周廣騰，嚴(yán)搖鈴，李剛，朱斌

（1.安徽省交通工程質(zhì)量安全管理服務(wù)中心，安徽 合肥 230051；2.安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引言

盾構(gòu)法是一種廣泛應(yīng)用于城市軌道交通領(lǐng)域暗挖隧道施工的全機械化施工方法，該方法具有施工安全性高、環(huán)境影響小等優(yōu)點。采用盾構(gòu)法施工的隧道，一般采用預(yù)制裝配式襯砌。該襯砌由工廠預(yù)制，在盾構(gòu)尾部拼裝。在襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，不同設(shè)計條件下的荷載模型和結(jié)構(gòu)模型的選取尚無明確統(tǒng)一的規(guī)定，需要由設(shè)計者結(jié)合工程經(jīng)驗和項目實際情況綜合分析，通常需要借助有限元方法進行數(shù)值模擬研究。若采用傳統(tǒng)有限元分析軟件自帶的前處理工具進行幾何建模，因隧道線路平縱曲線的存在，建模難度較大，對使用者技術(shù)水平要求較高。采用可視化編程工具Dynamo，則可以以腳本的形式，通過組織連接預(yù)先設(shè)計好的功能節(jié)點來表達數(shù)據(jù)處理的邏輯，從而創(chuàng)建出一個可執(zhí)行的程序。借助可執(zhí)行程序快速便捷地完成復(fù)雜幾何構(gòu)造、參數(shù)化造型設(shè)計等工作。本文借助Dynamo 軟件編寫參數(shù)化建模程序，完成隧道幾何建模，然后導(dǎo)入ANSYS workbench 完成有限元數(shù)值分析，從而總結(jié)一套基于可視化編程的盾構(gòu)隧道建模與數(shù)值分析方法。

1 可視化編程原理

對于一些復(fù)雜構(gòu)件，傳統(tǒng)軟件完成精細化建模難度較大。為提高建模效率，往往需要根據(jù)工作需要，由相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)人員進行軟件二次開發(fā)，這對使用者技術(shù)水平和工程經(jīng)驗提出了較高要求?？梢暬幊桃脖环Q為可視化程序設(shè)計，與傳統(tǒng)編程方法相比，可視化編程追求“所見即所得”，通過編程工作的可視化在一定程度上使編程工作對用戶更友好[1]。依托可視化編程工具提供的以腳本為基礎(chǔ)的編程方法，工程設(shè)計人員可以在可視化圖形化的界面上通過嵌入或鏈接相應(yīng)的節(jié)點實現(xiàn)復(fù)雜幾何圖形的生成以及數(shù)據(jù)的處理，從而構(gòu)建符合任務(wù)需要的流程和算法，實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)信息的高效自動處理與表達，高效完成建模工作。本文依托Dynamo 可視化編程插件實現(xiàn)關(guān)系定義和算法創(chuàng)建，進行數(shù)據(jù)處理，從而在三維空間中生成幾何圖形。

2 盾構(gòu)隧道建模要點

盾構(gòu)管片是盾構(gòu)工法施工的重要裝配構(gòu)件。盾構(gòu)機中的“盾”是指保持開挖面穩(wěn)定性的刀盤與壓力艙、支撐周圍土體的盾構(gòu)鋼殼；盾構(gòu)機中的“構(gòu)”則是指構(gòu)成隧道襯砌的管片以及壁后注漿體[2]。盾構(gòu)管片承擔(dān)著抵抗水土壓力以及其他荷載的作用，是隧道的最內(nèi)層屏障，同時也是盾構(gòu)法隧道的永久襯砌結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)管片的設(shè)計和施工質(zhì)量對隧道結(jié)構(gòu)整體的質(zhì)量和安全有直接影響，并與隧道的防水性能及耐久性能強相關(guān)。盾構(gòu)隧道建模的重要內(nèi)容之一是對盾構(gòu)隧道管片的建模。一般根據(jù)工程實際情況、規(guī)范要求及設(shè)計計算結(jié)果來確定盾構(gòu)隧道管片的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，其中，管環(huán)的外徑、厚度、管片環(huán)分塊數(shù)及轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量是結(jié)構(gòu)建模主要參數(shù)。

在隧道設(shè)計中，管片的外徑尺寸主要需要結(jié)合隧道的線形、凈空斷面尺寸、盾構(gòu)機的型號、地層影響等因素進行考慮。另外，施工過程中經(jīng)常存在的擬合誤差、地層不均勻沉降等也是設(shè)計中需要考慮的因素；管環(huán)厚度設(shè)計需要考慮的因素主要有隧道結(jié)構(gòu)覆土厚度、圍巖條件、隧道類型等；環(huán)寬設(shè)計需要在經(jīng)濟成本、當(dāng)前施工水平以及對隧道結(jié)構(gòu)整體性的影響中取得平衡，一般來說，管片加寬可以減少隧道整體拼接縫，較好地提升隧道整體性與結(jié)構(gòu)的縱向剛度，對結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力較為有利，但從生產(chǎn)角度來說，環(huán)寬過寬對管片的制作、運輸和拼裝不利，并且管環(huán)加寬會降低盾構(gòu)機掘進時的靈活性；管片的分塊設(shè)計需要考慮管片生產(chǎn)、制作、儲存、運輸?shù)冗^程，以及對隧道整體質(zhì)量和隧道整體結(jié)構(gòu)剛度等方面的影響。一般而言，減少的管片分塊越少對提高隧道整體穩(wěn)定性越有利，但管片分塊個數(shù)過少會影響施工便利性，因此應(yīng)結(jié)合項目實際需要綜合確定；當(dāng)采用轉(zhuǎn)彎環(huán)與通用管環(huán)的襯砌類型時，需要考慮楔形量設(shè)計，管環(huán)楔形量主要依據(jù)路線曲率半徑、隧道截面尺寸、管片的寬度以及盾尾間隙尺寸等因素進行設(shè)計。上述因素均是盾構(gòu)管片設(shè)計的重要構(gòu)造參數(shù)，需要在參數(shù)化程序編寫時著重考慮，通過參數(shù)化操作這些關(guān)鍵變量來控制管片模型的創(chuàng)建[3]，達到快速建模的目的。

3 參數(shù)化建模方法

參數(shù)化建模是隨著計算機技術(shù)而興起的一種計算機輔助設(shè)計方法，目前已在工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。采用參數(shù)化建模，可以根據(jù)應(yīng)用場景和對象特性靈活調(diào)整設(shè)計，適用于盾構(gòu)隧道等項目設(shè)計。采用參數(shù)化建模的方式進行隧道建模，設(shè)計者在對隧道線形調(diào)整后，模型會自動更新，程序能夠根據(jù)規(guī)則捕獲設(shè)計意圖，設(shè)計者也能更準(zhǔn)確地定義模型在進行某些調(diào)整后應(yīng)有的響應(yīng)方式，從而能夠自動創(chuàng)建同一項目中不同的隧道區(qū)間，縮短設(shè)計周期。

從基本原理上來說，所謂的參數(shù)化建模就是把建模過程中所使用到的各種規(guī)則、意圖和所用方法等，根據(jù)使用者意圖和設(shè)計規(guī)則而改變的參數(shù)進行描述。具體到盾構(gòu)隧道設(shè)計上，就是使用特定的、能反映盾構(gòu)隧道相應(yīng)技術(shù)特征的參數(shù)對隧道幾何體進行描述，并且將相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與盾構(gòu)隧道幾何形體之間進行參數(shù)化、數(shù)字化的關(guān)聯(lián)約束，使各參數(shù)之間形成有機整體。通過各隧道建模參數(shù)間一一對應(yīng)的約束關(guān)系，設(shè)計人員在類似項目間只需要改變某個或某些隧道結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的具體數(shù)值，相應(yīng)的軟件程序就可以自動識別并使用已經(jīng)進行參數(shù)化設(shè)計的尺寸特征對隧道幾何圖形進行驅(qū)動。參數(shù)化建模方法克服了傳統(tǒng)CAD 建模對幾何元素進行表述時采用的尺寸值一旦確定不能隨意更改的弊端。采用傳統(tǒng)方法進行隧道建模時，要修改模型必須要先刪除原幾何元素，之后再重新繪制或構(gòu)建新的幾何元素，這使得設(shè)計人員不得不反復(fù)進行大量的刪除和重新繪制工作，制約了工作效率。相比而言，參數(shù)化設(shè)不僅提高了設(shè)計準(zhǔn)確度，也提高了設(shè)計優(yōu)化效率，同時提高了工程設(shè)計行業(yè)的信息化程度。目前主流的參數(shù)化建模方法有三種，即基于生成歷程的過程構(gòu)造法、基于幾何推理的人工智能法、基于幾何約束的變量幾何法。本文主要采用基于幾何約束的變量幾何法建立參數(shù)化模型。

首先利用Revit 軟件創(chuàng)建管片族。選用“自適應(yīng)公制常規(guī)模型”的族樣板，按管片一般構(gòu)造示意圖繪制好用于輔助的模型線，利用參照線的弧線繪制出標(biāo)準(zhǔn)塊的內(nèi)外弧。利用所參照的點圖元，繪制出內(nèi)外弧線的端點以及中點。將上述點變成自適應(yīng)點，并采用參照直線和弧線連接。需要注意自適應(yīng)點的順序，后續(xù)管環(huán)的快速組合過程以及隧道的快速生成過程均與自適應(yīng)點的順序有關(guān)。然后利用參照線繪制平面，并把前述自適應(yīng)點所構(gòu)成的平面垂直向下復(fù)制一倍管片厚度的距離。復(fù)制后的自適應(yīng)點按一定順序進行命名。通過前述生成的平面創(chuàng)建出實體形狀，并給出制作好的自適應(yīng)管片族所需的材質(zhì)參數(shù)。生成的管片族見圖1。

圖1 管片族

圖2 盾構(gòu)隧道建模程序

然后利用Dynamo 軟件進行可視化編程，將管環(huán)中每一個管片的點位確定好，從而實現(xiàn)管片的快速拼裝。可視化程序的主要思路為首先調(diào)用程序自動獲取線路信息，然后根據(jù)管片內(nèi)徑與管片厚度生成圓，然后根據(jù)管環(huán)參數(shù)如管片個數(shù)、拼接角度等分割圓并在圓上生成點，生成并調(diào)整參數(shù)列表，根據(jù)列表指定自適應(yīng)管片放置位置，最后調(diào)用之前制作的自適應(yīng)管片族，結(jié)合參數(shù)列表生成盾構(gòu)隧道模型。

執(zhí)行盾構(gòu)隧道建模程序，生成某隧道模型如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道模型

4 基于BIM模型的有限元分析

對盾構(gòu)隧道模型進行數(shù)值分析，能夠得到不同地質(zhì)環(huán)境中盾構(gòu)隧道周圍土體和襯砌結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力和變形規(guī)律，進而為工程設(shè)計和施工提供指導(dǎo)[4]。傳統(tǒng)的建模方式操作繁瑣，幾何建模難度大。前述內(nèi)容已經(jīng)解決了盾構(gòu)隧道幾何建模問題，本文將借助Dynamo 建立的幾何模型，采用ANSYS Workbench 作為有限元分析工具進行數(shù)值分析。Workbench 是ANSYS 公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，ANSYS Workbench 仿真平臺能對復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、剛體動力學(xué)、流體動力學(xué)、結(jié)構(gòu)熱、電磁場以及耦合場等進行分析模擬，適用于多種工程問題求解場景[5]。根據(jù)第3 節(jié)方法完成建模后，導(dǎo)出SAT 格式文件。在workbench 中導(dǎo)入SAT 文件，定義材料參數(shù)和分析參數(shù)，完成有限元分析前處理。本計算僅用于驗證模型的可用性，因此對分析模型作簡化處理，僅考慮自重荷載，邊界條件僅考慮土對隧道的彈性支撐，分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 盾構(gòu)隧道變形圖（單位：m）

圖5 盾構(gòu)隧道等效應(yīng)力圖（單位：Pa）

由圖4、圖5 可知，有限元模型能夠正常運行，盾構(gòu)隧道的應(yīng)力和變形云圖符合一般規(guī)律，建模方法有效。

5 結(jié)論

本文借助Dynamo 可視化編程軟件，編寫了盾構(gòu)隧道參數(shù)化建模程序，并將參數(shù)化的幾何模型通過SAT格式文件導(dǎo)入ANSYS workbench 進行有限元分析。分析結(jié)果表明，基于可視化編程建立的盾構(gòu)隧道模型可以滿足有限元分析前處理的要求，該方法能夠有效提高盾構(gòu)隧道建模與數(shù)值分析效率。