淺析TBM隧道管片排版BIM軟件開發(fā)

劉慶舒，陳改霞

(1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.首輔工程設(shè)計有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

隨著我國科技和經(jīng)濟高速發(fā)展，機械化施工得到了長足的發(fā)展。近年來，各種公路、水工、城市軌道交通項目的隧道工程地形與地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，隧道長度也屢創(chuàng)新高，隧道工程采用機械化施工的項目也越來越多。據(jù)了解，規(guī)劃中的川藏鐵路、紅旗渠項目設(shè)計中采用了大量隧道穿越復(fù)雜地形條件的模式，未來這些隧道將廣泛采用機械化施工。

傳統(tǒng)隧道施工采用的鉆爆法屬于典型的粗放式施工，標(biāo)準(zhǔn)化、信息化程度極低。近年來僅有少量建模軟件、計算軟件在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用，縱觀各行業(yè)、各軟件平臺均無廣泛應(yīng)用的隧道設(shè)計、施工、信息化管理模塊。隨著TBM隧道、盾構(gòu)隧道增多，特別是隨著以裝配式隧道管片為襯砌的隧道的出現(xiàn)，隧道工程將迎來標(biāo)準(zhǔn)化、信息化的高速發(fā)展。

筆者結(jié)合西藏DXL隧道TBM隧道施工管片排版管理的問題，開發(fā)了一套專用的TBM隧道管片排版BIM軟件。軟件功能涵蓋了隧道路線、管片參數(shù)輸入、預(yù)排版、動態(tài)排版、后期管理等。本文對使用TBM隧道管片排版軟件及理解軟件的原理有較大的幫助，對開發(fā)類似BIM軟件有一定的參考價值。

1 隧道路線解算

設(shè)計路線是一條空間平滑曲線，是一條滿足隧道功能需要的虛擬連續(xù)曲線?？臻g曲線投影到水平面稱為平面線形，在平面線形的展開圖上，以路線長度為橫坐標(biāo)，高程為縱坐標(biāo)構(gòu)成路線的縱面線形。常見的路線設(shè)計方法和路線設(shè)計軟件都是將路線分為平面和縱斷面來進行設(shè)計。

從數(shù)學(xué)上看，平面線形是由直線、回旋線和圓曲線組成的一條平面曲線。根據(jù)平面曲線理論，平面線形可由起點處的樁號、坐標(biāo)、方位角及曲率圖來描述和定義，其中曲率圖為平面線形的曲率方程。采用分段函數(shù)和微積分可以求路線上任意點的坐標(biāo)和水平切線方向。

有一些文獻對直線、回旋線和圓曲線采用不同的方式建模，不具備統(tǒng)一性，編程實現(xiàn)更為復(fù)雜，是不適宜的。

縱面線形由直線坡段和豎曲線兩種線形要素組成，豎曲線一般采用圓曲線或二次拋物線。同樣地，將坡度圖視作曲率圖，采用相同的方法，可以使用統(tǒng)一的公式計算任意點的高程。

根據(jù)確定的邊界條件，路線上任意一點的三維坐標(biāo)和水平切線方向可以很快確定。以該點坐標(biāo)為原點，以水平切線方向為y方向，該方向在水平面內(nèi)順時針?biāo)叫D(zhuǎn)90°，可得到路線的水平垂直方向，以此為x方向，同時，以過該點的垂線為z方向，即可構(gòu)建該樁號的局部坐標(biāo)系。

2 管片分類

目前國內(nèi)外TBM隧道主要采用兩種管片形式。

(1)普通管片：①標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左轉(zhuǎn)彎環(huán)+右轉(zhuǎn)彎環(huán)；②左轉(zhuǎn)彎環(huán)+右轉(zhuǎn)彎環(huán)。隧道直線段采用等寬的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，使用轉(zhuǎn)彎環(huán)來實現(xiàn)對圓曲線、緩和曲線段的擬合。由于轉(zhuǎn)彎環(huán)的拼裝點位是固定的，因此不利于隧道施工過程中對管片軸線的準(zhǔn)確控制。

(2)通用管片：通用管片(見圖1)利用左右環(huán)寬不等的條件，旋轉(zhuǎn)管片到一定角度進行拼裝，通過管片的一系列拼裝點位組合來擬合設(shè)計軸線。通用管片使用模具少，成本更低，擬合效果更好，在TBM隧道中得到了越來越多的應(yīng)用。

圖1 通用管片模型(黑色為封頂塊)

3 通用管片的數(shù)學(xué)模型

通用管片主要參數(shù)有：管片(外)直徑、寬度、厚度、楔形量、螺栓組數(shù)，其中與管片排版密切相關(guān)的參數(shù)為直徑(D)，寬度(B)，楔形量(delta)，螺栓組數(shù)(N)。

一般認為，管片環(huán)內(nèi)部是連續(xù)的、無錯臺、具有整體性，其被視為環(huán)形來研究，在數(shù)學(xué)上，空間中剛體的自由度為6。但是，為了表述方便，采用7個參數(shù)來確定管片環(huán)在空間中的位置。

取管片環(huán)起始面中心點為管片環(huán)的原點(x，y，z)，取管片環(huán)軸線為管片環(huán)的方向向量(l，m，n)，取封頂塊在x軸垂直面上旋轉(zhuǎn)的點位k為定位參數(shù)。通過x，y，z，l，m，n，k這7個參數(shù)就確定了管片環(huán)在空間中的位置。

通過方向向量(l，m，n)的旋轉(zhuǎn)，可以很方便地求得起始面、末端面的法向量。假設(shè)相鄰兩環(huán)管片末端面和起始面重合，中心點也重合，由i-1塊的方向向量可以很容易求出第i塊的方向向量(k的函數(shù))。

4 管片預(yù)排版方法

管片預(yù)排版是指根據(jù)隧道設(shè)計路線和管片的參數(shù)對管片進行預(yù)先統(tǒng)籌安排。預(yù)排版可以用于檢查設(shè)計的有效性，由此隧道三維模型可以進行可視化展示、施工動態(tài)規(guī)劃等。

預(yù)排版的核心是在允許的拼裝點位中尋找最優(yōu)拼裝點位組合。在第i-1塊確定的情況下，通過對第i塊的末端面中心點與路線誤差求最小值，可很方便地求出第i塊的最優(yōu)解。

為了求出所有管片的最優(yōu)解，可以基于最小二乘法進行計算。需要計算的組合有N環(huán)數(shù)種(N為螺栓組數(shù))。當(dāng)塊數(shù)增多后，計算量過大，無法進行計算。因此，限定需要計算的環(huán)數(shù)是必要的。實際上，在預(yù)排版時模型僅用于展示等，對其精度要求不高，可以認為每環(huán)的最優(yōu)解的線形組合就是整個隧道的最優(yōu)解，以減少不必要的計算。

5 動態(tài)排版

TBM隧道管片動態(tài)排版是指在施工時，根據(jù)現(xiàn)場量測的TBM位置、姿態(tài)，以施工的管片的限制條件確定新的管片位置。動態(tài)排版是本軟件的核心功能和亮點。

5.1 影響因素

除了隧道設(shè)計路線和管片本身的限制條件外，動態(tài)排版需要考慮的因素還包括拼裝方式、拼裝點位、油缸行程差、盾尾間隙等。

(1)管片的拼裝方式有通縫拼裝和錯縫拼裝兩種。通縫拼裝是指管片的縱縫對齊，錯縫拼裝要求相鄰管片的縱縫錯開拼裝，拼裝方式的選擇直接影響管片點位的選擇范圍。兩種拼裝方式各有優(yōu)缺點，目前TBM隧道施工中較多采用的是錯縫拼裝。

(2)拼裝點位是指管片拼裝時封頂塊所在位置。為了便于施工，封頂塊一般不能設(shè)置在最下方，動態(tài)排版時需要將這些點位排除。

(3)TBM掘進時以千斤頂?shù)男谐套兓鳛榭刂?。TBM的油缸通常分為上、下、左、右四組。油缸行程差意味著TBM軸線與管片環(huán)方向向量存在偏差，油缸行程差可以從一定程度上反映出TBM和管片環(huán)的姿態(tài)關(guān)系。

(4)TBM施工時，管片拼裝是在TBM后護盾內(nèi)部完成的，TBM護盾內(nèi)壁和管片環(huán)之間存在一定的空隙，稱為“盾尾間隙”。由于施工誤差、地質(zhì)原因等，護盾中心線和管片環(huán)中心線總會有一定的偏差。如果盾尾間隙過小，容易導(dǎo)致護盾和管片產(chǎn)生干擾，造成管片錯臺和破壞。管片拼裝時必須考慮點位選擇對盾尾間隙的影響，避免出現(xiàn)盾尾間隙過小的情況。

5.2 各影響因素的計算方法

(1)一般情況下，封頂塊只有一組環(huán)向螺栓，其他塊有三組環(huán)向螺栓。通縫拼裝就是要求相鄰兩環(huán)的封頂塊位置和3的模數(shù)相等；錯縫拼裝就是要求相鄰兩環(huán)的封頂塊位置和3的模數(shù)不相等。比如，第i環(huán)的封頂塊位于0號位，第i+1環(huán)的封頂塊位于0，3，6……就是通縫拼裝，不位于0，3，6……就是錯縫拼裝。拼裝模式確定后，采用模數(shù)(mod)可以很容易地排除不能選用的點位。

(2)管片環(huán)的設(shè)計參數(shù)確定后，(底部)禁用的點位是確定的，可以直接排除。比如，對于6+1塊的管片環(huán)，共有19(6×3+1=19)個點位，一般地，8、9、10幾個點位不使用。

(3)油缸行程差計算較為簡便，直接以左側(cè)油缸行程-右側(cè)油缸行程就可以得到水平油缸行程差，以上部油缸行程-下部油缸行程可以得到豎直油缸行程差。

5.3 控制原則

TBM施工中，管片的排版拼裝是一個非常重要的環(huán)節(jié)，影響到TBM掘進機的后續(xù)施工和隧道最終的成型質(zhì)量。隧道施工時通過一系列管片的首尾聯(lián)接來擬合隧道設(shè)計路線。管片排版拼裝過程中，盾尾間隙、油缸行程差是需要考慮的排版影響因素，即保證盾尾間隙，調(diào)節(jié)油缸行程差來協(xié)調(diào)TBM掘進機的正常掘進。

管片排版的基本原則是：

(1)正常施工中，保證盾尾間隙大于一個閾值。

(2)掘進過程中，油缸的行程差不能太大。

(3)確保隧道結(jié)構(gòu)路線和設(shè)計路線偏差不能超過規(guī)定值。

5.4 動態(tài)排版

5.4.1 第0環(huán)

第0環(huán)拼裝時，邊界條件較簡單，可以人工選擇。基本原理是將管片環(huán)起始面和末端面的中心點都放置在路線上，此時誤差是最小的。在給定隧道管片拼裝的起點樁號后，可以確定第0塊管片的x，y，z，l，m，n，對于管片的封頂塊位置k，可以任意選擇(根據(jù)測試，第0塊k的取值對整個隧道的排版影響不大)。

此外，當(dāng)管片環(huán)因施工出現(xiàn)異常，但又不需要進行隧道路線糾偏時，在不影響隧道使用功能的情況下，可以重新在“正確”的設(shè)計路線上開始排版，重新開始的第0'塊也按上述方式確定。

5.4.2 第i環(huán)排版

根據(jù)管片排版的基本原則，在已知行程差不太大的情況下，既要考慮盾尾間隙，又要考慮管片相對于隧道設(shè)計路線的偏差，可以設(shè)置一個綜合函數(shù)進行控制，并設(shè)置不同的權(quán)重參數(shù)進行調(diào)整。

設(shè)Δhi、Δvi分別為第i環(huán)盾尾間隙水平和豎直方向的偏差，Δdi為第i環(huán)管片末端面中心點距離路線的偏差，第i環(huán)管片動態(tài)拼裝的問題等價于在封頂塊可以拼裝的點位取值范圍內(nèi)，求下式的最小值：

Δ(k)=γ1Δh2+γ2Δv2+γ3Δd2

式中，γ1、γ2、γ3分別為對應(yīng)的權(quán)重控制系數(shù)。

Δhi、Δvi、Δdi均可在第i-1環(huán)的基礎(chǔ)上進行計算。如此循環(huán)，即可對整個隧道進行動態(tài)排版。

6 管片管理BIM模型

隧道管片施工時產(chǎn)生很多數(shù)據(jù)，由于隧道工程是線形工程，在施工過程中，這些數(shù)據(jù)對后續(xù)施工有重要的參考價值。施工完成時，這些數(shù)據(jù)可以為編寫竣工資料提供便利；后期運營時，這些數(shù)據(jù)將是運營、維護的基礎(chǔ)資料。因此，施工時如實將施工信息記錄下來，是管片管理BIM模型的重要工作。

本軟件記錄的數(shù)據(jù)包括管片環(huán)的幾何數(shù)據(jù)、類型、施工時間、地質(zhì)信息等。本軟件具有可擴展性，還可以記錄施工進度、TBM推力、掘進速度、扭矩、施工異常等信息。

總而言之，管片管理BIM模型是一個基于三維可視化的數(shù)據(jù)平臺，可以很方便地進行包括幾何信息和附加信息在內(nèi)的各種信息的可視化查詢與管理。

7 軟件開發(fā)

本軟件的核心是在考慮隧道設(shè)計路線、管片參數(shù)的前提下，動態(tài)地進行管片選型，并實時記錄施工信息以便后期應(yīng)用。軟件使用需要可視化，方便操作，便于后期擴展。軟件動態(tài)排版界面見圖2，動態(tài)排版效果見圖3。

本軟件采用Microsoft Visual Basic 6.0為編程語言，開發(fā)軟件環(huán)境為Windows、CATIA、AutoCAD。軟件主要功能如下：

(1)通過讀取AutoCAD平縱圖，生成路線參數(shù)。

(2)通過讀取緯地軟件平縱參數(shù)文件，生成路線參數(shù)。

(3)對管片信息進行編輯和管理，生成對應(yīng)的三維模型。

(4)施工前，對管片進行預(yù)排版，檢查管片參數(shù)、路線參數(shù)的合理性，進行可視化展示。

(5)施工過程中，根據(jù)實測管片位置和姿態(tài)，盾尾間隙、油缸行程差動態(tài)選定管片。

(6)軟件設(shè)置后臺數(shù)據(jù)庫，根據(jù)施工情況進行實時記錄管片信息。工程完工時即可生成包含周邊地質(zhì)條件在內(nèi)的管片竣工信息，進行各種查詢、定位，為后期隧道管片維護提供基礎(chǔ)信息。

圖2 軟件動態(tài)排版界面

8 結(jié)論及展望

基于上述分析，筆者開發(fā)出一套TBM隧道管片排版BIM軟件，在DXL隧道TBM施工中進行了試點應(yīng)用，取得了一定的效果，該軟件已申請軟件著作權(quán)登記。根據(jù)軟件開發(fā)和軟件使用期間的經(jīng)驗，有如下結(jié)論和建議。

(1)TBM隧道施工、盾構(gòu)隧道施工等機械化施工方式為隧道工程信息化提供了良好的條件。隨著粗放型施工向精細化施工轉(zhuǎn)型，隧道BIM系統(tǒng)的研究、應(yīng)用將會有更深入的發(fā)展。

(2)本軟件解決了隧道設(shè)計路線、管片參數(shù)的輸入，管片預(yù)排版，動態(tài)排版，后期管片信息管理等一系列問題，在個別項目試點應(yīng)用效果良好，具有一定的推廣價值。

(3)本軟件編制過程中主要從設(shè)計角度考慮，忽略了施工現(xiàn)場的一些數(shù)據(jù)。下一步將采用傳感器、視頻攝像頭等技術(shù)設(shè)備，增加諸如TBM施工進度、推力、掘進速度、扭矩、出渣(地質(zhì)情況)、施工異常情況等信息。

(4)目前隧道管片有關(guān)研究主要集中在管片動態(tài)排版和TBM導(dǎo)向兩個方面。本軟件解決了TBM位置、姿態(tài)確定條件下的動態(tài)排版問題，沒有涉及管片、油缸行程差對TBM的影響。下一步，需要結(jié)合管片動態(tài)排版和TBM導(dǎo)向兩個問題來進行更深入地討論。