李霖皓, 陳 珂, 胡云華, 龍 凡

(1. 華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2. 華中科技大學(xué)人工智能研究院，湖北 武漢 430074; 3. 武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 湖北 武漢 430023)

0 引言

隨著城市地下空間建設(shè)的需求不斷提升，長距離、大直徑的盾構(gòu)隧道建造技術(shù)逐步成為地下工程的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。然而，長距離隧道通常穿越軟硬不均的地層，有時(shí)還會(huì)存在超載及大坡度區(qū)間，其縱向不均勻沉降與變形差異問題日漸凸顯[2]。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要目的是根據(jù)外部荷載條件與結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，驗(yàn)算其結(jié)構(gòu)變形是否處于設(shè)計(jì)規(guī)范容許范圍內(nèi)。其中，影響結(jié)構(gòu)性能的參數(shù)有管片寬度、襯砌厚度、接頭數(shù)量等，荷載條件包括土壓力、水壓力、地面超載、結(jié)構(gòu)自重等。

為了在隧道設(shè)計(jì)中充分考慮覆土埋深對縱向結(jié)構(gòu)的受力與變形影響，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型需要從二維向三維過渡，以輸出更精細(xì)的設(shè)計(jì)結(jié)果。另外，考慮到隧道的縱向結(jié)構(gòu)呈狹長帶狀分布[3]，其與地質(zhì)體具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，因此永久荷載除結(jié)構(gòu)自重外還包含來自周圍的土壓力與水壓力。然而，土/水壓力值的計(jì)算依賴于對地質(zhì)勘察中地質(zhì)鉆孔信息的選取，具體取值受限于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，通常采取就近原則或假定最不利條件進(jìn)行考慮。因此，隧道縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算需要對鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行高效挖掘，確保設(shè)計(jì)可靠。

近年來，參數(shù)化設(shè)計(jì)在隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。Caetano等[4]介紹了國內(nèi)外對參數(shù)化設(shè)計(jì)的定義，肯定其在建筑工程項(xiàng)目中有助于確定設(shè)計(jì)約束。Ninic等[5]將參數(shù)化隧道模型和數(shù)值模型整合在一起，對盾構(gòu)施工過程進(jìn)行仿真分析。Luo等[6]根據(jù)盾構(gòu)襯砌的幾何特征結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，形成了盾構(gòu)隧道自動(dòng)建模和管片排版工具。Sharafat等[7]將一系列算法引入到隧道信息模型中，以適應(yīng)不同的隧道設(shè)計(jì)。Peng等[8]利用參數(shù)化數(shù)字模型將盾構(gòu)施工過程中的隧道結(jié)構(gòu)信息反饋給各個(gè)參與方。Song等[9]將參數(shù)化設(shè)計(jì)與信息管理技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對隧道工程各階段、各專業(yè)設(shè)計(jì)的高效管理。Zhou等[10]利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法開發(fā)了基于IFC的管片拼裝系統(tǒng)，支持盾構(gòu)施工信息傳遞。相比于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，參數(shù)化設(shè)計(jì)可以提升復(fù)雜構(gòu)件建模、修改和出圖的效率，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)人員主要利用其進(jìn)行管片建模、排版[11]與線路設(shè)計(jì)[12]，卻忽略了結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算與設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性分析，因此參數(shù)化設(shè)計(jì)仍有大量提升空間。

盾構(gòu)隧道的參數(shù)化設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方面仍需開展進(jìn)一步研究應(yīng)用，特別是針對縱向結(jié)構(gòu)，需要解決的關(guān)鍵問題在于： 如何將地質(zhì)數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，繼而通過參數(shù)化手段驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)計(jì)算。因此，本研究: 1)基于地勘鉆孔數(shù)據(jù)建立地層數(shù)據(jù)庫，并按需輸出對應(yīng)隧道區(qū)間的約束條件與荷載參數(shù)； 2)基于參數(shù)化建模方法確定隧道縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算模型； 3)將地層數(shù)據(jù)庫與縱向結(jié)構(gòu)模型建立引用關(guān)系，實(shí)現(xiàn)隧道縱向結(jié)構(gòu)的參數(shù)化計(jì)算； 4)以武漢市兩湖隧道(東湖段)項(xiàng)目為設(shè)計(jì)實(shí)例，對所提出的方法進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

1 地層數(shù)據(jù)庫的建立

1.1 集成鉆孔數(shù)據(jù)

地質(zhì)勘察通常是按照鉆探、采樣等確定性的方法來認(rèn)識地質(zhì)環(huán)境，并將鉆孔樣本和勘測數(shù)據(jù)作為依據(jù)。為了解決鉆孔密度受限與地質(zhì)變異性等問題，國內(nèi)外許多學(xué)者采用克里金法、貝葉斯推理框架、模糊推理系統(tǒng)、K最近鄰算法(KNN)等方法來解決地質(zhì)不確定性預(yù)測、地質(zhì)物理反演、地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)以及鉆探預(yù)測模型建立等問題[13-16]。其中，KNN能基于已知鉆探結(jié)果對未知或不確定鉆探結(jié)果進(jìn)行預(yù)測；克里金法能通過協(xié)方差函數(shù)進(jìn)行高程預(yù)測(插值)。因此，本研究基于已有的地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)，利用KNN進(jìn)行地質(zhì)解析; 利用普通克里金(ordinary Kriging)算法進(jìn)行水位高程預(yù)測。鉆孔數(shù)據(jù)的編譯、存儲、傳遞通過Python中Pandas工具包的DataFrame(數(shù)據(jù)框，下同)函數(shù)進(jìn)行，即以目標(biāo)空間內(nèi)地質(zhì)鉆孔中土層分布數(shù)據(jù)與水位高程數(shù)據(jù)為學(xué)習(xí)樣本，推斷未鉆探地區(qū)的地層邊界與高程，并對推斷結(jié)果建立數(shù)據(jù)框格式的地層數(shù)據(jù)庫。地質(zhì)解析過程主要包括以下步驟：

1)細(xì)分地勘鉆孔數(shù)據(jù)，整理形成數(shù)據(jù)框D。原始鉆孔數(shù)據(jù)的采集格式如表1所示。

表1 地勘鉆孔數(shù)據(jù)的格式

對于Dzk，同一個(gè)地勘數(shù)據(jù)鉆孔有不同的土層分布，從上到下依次填寫每一鉆孔下各土層的上界面和下界面的高程以及土層代碼。對以上表格內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定間隔的細(xì)分，生成分布更規(guī)律、更密集并帶有土層代碼的點(diǎn)，最終形成新的地勘鉆孔數(shù)據(jù)n行5列數(shù)據(jù)框，即

2)提取數(shù)據(jù)框D中的三維坐標(biāo)點(diǎn)(D[:,1]，D[:,2]，D[:,3])導(dǎo)入到參數(shù)化建模軟件(如Rhino & Grasshopper)中進(jìn)行鉆孔點(diǎn)云建模P，即

3)讀取劃分單元的地勘鉆孔土層代碼D[:,4]，分析出總共出現(xiàn)的土層種數(shù)，并對每種土層進(jìn)行標(biāo)簽設(shè)定。土層種數(shù)分析和土層類型的標(biāo)定算法如下：

算法1根據(jù)輸入每個(gè)鉆孔下的土層分布分析總共出現(xiàn)的土層種數(shù)并進(jìn)行標(biāo)定

輸入:每個(gè)鉆孔的土層分布，D[:,4]

輸出:土層類型list，SoilList

1. 給SoilList對象賦予空列表

2.foriinrange(D[:,4]的長度):

3.ifSoilList中D[:,4][i]對象出現(xiàn)的次數(shù)為0：

4. 給SoilList添加D[:,4][i]對象

5.returnSoilList

4)依次對目標(biāo)空間中每個(gè)單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)V和鉆孔點(diǎn)云模型P進(jìn)行最小距離計(jì)算，利用KNN推斷出每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的最大似然土層種類，并賦予相應(yīng)的標(biāo)簽，生成帶有土層信息標(biāo)簽的V′，即

式中V為n行3列數(shù)據(jù)框，包含n個(gè)單元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)中的坐標(biāo)信息。

用于分析每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)所屬最大似然土層種類的算法如下：

算法2基于KNN的土層分類

輸入：點(diǎn)云模型,P； 對應(yīng)點(diǎn)云模型的土層信息列表,D[:,4]；網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)列表，V； KNN參數(shù)，k(必須為奇數(shù))

輸出:帶有土層信息的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)框V′

1.foriinrange(V的列表長度):

2.forfinrange(P的列表長度)：

3. 求解V[i]與P[f]的距離

4. 挑選在P中與V[i]距離最小的k個(gè)點(diǎn)

5. 確定這k個(gè)點(diǎn)在D[:,4]對應(yīng)的土層信息，并返回重復(fù)頻率最高的土層名稱

6. 將該土層名稱添加入V′[i]

7.returnV′

1.2 水位面高程分析

水位高程預(yù)測過程主要包括以下步驟：

1)從地勘鉆孔數(shù)據(jù)中單獨(dú)提取水位線高度的空間坐標(biāo)，整理形成數(shù)據(jù)框W，即

式中h為水位線高程值。

2)調(diào)用Python中Pykrige工具包，導(dǎo)入數(shù)據(jù)框W進(jìn)行普通克里金模型訓(xùn)練。訓(xùn)練得到的模型將利用Pickle工具包進(jìn)行儲存。

3)確定目標(biāo)空間內(nèi)某點(diǎn)位的平面坐標(biāo)(x，y)后，將其輸入已訓(xùn)練的普通克里金模型中并輸出預(yù)測的水位高程h，記為水位點(diǎn)(x，y，h)。

1.3 任意剖面下土層參數(shù)與水位標(biāo)高輸出

基于鉆孔數(shù)據(jù)，對目標(biāo)空間建立數(shù)據(jù)框形式的地層數(shù)據(jù)庫，然后按照設(shè)計(jì)要求確定具體需要解析的盾構(gòu)斷面位置，依照該位置的平面坐標(biāo)和訓(xùn)練得到的普通克里金模型可以推測出該斷面的水位標(biāo)高； 同時(shí)，依照該位置的空間參數(shù)(距離、位置)對目標(biāo)空間進(jìn)行精確剖切，計(jì)算出剖切面中每種土層下z坐標(biāo)(V′[:,2])的高程范圍，最終輸出該斷面下每種土層的平均厚度與排列順序。確定該斷面土層厚度的算法如下：

算法3計(jì)算某地層斷面中分布的各土層厚度

輸入:某地層斷面中帶有土層信息的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)框，V′

輸出:該斷面沿z坐標(biāo)從高到低方向上每種土層的厚度，SoilDepthList

1.計(jì)算V′中z軸坐標(biāo)最高的10個(gè)點(diǎn)的z坐標(biāo)平均值，并以該值為地表高度，A

2. 計(jì)算V′中每組土層中z軸坐標(biāo)值最低的10個(gè)點(diǎn)的z坐標(biāo)平均值，并按升序排列入表格，List

3.SoilDepthList= [ ]

4.foriinrange(List的長度):

5. SoilDepthList.append(List [i]-A)

6.A=List[i]

7.returnSoilDepthList

為了進(jìn)一步讓設(shè)計(jì)人員對解析和預(yù)測結(jié)果有更直觀的理解，本方法可以根據(jù)地質(zhì)標(biāo)簽賦予相應(yīng)的顏色參數(shù)RGB值，然后在參數(shù)化建模軟件中進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)著色處理，同時(shí)對水位點(diǎn)進(jìn)行嵌面擬合生成水位面，最終實(shí)現(xiàn)地層數(shù)字化和可視化。

1.4 水土壓力計(jì)算

水壓力和土壓力作為地層因素影響隧道結(jié)構(gòu)，是隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的準(zhǔn)永久荷載。一般來說，計(jì)算水土壓力有水土分算與水土合算2種方法。前者適用于砂質(zhì)土地層，將水壓力分離出來，根據(jù)地下水位高程將土壓力按照干重度和飽和重度分開計(jì)算；后者適用于黏性土地層，將水壓力作為一種新的土壓力進(jìn)行考慮。同時(shí)，作用在隧道結(jié)構(gòu)體的水土壓力分為垂直方向和水平方向。水平土壓力的大小由垂直土壓力乘以土的側(cè)壓力系數(shù)K0確定；而水壓力的水平和垂直方向可視為近似相等。

根據(jù)規(guī)范GB/T 51438—2021[17]，對于埋深小于2倍外徑的淺埋隧道和軟土盾構(gòu)隧道可采用全覆土壓力計(jì)算。

H=∑Hi+∑Hj

；

(1)

pe=∑γiHi+ ∑γjHj

。

(2)

式(1)—(2)中：H為該點(diǎn)的總覆土埋深，m；Hi為第i層土的厚度，m；Hj為第j層土的厚度，m；pe為垂直土壓力，kPa；γi為第i層土的天然重度，kN/m3；γj為第j層土的天然重度，kN/m3。

對于目標(biāo)空間內(nèi)任意一點(diǎn)的水壓力可以采用靜水壓力計(jì)算，則有：

pw=γwHw

。

(3)

式中：γw為水的重度，kN/m3；Hw為隧道結(jié)構(gòu)以上地下水位高程，m；pw為水壓力，kPa。

2 隧道縱向結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

2.1 等效剛度梁

隧道縱向結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算一般采用2種模型，即縱向梁-彈簧模型和縱向等效剛度梁模型。后者與前者相比，具有模型簡單、參數(shù)較少等優(yōu)點(diǎn)[18-19]?？v向等效剛度梁模型主要是將環(huán)間接頭因素轉(zhuǎn)化為剛度折減，并用折減后的等效剛度均勻梁進(jìn)行替代；結(jié)構(gòu)的約束條件需引入地層彈簧來模擬結(jié)構(gòu)與地層間的相互作用；外部荷載主要考慮垂直方向上的水土壓力，其模型簡圖如圖1所示。

圖1 等效剛度梁模型簡圖

通過該方法既能考慮接頭對隧道結(jié)構(gòu)性能的影響，也可以將不連續(xù)的隧道結(jié)構(gòu)連續(xù)化。其中，地層彈簧的彈性剛度用巖土體的垂直基床系數(shù)來替代，折減后的等效抗壓剛度為

(4)

折減后的等效抗拉剛度為

(5)

折減后的等效抗彎剛度為

(6)

(7)

式(4)—(7)中：Es為管片環(huán)的彈性模量，GPa；As為管片環(huán)的斷面面積，m2；Kj為環(huán)間接頭軸向彈簧系數(shù)的總和，kN/m；ls為管片寬度，m；φ為中位軸位置的角度，rad；Is為管片環(huán)的斷面慣性矩，mm4。

2.2 基于Karamba 3D平臺的參數(shù)化有限元結(jié)構(gòu)建模

為了實(shí)現(xiàn)高效的參數(shù)化有限元結(jié)構(gòu)分析，本方法利用Karamba 3D 2.2.0進(jìn)行隧道縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算。Karamba 3D可以用編程的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算與結(jié)果可視化[20]，其計(jì)算流程如圖2所示。其中，結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入可以直接調(diào)用Rhino & Gasshopper所生成的geometry對象，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入可以利用Python語言進(jìn)行編譯和傳輸。組建模型完成后輸出的計(jì)算結(jié)果是以單元節(jié)點(diǎn)順序排列的樹形數(shù)據(jù)框結(jié)構(gòu)。

圖2 Karamba參數(shù)化結(jié)構(gòu)計(jì)算操作步驟

對于組建隧道縱向結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，其參數(shù)輸入過程主要包括以下步驟：

1)根據(jù)Luo等[6]提出的隧道管片參數(shù)化建模方法利用Rhino & Grasshopper輸出隧道三維中心線模型。該模型是由等長度的線段依次首尾相連而成，每條線段可視為每環(huán)管片的中心軸。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中，每條線段將視作一個(gè)梁結(jié)構(gòu)單元，線段的首端點(diǎn)與末端點(diǎn)作為梁結(jié)構(gòu)模型的節(jié)點(diǎn)。

2)對每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加荷載。由于隧道縱向結(jié)構(gòu)計(jì)算主要針對沉降變形問題，所以荷載僅考慮垂直土壓力與垂直水壓力。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由于所處空間位置不同，水土壓力大小也會(huì)有區(qū)別。所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的荷載需要參考算法3輸出的斷面土層參數(shù)并根據(jù)式(1)—(3)求得。

3)對每個(gè)節(jié)點(diǎn)施加土彈簧。土彈簧的上端與梁單元節(jié)點(diǎn)剛性接觸，下端完全固定。每個(gè)土彈簧所屬的地質(zhì)標(biāo)簽通過算法2求得。每個(gè)彈簧的彈性剛度可以根據(jù)地勘報(bào)告中對應(yīng)的巖土體設(shè)計(jì)參數(shù)建議值(垂直基床系數(shù)Kv)選取。

2.3 將結(jié)構(gòu)模型與地層數(shù)據(jù)庫建立引用關(guān)系

將每個(gè)節(jié)點(diǎn)所施加的約束條件與地層數(shù)據(jù)庫建立引用關(guān)系，即基于算法2和算法3通過執(zhí)行循環(huán)依次計(jì)算出每個(gè)梁單元節(jié)點(diǎn)的總荷載與地基彈簧剛度，再依次輸入進(jìn)Karamba 3D結(jié)構(gòu)模型中，從而使約束條件可以根據(jù)地層數(shù)據(jù)的改變而變化。具體算法如下：

算法4計(jì)算目標(biāo)空間下結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的荷載與地基彈簧剛度參數(shù)

輸入:目標(biāo)空間下結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)框，N

輸出:該結(jié)構(gòu)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的土彈簧彈性剛度、垂直土壓力、垂直水壓力的分布數(shù)據(jù)框，C

1. 創(chuàng)建N行4列空的數(shù)據(jù)框，C

2.foriinrange(len(N[:,0])):

3. 將節(jié)點(diǎn)(N[i,0]，N[i,1]，N[i,2])代入算法2求得所屬土層名稱

4. 根據(jù)地勘報(bào)告并輸出該土層的地基彈簧剛度，K

5. 匹配節(jié)點(diǎn)(N[i,0]，N[i,1]，N[i,2])所在盾構(gòu)軸線的里程并對該里程的盾構(gòu)斷面進(jìn)行剖切，生成V

6. 將V代入算法2求得V′

7. 用V′代入算法算法3求得該節(jié)點(diǎn)垂直方向的各土層厚度SoilDepthList與地下水位高程Hw

8. 提取SoilDepthList中的參數(shù)代入式(1)—(3)求得pe、pw

9.將K、pe、pw賦予數(shù)據(jù)框C[i,0],C[i,1],C[i,2]

10.returnC

3 案例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本方法的有效性，引入武漢市兩湖隧道東湖段某100 m區(qū)間隧道為驗(yàn)算對象，并與現(xiàn)有方法(基于SAP84軟件)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

兩湖隧道東湖段位于武昌中心城區(qū)南北向中軸線位置，是當(dāng)前世界上規(guī)模最大的城市湖底、雙層超大直徑盾構(gòu)隧道。其中，位于東湖路接線的QXK6+300～+400區(qū)間(100 m)穿越軟硬不均的強(qiáng)/中風(fēng)化巖層，且由于風(fēng)光堤的存在導(dǎo)致地面荷載變化較大。依據(jù)該項(xiàng)目第三方審查單位的建議與規(guī)范要求，有必要對該區(qū)間隧道進(jìn)行縱向變形和強(qiáng)度分析。

借助Python中的for循環(huán)與Grasshopper Cycle執(zhí)行算法2和算法3，每隔1 m自動(dòng)輸出水土壓力參數(shù)，同時(shí)對該隧道區(qū)間下每隔10 m的地質(zhì)縱向剖面進(jìn)行可視化處理，結(jié)果如圖3所示。隧道中軸線穿越了強(qiáng)/中風(fēng)化巖層、粉質(zhì)黏土，與地勘分析結(jié)果一致。

圖3 QXK6+300～+400區(qū)間數(shù)字化地層剖面圖

圖4展示了2種方法構(gòu)建的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，單元?jiǎng)澐志葹? m(環(huán)寬2 m)，土彈簧每隔1 m布置1個(gè)。相比SAP84軟件使用的計(jì)算方法，本方法所提出的參數(shù)化結(jié)構(gòu)計(jì)算模型不僅能保持隧道軸線的三維線性特征，而且荷載與約束條件也能根據(jù)編程命令自動(dòng)設(shè)定。其中，結(jié)構(gòu)單元參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為： 管片直徑14.5 m、厚度600 mm、彈性模量34.5 GPa、剪切模量14.4 GPa、比重24.5 kN/m3。環(huán)間接頭采用36個(gè)8.8級斜螺栓(M36)。根據(jù)式(4)—(7)計(jì)算出等效抗拉剛度折減系數(shù)和等效抗彎剛度折減系數(shù)分別為0.021和0.056。

(a) 本文方法

圖5比較了2種結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的荷載與約束條件，圖6展示了2種方法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)縱向位移結(jié)果。由于本方法通過算法4自動(dòng)計(jì)算并導(dǎo)出的約束與荷載參數(shù)與SAP84軟件基于人工經(jīng)驗(yàn)和最不利條件確定的參數(shù)存在區(qū)別，導(dǎo)致二者計(jì)算結(jié)果存在一定偏差，但本方法計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際。根據(jù)規(guī)范GB 50446—2017中對管片結(jié)構(gòu)沉降累計(jì)值的要求，2種結(jié)果都在10 mm范圍內(nèi)。根據(jù)本方法的計(jì)算結(jié)果，利用Rhino & Grasshopper中的curve curvature分析工具計(jì)算其縱向變形曲率半徑最小為16 487.02 m， 大于結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)15 000 m。

(a) 盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)水土壓力分布

圖6 隧道結(jié)構(gòu)的縱向位移比較

根據(jù)本方法計(jì)算出的結(jié)構(gòu)軸力結(jié)果對隧道數(shù)字模型進(jìn)行渲染并輸出云圖(如圖7所示)，每環(huán)管片的受壓和受拉情況清晰可見，其最大正彎曲應(yīng)力為0.056 7 MPa。根據(jù)等效抗拉剛度，求得最大環(huán)縫張開量約為0.154 6 mm，滿足規(guī)范GB/T 51438—2021[17]對環(huán)縫張開量的要求(≤2 mm)。

圖7 隧道結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力云圖(單位： MPa)

最后，本研究將2種方法的耗時(shí)(包括建模與計(jì)算過程)進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。本方法在建模和設(shè)定約束條件方面分別可以節(jié)省80%和50%以上的耗時(shí)；在計(jì)算方面，本方法可以在2 s內(nèi)完成計(jì)算。因此，本方法能有效支持后續(xù)設(shè)計(jì)迭代和不同區(qū)間的計(jì)算需求。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型耗時(shí)比較

4 結(jié)論與討論

1)本研究提出了利用地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的思路。該方法在兩湖隧道(東湖段)工程設(shè)計(jì)案例中得到應(yīng)用，并與現(xiàn)有計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本方法既能滿足盾構(gòu)隧道縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范要求，又能與盾構(gòu)隧道參數(shù)化自動(dòng)建模方法進(jìn)行銜接，從而提高地下空間工程數(shù)字化設(shè)計(jì)水平。

2)本方法基于鉆孔數(shù)據(jù)與參數(shù)化建模能構(gòu)建更精細(xì)的結(jié)構(gòu)模型與荷載布置； 同時(shí)，其利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法大大減少了隧道縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的手工建模、人工評估、參數(shù)設(shè)定等工作量，耗時(shí)明顯縮短，且后期能支持不同區(qū)間的驗(yàn)算需求與優(yōu)化迭代，顯著提升了設(shè)計(jì)效率。

3)本研究為盾構(gòu)隧道施工時(shí)的結(jié)構(gòu)沉降變形分析提供了工作基礎(chǔ)，下一步研究可在盾構(gòu)施工過程中模擬沿隧道縱向有堆載(或局部地表卸載)的情況，繼而開展風(fēng)險(xiǎn)評估以支持盾構(gòu)施工安全管控。