何守旺

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

近年來，我國鐵路建設正處于高速發(fā)展時期，隧道工程作為鐵路項目中不可缺少的重要內(nèi)容，往往成為控制全線工期的重點、難點工程。在建設過程中，有些隧道工點所在區(qū)域板塊活動強烈、地應力極高，硬巖易發(fā)生巖爆、軟巖易產(chǎn)生大變形；同時，高烈度地震頻發(fā)，高地溫、深大活動斷裂等特殊不良地質(zhì)問題突出；地形險峻，輔助坑道設置存在困難；自然環(huán)境惡劣，建設條件差。為此，對于地質(zhì)與場地條件適宜，高海拔、輔助坑道條件差、鉆爆法施工條件差的長大隧道，優(yōu)先選用機械化程度最高的TBM法施工[1]。

對于TBM法施工的隧道襯砌設計，由于受圍巖級別、地形與地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)所受不同荷載組合等各種因素的約束，具有設計過程復雜、計算量大、繪圖繁雜的特點[2]。設計過程中，數(shù)據(jù)處理仍然依靠EXCEL表格，繪圖利用AutoCAD基本命令CAD出圖。目前，我院承擔的川藏鐵路、西寧至成都鐵路、蘭州至合作鐵路等勘察設計任務中，隧道數(shù)量多，部分長大隧道采用TBM法施工。TBM隧道需設計很多不同類型的TBM襯砌斷面以滿足工程要求，人工繪制斷面除花費大量人力和時間以外，還增加了圖紙質(zhì)量控制的難度；且隧道設計時間要求緊迫，依靠傳統(tǒng)設計手段將面臨嚴峻的設計壓力，在設計要求的時間內(nèi)可能無法完成，其作業(yè)方式與設計效率的矛盾日益凸顯。針對隧道工程，已有縱斷面設計、洞門設計、一般復合式襯砌設計等相關輔助設計軟件可供使用，但對于隧道TBM襯砌斷面設計方面，尚未有相關軟件的研究與開發(fā)。

根據(jù)TBM隧道襯砌設計現(xiàn)狀，提出利用參數(shù)化技術，通過對TBM襯砌斷面參數(shù)化繪圖的主要內(nèi)容與實現(xiàn)方法進行分析與研究，并在AutoCAD平臺上，以ObjectARX二次開發(fā)方式研發(fā)TBM襯砌斷面輔助設計系統(tǒng)，實現(xiàn)參數(shù)化繪圖。

1 基于參數(shù)化繪圖技術的鐵路隧道TBM襯砌斷面設計

參數(shù)化技術是隨著CAD技術的研究應用而提出，其主要特性是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)關聯(lián)、尺寸驅(qū)動[3]。參數(shù)化繪圖是參數(shù)化技術在工程設計過程中的具體表現(xiàn)形式，將設計圖形尺寸與設計條件或設計要求建立關聯(lián)關系。當設計的外部條件或要求變化時，設計圖形相關尺寸便會隨之修改，實現(xiàn)驅(qū)動圖形設計，便于用戶設計[4]。將參數(shù)化繪圖技術應用到TBM襯砌設計中，通過研發(fā)輔助設計系統(tǒng)，有助于提高設計效率和質(zhì)量。

1.1 隧道CAD技術發(fā)展歷程

隧道CAD技術起源于最初的CAD技術，并隨之發(fā)展。隧道CAD技術的發(fā)展受地下工程理論、CAD技術、計算機技術的影響，主要經(jīng)歷了4個階段：第一階段，20世紀70年代末以前，由于計算機應用普及率不高，使得隧道工程與計算機軟件科學融合程度較低，僅有隧道工程的科研人員在研究過程中使用通用CAD軟件，尚無專業(yè)的隧道工程CAD軟件可使用[5-6]；第二階段，20世紀70年代末至90年代初期，隨著CAD技術、隧道力學數(shù)值方法的發(fā)展，隧道工程理論與計算機軟件科學結(jié)合產(chǎn)生了計算機輔助分析及相關設計數(shù)據(jù)與文檔管理[7]；第三階段，20世紀90年代至本世紀初，隧道CAD技術開始快速發(fā)展，從隧道結(jié)構(gòu)計算、施工進度、洞門、襯砌、縱斷面、輔助坑道、工程數(shù)量計算等方面引入CAD，形成了智能化、系統(tǒng)化隧道CAD體系[8-10]；第四階段，自2010年以后，隧道CAD走向集成化、協(xié)同化、BIM設計[11-13]。

1.2 隧道TBM襯砌斷面參數(shù)化繪圖研究

鐵路隧道TBM襯砌設計由TBM襯砌基本斷面擬定、TBM開挖直徑、初期支護及二次襯砌設計、仰拱預制塊設計、防排水設計、附屬構(gòu)筑物及相關建筑材料計算與統(tǒng)計等主要內(nèi)容組成。根據(jù)TBM襯砌斷面設計要求，通常需進行正洞TBM一般段、巖爆段、輔助洞段(預備洞、出發(fā)洞、接收洞、檢修洞、拆卸洞)、輔助洞巖爆段、輔助洞大變形段、服務隧道一般段、服務隧道巖爆段、服務隧道輔助洞段、服務隧道輔助洞巖爆段、服務隧道輔助洞大變形段的TBM襯砌斷面參數(shù)化研究。另外，仰拱預制塊參數(shù)化研究也是非常重要的內(nèi)容[14]，其設計合理與否，直接關系到仰拱預制塊拼裝難易程度和襯砌結(jié)構(gòu)受力特性。

1.3 隧道TBM襯砌斷面參數(shù)化繪圖實現(xiàn)方法

為實現(xiàn)鐵路隧道TBM襯砌斷面參數(shù)化設計，需經(jīng)過以下幾步。

(1)分析TBM襯砌斷面形式，并對每種形式的組成結(jié)構(gòu)與幾何約束關系進行分析。約束分類如圖1所示。

圖1 約束分類

(2)依據(jù)構(gòu)件拆分原則，將斷面形式進行拆分，形成最小組成構(gòu)件。

(3)對每個構(gòu)件進行分析，提取該構(gòu)件的設計參數(shù)，并進行參數(shù)確認，進而形成TBM襯砌斷面形式設計參數(shù)。形成的TBM正洞內(nèi)輪廓設計參數(shù)見表1。

(4)根據(jù)約束關系確定點坐標表達式，具體指確定繪制圖形的幾何圖元及其之間的約束關系，如：共線、相切、同心、平行、垂直、對稱約束、兩相交直線間夾角、線段長度、圓弧半徑、點點距離、點線距離、線線夾角等[15-16]。

(5)確定構(gòu)件間的關系，并用約束表示，以此形成整體約束。

(6)編寫程序，實現(xiàn)TBM襯砌斷面形式參數(shù)化。

表1 TBM正洞內(nèi)輪廓設計參數(shù)

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)研發(fā)需求

根據(jù)TBM隧道襯砌設計工作的特點與設計現(xiàn)狀，為解決TBM襯砌設計工作量大、調(diào)整一點而動全過程的問題，需通過研發(fā)輔助設計系統(tǒng)來實現(xiàn)傳統(tǒng)設計方式向數(shù)字化設計的轉(zhuǎn)變，把大量常規(guī)計算、重復繁雜的繪圖工作計算機程序化，以此提高設計工效，系統(tǒng)的研發(fā)目標如下。

(1)依據(jù)《鐵路技術管理規(guī)程》(2017版)、TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》、鐵建設[2007]106號《鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術指南》、TB/T 10058—2015《鐵路工程制圖標準》等規(guī)范、規(guī)程和標準，實現(xiàn)TBM襯砌斷面內(nèi)外輪廓擬定。系統(tǒng)能夠在設計人員輸入相關技術標準、幾何參數(shù)、約束信息等控制信息后，分析并計算內(nèi)外輪廓線，擬定出隧道襯砌基本斷面。

(2)在TBM襯砌基本斷面基礎上，根據(jù)地形、地質(zhì)、結(jié)合襯砌類型及施工條件，進行TBM正洞、服務洞襯砌設計，包括初期支護、二次襯砌、仰拱預制塊及防排水設計。能夠完成單位工程數(shù)量計算，繪制出襯砌斷面圖、剖面圖、詳圖、大樣圖等。

2.2 系統(tǒng)整體設計

根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務需求和設計流程，將系統(tǒng)劃分為4個部分。①設計參數(shù)輸入：主要實現(xiàn)設計參數(shù)的輸入，包括基本斷面擬定參數(shù)、仰拱預制塊、噴錨、鋼架、二次襯砌配筋、防排水設計等。②核心業(yè)務處理：實現(xiàn)幾何要素的約束建立，復合式襯砌、仰拱預制塊及防排水設計等。③繪圖處理：主要實現(xiàn)TBM襯砌斷面設計圖、剖面圖、單位工程數(shù)量表格繪制。④工程數(shù)量計算：主要實現(xiàn)與TBM襯砌相關的每延米或每榀工程數(shù)量。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

2.3 系統(tǒng)功能設計

以模塊化設計思路，對鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設計系統(tǒng)的功能模塊進行設計，實現(xiàn)功能模塊的“高內(nèi)聚、松耦合”目標[17]。將系統(tǒng)劃分為項目設置、TBM襯砌基本斷面擬定、TBM襯砌設計、數(shù)量計算4個模塊，每個模塊又有相應的子模塊組成。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設計系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的主要功能如下。①項目管理：實現(xiàn)項目信息管理、權(quán)限管理、新建項目、打開項目及刪除項目操作等。②復合式襯砌支護參數(shù)的初始化：設置TBM襯砌的噴錨支護、鋼架、二次襯砌配筋等設計參數(shù)，實現(xiàn)設計參數(shù)的快速輸入和全局控制。③TBM襯砌基本斷面擬定：為TBM襯砌設計中最基礎的部分，在設計人員輸入隧道技術標準、隧道建筑限界信息、道床形式、中心水溝及各種管溝、設備布置、線間距信息、接觸網(wǎng)懸掛布置方式、高海拔地區(qū)絕緣距離、空氣動力學效應、設計幾何參數(shù)、防排水信息、電纜槽信息、軌下結(jié)構(gòu)信息等控制信息后，分析并計算內(nèi)外輪廓線，擬定隧道襯砌基本斷面。在內(nèi)輪廓的基礎上，考慮施工誤差、二次襯砌厚度、預留變形量、初支厚度等因素，確定TBM開挖直徑。④TBM襯砌設計：實現(xiàn)TBM正洞、服務洞襯砌設計，包括初期支護、二次襯砌、仰拱預制塊設計、防排水設計。初期支護包含：噴錨支護、工字鋼架、四主筋形格柵鋼架、三肢八字結(jié)格柵鋼架、四肢八字結(jié)格柵鋼架、H形鋼架設計等；二次襯砌設計主要是加強二次襯砌鋼筋設計，繪制襯砌斷面圖、剖面圖、詳圖、大樣圖與主要單位工程數(shù)量表等。⑤仰拱預制塊設計：實現(xiàn)仰拱預制塊的幾何構(gòu)造、與襯砌輪廓的搭接、相關工程數(shù)量計算等。⑥其他附屬設施設計：實現(xiàn)防排水、水溝電纜槽設計等。⑦單位工程數(shù)量計算：實現(xiàn)與復合式襯砌、型鋼鋼架、加強二次襯砌配筋設計等相關的每延米或每榀主要工程數(shù)量計算。

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設計系統(tǒng)由多個模塊組成，涉及各組成構(gòu)件的設計參數(shù)、中間計算結(jié)果、單位工程數(shù)量等大量數(shù)據(jù)，需采用 SQL server作為后臺支持數(shù)據(jù)庫，管理系統(tǒng)的存取數(shù)據(jù)和內(nèi)外接口數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和安全存取。在進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計之前，需分析與確定系統(tǒng)涉及的對象及這些對象之間的關系[18-20]。該系統(tǒng)涉及內(nèi)輪廓、外輪廓、TBM直徑、側(cè)水溝、電纜槽、道床、限界、仰拱預制塊、中心水溝、鋼架、襯砌配筋、防排水等圖形對象，這些圖形對象之間具有一定關聯(lián)關系，比如位置關系，TBM襯砌斷面圖形對象E-R圖如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)E-R圖的設計內(nèi)容，通過對設計對象、屬性和關聯(lián)關系分析，確定出本系統(tǒng)中使用的表和表結(jié)構(gòu)，如基本斷面設計參數(shù)表、襯砌設計參數(shù)表、仰拱預制塊設計信息表、防排水設計表、單位工程數(shù)量表等。其中，仰拱預制塊設計信息見表2， TBM襯砌斷面設計信息見表3。

圖4 TBM襯砌斷面圖形對象E-R圖

表2 仰拱預制塊設計信息

2.5 系統(tǒng)實現(xiàn)

在AutoCAD2014平臺上，采用Microsoft Visual Studio作為開發(fā)工具，利用ObjectARX 二次開發(fā)方式，用C++語言進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用SQLServer2008，研發(fā)輔助設計系統(tǒng)。系統(tǒng)操作界面如圖5、圖6所示。

圖5 斷面擬定界面

圖6 復合式襯砌設計界面

3 系統(tǒng)主要特點及應用

鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設計系統(tǒng)從擬定TBM襯砌基本斷面出發(fā)，采用參數(shù)化技術，通過分析TBM斷面基本尺寸信息及相關支護參數(shù)，建立了TBM襯砌斷面組成構(gòu)件設計參數(shù)、幾何約束和工程約束模型，通過人機交互，完成TBM襯砌斷面參數(shù)化設計。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢與特點。

(1)基于參數(shù)化二維繪圖技術的襯砌斷面設計：隧道TBM襯砌基本斷面擬定是整個TBM襯砌設計中最核心的部分，涉及隧道的建筑限界、受力條件、施工方法等方面。在設計中，采用了參數(shù)化的思想，建立了TBM襯砌基本斷面擬定的數(shù)學模型。在基本斷面基礎上，以構(gòu)件的思路、參數(shù)化的思想進行TBM正洞、服務洞襯砌設計，包括初期支護、二次襯砌、仰拱預制塊及防排水設計。上述襯砌設計剖面、主要尺寸表和主要工程數(shù)量表可實時查看。

(2)基于分段射線法的鋼架設計：隧道襯砌設計中，將不同的鋼架類型(工字鋼架、環(huán)向構(gòu)造與八字節(jié)構(gòu)造的格柵鋼架、H形鋼架)，通過分段射線法建立鋼架設計模型與鋼架分段的自動對應約束關系，實現(xiàn)鋼架的多樣設計。

系統(tǒng)完成后，已在川藏鐵路TBM隧道設計中進行了應用，輔助專業(yè)設計人員完成隧道TBM施工段、輔助TBM施工鉆爆法地段的復合式襯砌設計，完成Ⅱ～Ⅵ級圍巖TBM施工襯砌斷面(其中，Ⅲ級圍巖襯砌斷面如圖7所示)及輔助TBM施工鉆爆法斷面圖、配筋圖、鋼架圖、剖面圖、鋼筋大樣圖繪制與主要單位工程數(shù)量計算。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能實用、運行可靠，以參數(shù)化手段，完成了隧道TBM襯砌設計，減輕了設計人員在TBM襯砌設計中成圖、計算、統(tǒng)計等方面的勞動強度，提高了設計效率，并在實踐中逐步實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化。

圖7 Ⅲ級圍巖襯砌斷面(單位：cm)

4 結(jié)語

基于參數(shù)化技術的TBM輔助設計系統(tǒng)，通過對TBM襯砌的幾何約束與工程約束進行描述，構(gòu)建了TBM襯砌參數(shù)化模型，實現(xiàn)了參數(shù)化設計。設計人員只需根據(jù)實際需要，輸入設計參數(shù)，即可實現(xiàn)自動化繪圖。在某高原鐵路中的實際應用表明，該系統(tǒng)符合隧道專業(yè)設計的實際需求，實現(xiàn)了常規(guī)計算和重復繪圖工作計算機程序化，減輕了設計人員的勞動強度，提高了TBM襯砌設計的工效。