，仿真結(jié)果表明，仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了隧道盾構(gòu)施工的全過程仿真，能為實(shí)際施工過程中土體變形的分析控制提供良好的參考依據(jù)，為隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)控制提供輔助決策手段，具有一定的研究意義。

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