地下通道施工步序的模擬仿真

張孟玫，衡朝陽

(1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2.中國建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013)

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地下通道施工步序的模擬仿真

張孟玫1，衡朝陽2

(1.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2.中國建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013)

大型地下通道施工通常要經(jīng)過十幾道施工步序才能完成，施工技術(shù)人員需要嚴(yán)格按照施工步序分部組織進(jìn)行施工，才能達(dá)到最終設(shè)計要求。為了更好地滿足生產(chǎn)實際的要求，需要將復(fù)雜的施工步序在進(jìn)行施工之前就準(zhǔn)確地展示出來。以實際工程為例，將三維設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于地下通道施工設(shè)計中，利用三維仿真軟件Inventor進(jìn)行地下通道施工步序的模擬仿真，演示地下通道施工的全過程，為地下通道施工設(shè)計提供新的技術(shù)方法。

地下通道；Inventor；施工技術(shù)；計算機(jī)仿真

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，城市交通擁擠問題也越來越突出。在復(fù)雜的城市交通體系建設(shè)中，常常會利用地下通道貫穿連接城市之間的主干道。地下通道能使行人大量、快速、安全地通過，解決了大城市核心區(qū)域的行人交通擁擠和安全問題，同時也起到了美化城市景觀的作用。

地下通道一般分為淺埋和深埋2種。前者是將區(qū)間通道埋設(shè)在街道之下，是在距離地表較近的地下進(jìn)行地下洞室施工的一種方法，地下過街通道、城市地下熱力、電力管道等通常采用淺埋法進(jìn)行施工。淺埋地下通道又分為明挖法和暗挖法2種，在城市核心地區(qū)，由于地面交通繁忙，為了使地下工程施工過程不影響地面交通正常運行，經(jīng)常采用淺埋暗挖法施工。淺埋暗挖法沿用新奧法基本原理，初次支護(hù)按承擔(dān)全部基本荷載設(shè)計，二次模筑襯砌作為安全儲備，初次支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)特殊荷載。在城鎮(zhèn)軟弱圍巖地層中，在淺埋條件下修建地下工程，以改造地質(zhì)條件為前提，以控制地表沉降為重點，以格柵(或其他鋼結(jié)構(gòu))和噴錨作為初期支護(hù)手段，按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”十八字原則進(jìn)行施工。

大型地下通道施工一般要經(jīng)過十幾道施工步序，包括分部進(jìn)行導(dǎo)洞開挖、放置工字鋼初支護(hù)板、分層噴射混凝土、澆筑主體混凝土結(jié)構(gòu)等。這些施工步序既有先后順序，有些又是同時交叉進(jìn)行。技術(shù)人員需要嚴(yán)格按照施工步序組織施工，才能達(dá)到最終設(shè)計要求。為了預(yù)先了解施工的全過程，解決施工過程中會出現(xiàn)的問題，利用三維仿真軟件Inventor進(jìn)行地下通道施工步序的模擬仿真，將計算機(jī)輔助施工應(yīng)用于具體工程當(dāng)中，對地下通道施工的順利進(jìn)行具有很好的指導(dǎo)作用。

1　地下通道施工方案

1.1工程介紹

擬建的膠州市市民廣場人防工程位于膠州市南中軸線世紀(jì)大道，地下人防工程為地下一層，框剪結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，總建筑面積為35 749 m2。在地下人防橫穿膠州市香港路時，為使地下工程施工不影響地面公共交通的運行，擬采用淺埋暗挖法進(jìn)行施工，暗挖穿越香港路區(qū)段長約64.5 m，寬為15.0 m，高度為5.9～6.9 m，結(jié)構(gòu)頂板距現(xiàn)地面僅2.5～3.5 m。工程重要性等級為一級。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，擬采用長大管棚支護(hù)下的暗挖施工法進(jìn)行施工。管棚采用無縫鋼管，直徑為325 mm，壁厚為8 mm，鋼管內(nèi)灌注C20混凝土。管棚采用頂管法施工，為保證管棚受力工況合理，在管棚兩端設(shè)置門框，管棚施工完畢后與門框焊牢。初期支護(hù)采用工字鋼架+鋼筋網(wǎng)片噴射混凝土方式進(jìn)行。

膠州香港路b-g軸線以北區(qū)域地下通道初支導(dǎo)洞布置標(biāo)準(zhǔn)斷面圖如圖1所示。管棚支護(hù)后地下通道分左、右、中3個導(dǎo)洞分別進(jìn)行開挖支護(hù)，每個導(dǎo)洞又分上下兩層分別開挖，開挖后使用工字鋼初支頂板、底板，制作側(cè)墻、中隔壁、分層噴射混凝土等，最終進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)混凝土的澆注。

1.2施工步序

施工步序是指施工過程的先后順序，也包含具體的施工工藝。施工中先要完成前一道施工步序中的內(nèi)容才能進(jìn)入下一道施工步序，施工步序是通過對工程所采用的施工方法、受力分析、場地布置等因素綜合考慮后制定的。膠州香港路b-g軸線以北區(qū)域地下通道施工步序一如圖2所示。在該施工步序中，首先進(jìn)行管棚支護(hù)，按照頂部→右側(cè)→左側(cè)的順序在指定位置打入長度約為65.5 m的鋼管61根，管幕鋼管間采用鎖扣連接，形成整體。每根管幕鋼管需要多節(jié)鋼管焊接形成，單節(jié)加工長度為6 m。管棚施工完畢后進(jìn)行1號導(dǎo)洞開挖，1號導(dǎo)洞分上下兩部分分別進(jìn)行開挖，上部分開挖后使用工字鋼初支頂板，制作側(cè)墻，放置工字鋼橫撐等。1號導(dǎo)洞上部分開挖到3 m后開始開挖1號導(dǎo)洞下半部分并進(jìn)行支護(hù)。

工程主要包括13道施工步序，其順序為：管幕頂進(jìn)坑及后背墻施工→管幕施工→管棚兩端門框及基礎(chǔ)施工→開挖支護(hù)1號導(dǎo)洞→1號導(dǎo)洞開挖≥6 m后開挖支護(hù)2號導(dǎo)洞→1號導(dǎo)洞開挖≥12 m、2號導(dǎo)洞開挖≥6 m后開挖支護(hù)3導(dǎo)洞→破除中隔壁下部混凝土，中隔壁工字鋼、止水鋼板施工制作，底板防水層施工制作→底板鋼筋綁扎、支模、混凝土澆筑→拆除側(cè)洞角撐及橫撐、側(cè)墻防水層施工制作→側(cè)墻、混凝土柱鋼筋綁扎、支模、澆筑混凝土→破除中隔壁上部混凝土，中隔壁工字鋼、止水鋼板施作，頂板防水層施工制作→頂板、混凝土柱帽鋼筋綁扎、支模、澆注混凝土→拆除中隔壁及斜撐，頂板與防水層之間注漿。

2　地下通道施工模擬仿真

2.1施工步序三維建模

Inventor是美國Autodesk公司推出的一款三維可視化實體建模仿真軟件，廣泛用于機(jī)械與建筑工程領(lǐng)域的三維建模與仿真中。筆者利用Inventor進(jìn)行地下通道施工步序的建模與仿真。

首先建立長寬高分別為60、18、12 m的長方體作為修建地下通道的土體，根據(jù)施工步序一，在指定位置分別打入無縫鋼管，鋼管內(nèi)灌注混凝土，形成管幕，并且設(shè)置前后樁頂冠梁。然后利用Inventor的拉伸挖切特征模擬土方開挖形成導(dǎo)洞：開挖左側(cè)1號導(dǎo)洞，1號導(dǎo)洞分上下順序分步進(jìn)行開挖，上半部分開挖3 m后，開始開挖下半部分。同時邊開挖導(dǎo)洞邊進(jìn)行支護(hù)，角部有斜撐，上下之間有工字鋼撐。1號導(dǎo)洞開挖6 m后開始開挖支護(hù)右側(cè)2號導(dǎo)洞。1號導(dǎo)洞開挖≥12 m、2號導(dǎo)洞開挖≥6 m后開挖支護(hù)中間的3號導(dǎo)洞。地下通道施工模型如圖3所示，其各部分結(jié)構(gòu)分別造型后按照工程圖要求進(jìn)行裝配。包括以下內(nèi)容：無縫鋼管形成的管幕；鋼管內(nèi)澆鑄混凝土形成灌注樁；前后設(shè)置樁頂冠梁；網(wǎng)噴護(hù)面墻；1號導(dǎo)洞分部進(jìn)行土方開挖及內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)；2號導(dǎo)洞分部進(jìn)行土方開挖及內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)以及3號導(dǎo)洞的土方開挖及內(nèi)部的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.2Inventor施工過程模擬仿真

建筑虛擬施工技術(shù)是將以虛擬現(xiàn)實為基礎(chǔ)的仿真技術(shù)應(yīng)用于建筑施工領(lǐng)域，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立建筑物的數(shù)字模型和施工技術(shù)模型，對施工方案進(jìn)行實時、交互、逼真的模擬。施工過程模擬仿真是一項將設(shè)計圖通過計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)變成實物演示的復(fù)雜工作，利用虛擬仿真技術(shù)研究工程施工過程，對工程施工進(jìn)行前期預(yù)演和論證，能夠簡化施工程序，提高勞動效率，并且能夠預(yù)知施工過程中的關(guān)鍵控制點，采取有效的強(qiáng)化措施，從而大大降低施工難度，實現(xiàn)風(fēng)險控制，保證施工質(zhì)量。同時設(shè)計的仿真也有利于設(shè)計單位與業(yè)主、施工單位進(jìn)行設(shè)計交底，使各方在施工之前比較直觀地了解施工過程。

Autodesk Inventor提供了多種工具創(chuàng)建動畫和構(gòu)建模型的優(yōu)質(zhì)渲染。筆者利用Inventor的表達(dá)視圖模塊模擬仿真地下通道的施工過程。表達(dá)視圖是 Autodesk Inventor 主文件格式之一，他使用 .ipn 作為擴(kuò)展名?？梢詾樵O(shè)計工作的下游用戶提供部件中零件和子部件如何配合及交互作用的清晰過程。筆者在前期建立的地下通道施工三維模型的基礎(chǔ)之上，按照施工步序，對地下通道的施工過程進(jìn)行模擬仿真。步序一中，往土體中打入鋼管，形成管幕的仿真過程截圖如圖4所示。右側(cè)2號導(dǎo)洞開挖后放入囧形支撐架的仿真過程截圖如圖5所示。

3　結(jié)論

三維設(shè)計仿真技術(shù)是正在不斷發(fā)展的現(xiàn)代設(shè)計方法，他借助計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)建設(shè)的各個領(lǐng)域。筆者利用計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)Inventor進(jìn)行大型地下通道施工過程的模擬仿真，通過建立三維模型，動畫仿真施工過程中的各個步序， 對施工全過程進(jìn)行三維可視化模擬，能夠在施工前了解各種構(gòu)件在實際結(jié)構(gòu)中的相對位置和相互關(guān)系，預(yù)先協(xié)調(diào)解決地下通道實際施工過程中可能遇到的問題，為傳統(tǒng)的地下通道施工設(shè)計提供了先進(jìn)的技術(shù)方法。

[1]張孟玫，施法中，石維新.倒虹吸涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計CAD系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報，2003，15(4):509-511.

[2]黃雪峰，楊校輝，等.西寧地區(qū)常用基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)對比分析[J].巖土工程學(xué)報，2012，34(S1):432-439.

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[7]段東旭.大跨度地下通道的淺埋暗挖法施工[J].鐵道建筑，2008(3):40-42.

Simulation of Underground Tunnel Construction

ZHANG Mengmei1， HENG Chaoyang2

(1.Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China；2.China Academy of Building Research Institute of Foundation Engineering， Beijing 100013， China)

The entire process of constructing a large underground tunnel involves more than a dozen sequences. In order to achieve the final design the builders must strictlyfollow the order of construction sequences. We applied three-dimensional design technology to the underground tunnel construction. With theactual projectas an example, the software Inventor was used to simulate the process of underground tunnel construction.

underground tunnel; inventor; construction technology; computer simulation

2016-04-01

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計劃項目(2013-K3-22)

張孟玫(1966—) 女，博士，講師，主要研究方向為工程圖學(xué)及計算機(jī)輔助設(shè)計，E-mail:zhangmengmei@bipt.edu.cn。

TU92

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