基于結(jié)構(gòu)安全的水工隧洞施工仿真系統(tǒng)研究

張玉賢，張繼勛，任旭華，王天興

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 研究背景

水工隧洞施工系統(tǒng)內(nèi)部各部分之間相互制約又相互聯(lián)系，導(dǎo)致隧洞在施工過程中難以確定合理的進(jìn)度計(jì)劃，隧洞開挖過程圍巖穩(wěn)定、初期支護(hù)以及襯砌的安全情況無法直觀地確定，因此進(jìn)行較準(zhǔn)確的施工進(jìn)度仿真與施工期結(jié)構(gòu)安全狀況判定的研究尤為重要。針對(duì)施工進(jìn)度仿真問題，Halpin[1]首先提出了循環(huán)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(cycle operation network，即CYCLONE)，對(duì)循環(huán)施工過程進(jìn)行模擬的同時(shí)，也考慮了時(shí)間分布的隨機(jī)性。鐘登華[2]率先將循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)應(yīng)用于隧洞施工仿真。胡連興[3]采用系統(tǒng)仿真方法，對(duì)亞碧羅地下洞室群的施工仿真及網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度進(jìn)行了研究。Wang等[4]考慮施工環(huán)境的變化對(duì)參數(shù)的影響改進(jìn)了碾壓土石壩施工進(jìn)度仿真的精確性。王曉玲等[5]將CATIA(computer aided three-dimentional interactive application)引入到引水隧洞施工進(jìn)度可視化中，提高施工進(jìn)度仿真效率。余佳等[6]考慮隧洞施工過程中的機(jī)械故障對(duì)CYCLONE模型進(jìn)行了改進(jìn)。從目前成果來看，大部分隧洞施工進(jìn)度仿真只是考慮開挖環(huán)節(jié)為仿真工序，而將襯砌、灌漿等工序作為非仿真工序，并且模型信息不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)讀取。針對(duì)施工過程中結(jié)構(gòu)安全，江權(quán)等[7]將智能科學(xué)引入地下工程施工過程，通過開挖與支護(hù)優(yōu)化對(duì)地下洞室施工過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行控制；Zhang等[8]對(duì)橋梁建筑建立了集成結(jié)構(gòu)分析與施工管理的信息模型；南軒等[9]對(duì)某隧洞開挖過程中應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行模擬，并以隧洞圍巖應(yīng)力應(yīng)變?yōu)槟繕?biāo)，對(duì)隧洞尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述研究考慮了不同的條件模擬施工期的結(jié)構(gòu)安全狀況，但沒有將施工進(jìn)度與結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行結(jié)合。撒文奇等[10]通過將數(shù)值模型分組建立地下洞室群的信息模型，將支護(hù)信息以等效參數(shù)的形式反饋到圍巖中，實(shí)現(xiàn)了地下洞室群開挖過程中圍巖穩(wěn)定情況判斷。Zhang等[11]通過網(wǎng)格映射法建立了大壩等上部工程動(dòng)態(tài)的施工信息模型。

隨著BIM(building information modeling)技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)成為工程全生命期信息傳遞的重要手段。如羅通等[12]基于CAA實(shí)現(xiàn)CATIA的二次開發(fā)完成渠道的三維設(shè)計(jì)研究，很大程度上提高了設(shè)計(jì)效率；陳國良等[13]以IFC格式為基礎(chǔ)建立了IFC-3DgeoMdl模型，將地質(zhì)體中不同地質(zhì)情況以及相互關(guān)系以數(shù)據(jù)的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。本研究以引水隧洞作為對(duì)象，依托CATIA平臺(tái)，開展基于可視化技術(shù)的水工隧洞施工進(jìn)度仿真理論和施工期結(jié)構(gòu)安全與反饋的研究，為水工隧洞建設(shè)提供參考。

2 基于CATIA的水工隧洞三維模型

2.1 引水隧洞三維幾何模型

三維基礎(chǔ)模型不僅包含建筑物幾何信息還要包含施工信息如斷面樁號(hào)及斷面面積等。水工隧洞建模是施工進(jìn)度可視化仿真的基礎(chǔ)，在幾何模型建立的過程中，水工隧洞的開挖、襯砌、灌漿以及噴錨支護(hù)等模型，存在著較高的重復(fù)利用率和較多的修改次數(shù)，甚至在各種相似工程中也可以得到利用[14]。骨架技術(shù)整體思想是先整體規(guī)劃，后局部細(xì)化設(shè)計(jì)。在對(duì)引水隧洞進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)已知的工程資料在CATIA中定位出隧洞軸線的起點(diǎn)和終點(diǎn)及軸線轉(zhuǎn)折點(diǎn)，得到隧洞軸線的具體位置，在創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊中按照各條隧洞的空間位置關(guān)系運(yùn)用點(diǎn)、折線等命令生成骨架元素。

引水隧洞的斷面形式和尺寸與圍巖穩(wěn)定條件、水力條件及施工條件有關(guān)，設(shè)計(jì)中可能會(huì)發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)過程中要不斷地調(diào)整以適應(yīng)不同的設(shè)計(jì)方案。參數(shù)化設(shè)計(jì)概念可用如下公式表示[15]。

F(D，X)=0

(1)

式中：F(f1,f2,…,fn)為一系列參數(shù)方程；D(d1,d2,…,dn)為F函數(shù)中的變量，表示模型特征之間的約束關(guān)系，比如相鄰軸線的距離等；X(x1,x2,…,xn)為F函數(shù)中的變量，表示模型幾何尺寸、位置以及特征點(diǎn)的坐標(biāo)。

知識(shí)工程包括知識(shí)工程規(guī)則和知識(shí)工程陣列。知識(shí)工程規(guī)則是一種類似于程序代碼的語言。首先繪制隧洞不同斷面的輪廓形狀，通過知識(shí)工程規(guī)則進(jìn)行判斷從而確定隧洞斷面形狀，利用知識(shí)工程可以通過函數(shù)建立隧洞施工信息，例如通過AREA( )函數(shù)確定隧洞施工斷面面積等。知識(shí)工程陣列是由條件語句(IF)和循環(huán)語句(FOR)組成的，通過用戶編寫的要求可以重復(fù)生成特定的形狀。利用參數(shù)化和知識(shí)工程技術(shù)可以建立隧洞開挖、襯砌、灌漿及錨桿支護(hù)的模板工程。圖1展示了馬蹄形斷面隧洞的設(shè)計(jì)流程。

2.2 CATIA二次開發(fā)技術(shù)

為了進(jìn)行進(jìn)度仿真計(jì)算，需要將建立的三維基礎(chǔ)模型中幾何及施工信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，本文通過CATIA的二次開發(fā)技術(shù)得到模型參數(shù)及施工信息。編程訪問CATIA對(duì)象有兩種方法，進(jìn)程內(nèi)和進(jìn)程外。進(jìn)程內(nèi)是指通過編寫VBScript腳本、CATScript腳本、VBA(visual basic application)腳本后，在CATIA中通過運(yùn)行這些腳本來執(zhí)行命令[16]。進(jìn)程外訪問是指程序運(yùn)行不由CATIA調(diào)用，在外部編寫程序后，通過COM(component object model)接口調(diào)用CATIA，并執(zhí)行命令，在這個(gè)過程中CATIA僅作為一個(gè)外部OLE(object linking and embedding)自動(dòng)化服務(wù)器[17]。

圖1 馬蹄形斷面隧洞設(shè)計(jì)流程圖

本文利用VB.NET通過進(jìn)程外的OLE自動(dòng)化對(duì)象來操作CATIA，首先利用ADO(activex date object)技術(shù)將VB.NET與Access數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，利用VB.NET對(duì)當(dāng)前活動(dòng)的CATIA文件進(jìn)行訪問，依次讀取各個(gè)部件的信息，并將讀取的信息全部保存到數(shù)據(jù)庫中，作為施工仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中部分代碼如下：

Dim Doc AsPartDocument

Doc = CATIA.ActiveDocument

“VB.NET連接到當(dāng)前活動(dòng)的CATIA文件”

Dim Sdnumber As Parameter

Sdnumber = Pmts.Item("隧洞編號(hào)")

“獲得隧洞的體型參數(shù)”

rswangluo.Open("select * from 網(wǎng)絡(luò)關(guān)系", con, 3, 3)

“將獲取的信息存入仿真數(shù)據(jù)庫”

3 水工隧洞施工進(jìn)度仿真技術(shù)

3.1 水工隧洞施工仿真原理

對(duì)水利水電工程施工管理系統(tǒng)而言，研究施工過程中的工序施工狀況，將其作為離散系統(tǒng)已經(jīng)足夠[18]，離散系統(tǒng)采用“仿真鐘”的手段來體現(xiàn)時(shí)間的推進(jìn)。在動(dòng)態(tài)仿真的過程中運(yùn)用時(shí)間步長法，其規(guī)定采用某一單位時(shí)間為增量Δt，根據(jù)時(shí)間的進(jìn)展，逐步地對(duì)系統(tǒng)活動(dòng)進(jìn)行判斷及模擬。施工全過程的模擬中，時(shí)間步長不發(fā)生變化，根據(jù)各種工序間的關(guān)系確定工程施工的初始狀態(tài)作為系統(tǒng)狀態(tài)的零點(diǎn)。模擬鐘從零點(diǎn)開始增加規(guī)定的時(shí)間步長，并判斷該過程中有無事件發(fā)生，如果有，則將Δt的終止時(shí)刻作為事件的發(fā)生時(shí)刻，并改變此時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，如果在“模擬鐘”推進(jìn)的時(shí)間內(nèi)任何工序的狀態(tài)都沒有發(fā)生變化，則系統(tǒng)狀態(tài)也不變化[9]。離散系統(tǒng)仿真流程如圖2所示。

圖2 離散系統(tǒng)仿真流程圖

3.2 水工隧洞施工仿真模型建立

水工隧洞施工是一個(gè)復(fù)雜的過程[19]。為了更加準(zhǔn)確模擬施工過程以及降低進(jìn)度仿真模型的復(fù)雜程度，依據(jù)層次化、模塊化的建模思想，將水工隧洞施工全過程分為兩個(gè)層次：控制層模型和實(shí)施層模型。其中控制層根據(jù)CPM網(wǎng)絡(luò)模型原理為所有工序制定緊前緊后關(guān)系，構(gòu)成施工計(jì)劃表，計(jì)劃表中的節(jié)點(diǎn)采用CYCLONE模型，分別建立不同施工工序的進(jìn)度仿真計(jì)算子程序，由此構(gòu)成一個(gè)分層次的整體模型。隧洞施工的過程是由開挖、灌漿、襯砌等工序模塊反復(fù)循環(huán)的過程，每一個(gè)模塊又有多種工序組成，比如開挖模塊由鉆孔、爆破、通風(fēng)散煙、安全檢查等工序組成，在系統(tǒng)仿真的過程中，每種工序的施工方法、施工參數(shù)不變。CPM網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃模型對(duì)應(yīng)著隧洞施工過程中的每個(gè)工序模塊，它是施工進(jìn)度的基礎(chǔ)，CYCLONE模型是CPM網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃模型的實(shí)施，對(duì)應(yīng)著模塊的具體工序，本文主要考慮開挖、襯砌、灌漿的模塊。

隧洞仿真參數(shù)來源復(fù)雜，受到多種因素的影響。模型參數(shù)的準(zhǔn)確性與可靠性直接影響仿真計(jì)算的結(jié)果。由于隧洞施工條件復(fù)雜、工序繁多，難以準(zhǔn)確地估計(jì)出每種工序的參數(shù)大小，本文考慮的模型參數(shù)類型有確定型、隨機(jī)型。確定型參數(shù)如施工機(jī)械參數(shù)、隧洞斷面尺寸等，參數(shù)在施工過程中不會(huì)發(fā)生變化。隨機(jī)型參數(shù)有自卸汽車卸渣時(shí)間、裝載機(jī)裝渣時(shí)間等，根據(jù)其不同的分布類型[16]，生成隨機(jī)數(shù)，利用反函數(shù)的方法確定施工工序的完成時(shí)間。

3.3 施工進(jìn)度可視化

進(jìn)度計(jì)算結(jié)束后，建立進(jìn)度數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存仿真計(jì)算結(jié)果，利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)將施工進(jìn)度仿真后的數(shù)據(jù)賦予到三維幾何模型中，以初期支護(hù)為例，本文考慮在出渣完成后即時(shí)支護(hù)。在查詢施工期某天的施工面貌時(shí)，從數(shù)據(jù)庫中讀取仿真計(jì)算結(jié)果，判斷該天開挖工序累計(jì)施工進(jìn)尺與所有錨桿模型的位置關(guān)系，將在累計(jì)施工進(jìn)尺范圍內(nèi)的錨桿激活。利用上述原理，可將開挖、襯砌及灌漿等工序的施工進(jìn)度進(jìn)行直觀展示。并且利用BIM建模軟件參數(shù)化等特點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，動(dòng)態(tài)地改變模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)施工狀態(tài)的動(dòng)畫效果。

4 施工期結(jié)構(gòu)安全與進(jìn)度耦合

4.1 施工期結(jié)構(gòu)安全仿真技術(shù)

當(dāng)進(jìn)度仿真結(jié)束后可以建立水工隧洞數(shù)值計(jì)算模型，以此確定施工期的結(jié)構(gòu)安全狀況，由于水工隧洞具有軸線長等特點(diǎn)，為了保證隨進(jìn)度變化的數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性，選取典型段建立水工隧洞局部精細(xì)化數(shù)值模型，即在隧洞施工軸線方向上的單元尺寸盡量滿足單位施工工序的進(jìn)尺的約數(shù)，本次仿真單元長度取為1 m。根據(jù)水工隧洞的特點(diǎn)，將數(shù)值模型按照施工工序分為開挖單元組、襯砌單元組等。采用復(fù)制單元的方法建立支護(hù)單元，對(duì)于錨桿采用桿單元(T3D2)并嵌入(EMBEDDED)整體數(shù)值模型中。

數(shù)值模型建立完成后，需要對(duì)其進(jìn)行處理，按照不同的施工工序與施工進(jìn)尺對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行分組，以開挖工序?yàn)槔?，沿著隧洞軸線方向按照進(jìn)尺的約數(shù)進(jìn)行劃分，處理結(jié)束后將所有單元分組信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中。并將單元組的位置信息(沿著施工軸線方向的分組信息)進(jìn)行儲(chǔ)存，隧洞有限元數(shù)值模型及分組如圖3所示。

圖3 隧洞有限元數(shù)值模型及分組示意圖

圖中“開挖1-1”表示1號(hào)隧洞的開挖工序的第1個(gè)單元組。通過判斷單元組的位置信息與累計(jì)施工進(jìn)尺的關(guān)系可以將單元組施工狀態(tài)劃分為3種：當(dāng)施工累計(jì)進(jìn)尺包含該單元組時(shí)，單元組為已完工狀態(tài)；當(dāng)施工累計(jì)進(jìn)尺不包含該單元組時(shí)，單元組為未施工狀態(tài)；當(dāng)累計(jì)施工進(jìn)尺不完全包含該單元組時(shí)，單元組為正在施工狀態(tài)。

當(dāng)進(jìn)行工期內(nèi)某天的數(shù)值計(jì)算時(shí)，判斷該天的施工累計(jì)進(jìn)尺，利用SQL語言搜索數(shù)據(jù)庫中小于該進(jìn)尺的單元，并根據(jù)施工工序進(jìn)行儲(chǔ)存，即將所有開挖單元儲(chǔ)存至E-REMOVE單元組，將所有支護(hù)單元儲(chǔ)存至E-ADD單元組中，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的“殺死”或“激活”處理。

數(shù)值計(jì)算采用ABAQUS進(jìn)行，系統(tǒng)為后臺(tái)調(diào)用軟件計(jì)算內(nèi)核，采用PYTHON語言對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)。對(duì)ABAQUS二次開發(fā)主要有兩種形式，一種對(duì)INP文件進(jìn)行操作。一種對(duì)CAE進(jìn)行操作，在進(jìn)行施工期單元狀態(tài)查詢時(shí)，對(duì)INP文件操作需要不斷地改變的文件內(nèi)容且對(duì)于施工期任意一天需要重新判斷單元位置與累計(jì)施工進(jìn)尺的關(guān)系，消耗大量時(shí)間。本系統(tǒng)將所有單元組全部存儲(chǔ)于INP文件后對(duì)CAE進(jìn)行操作，將模型邊界條件、分析步以及荷載等通過編程對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行處理，后臺(tái)調(diào)用ABAQUS內(nèi)核進(jìn)行計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)束后的ODB文件編寫腳本進(jìn)行訪問，提取工程師希望的數(shù)據(jù)以及云圖進(jìn)行展示。

4.2 施工期支護(hù)參數(shù)反饋分析技術(shù)

數(shù)值計(jì)算結(jié)束后，為使結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)施工進(jìn)行反饋，需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，本文主要以計(jì)算得到圍巖數(shù)據(jù)以及錨桿數(shù)據(jù)對(duì)施工錨桿的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。利用BIM建模軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)將新的錨桿支護(hù)導(dǎo)入前處理軟件進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾?，重新?dǎo)入無錨桿的數(shù)值模型中。為減少對(duì)數(shù)值模型的處理時(shí)間，支護(hù)參數(shù)反饋分析中不再對(duì)數(shù)值模型按照施工軸線方向分組處理，僅將數(shù)值模型按照施工工序劃分為開挖、噴層、錨桿、襯砌等單元組。在數(shù)據(jù)庫中建立節(jié)點(diǎn)信息數(shù)據(jù)庫，包含節(jié)點(diǎn)編號(hào)以及對(duì)應(yīng)的X、Y、Z坐標(biāo)；單元信息數(shù)據(jù)庫包含單元編號(hào)、每個(gè)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、單元的樁號(hào)信息以及單元所屬的單元組。通過判斷累計(jì)施工進(jìn)尺與單元樁號(hào)的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)單元的處理。將已經(jīng)開挖的單元進(jìn)行“殺死”，已經(jīng)施工的支護(hù)單元進(jìn)行“激活”。

依據(jù)上述原理，對(duì)ABAQUS的INP文件進(jìn)行處理，INP文件由關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)行組成，包含數(shù)值模型所有的節(jié)點(diǎn)、單元以及單元分組信息，并且有固定的格式。通過對(duì)INP文件關(guān)鍵字的讀取，利用編程語言自動(dòng)將信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

5 結(jié)合結(jié)構(gòu)安全的引水隧洞施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)開發(fā)目的及運(yùn)行流程

引水隧洞施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是將隧洞施工進(jìn)度與施工期結(jié)構(gòu)安全狀況進(jìn)行直觀地表達(dá)。為工程師提供一個(gè)施工期施工狀態(tài)的數(shù)據(jù)支持，并根據(jù)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)狀況作出的數(shù)據(jù)修改支護(hù)的方案。系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖4所示。

圖4 引水隧洞施工進(jìn)度仿真系統(tǒng)運(yùn)行流程

5.2 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

整個(gè)系統(tǒng)采用VB.NET與PYTHON混合編程技術(shù)。VB.NET進(jìn)行進(jìn)度計(jì)算與系統(tǒng)框架的編寫，PYTHON主要對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)[20]，通過編寫腳本進(jìn)行調(diào)用，整個(gè)系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)有限元計(jì)算的界面。通過向?qū)讲僮?，用戶可以?jì)算出隧洞施工進(jìn)度進(jìn)而得到工期內(nèi)任意一天的施工面貌，輸入材料的物理參數(shù)后可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況，為隧洞的設(shè)計(jì)、施工提供良好的交互平臺(tái)。

6 工程實(shí)例

以某一引水隧洞為例，選取典型段建立模型，隧洞總長為300 m，斷面形式為馬蹄形斷面，幾何模型見圖5(a)，隧洞施工采用鉆爆法，由開挖、襯砌、灌漿等工序反復(fù)循環(huán)完成。本次仿真的開挖工序中測(cè)量、裝藥爆破、安全檢查服從均勻分布，自卸汽車卸渣服從指數(shù)分布，裝載機(jī)裝渣時(shí)間服從正態(tài)分布，通風(fēng)散煙及安全檢查均取平均0.5～1.0 h，考慮開挖后即時(shí)噴錨支護(hù)。施工開始時(shí)間為2019年1月1日，開挖進(jìn)尺為5 m/d，錨桿的間距為1.2 m，排距為1.5 m。在系統(tǒng)中輸入施工參數(shù)，施工過程中若發(fā)生突發(fā)事件，在系統(tǒng)中可以加入突發(fā)事件的處理事件，當(dāng)機(jī)械參數(shù)發(fā)生變化后，將此時(shí)已經(jīng)計(jì)算結(jié)束的結(jié)果保存至數(shù)據(jù)庫中，重新在系統(tǒng)中輸入機(jī)械參數(shù)計(jì)算施工進(jìn)度情況，經(jīng)進(jìn)度仿真計(jì)算后，完工時(shí)間為2020年5月26日，全部有效工期為365 d，將進(jìn)度仿真結(jié)果存到數(shù)據(jù)庫中，圖5(b)為建立的水工隧洞模型及進(jìn)度仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫。

在系統(tǒng)中，輸入工期內(nèi)的任意1天，可以直觀地查詢?cè)撎斓氖┕っ婷?。也可以以一定的時(shí)間間隔動(dòng)態(tài)地展示施工狀態(tài)。圖6中展示的為不同施工天數(shù)的工序施工狀態(tài)及施工面貌。

通過系統(tǒng)平臺(tái)可以查詢施工期任意一天的結(jié)構(gòu)安全狀況，在界面中輸入材料的物理力學(xué)參數(shù)后自動(dòng)生成腳本文件，采用no GUI的方式調(diào)用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)束后，用戶通過查看結(jié)果可以查詢圍巖位移、錨桿應(yīng)力等參數(shù)從而判斷該天的工程安全情況。各材料的主要物理力學(xué)參數(shù)見表1，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見圖7。

工程人員在設(shè)計(jì)階段結(jié)合系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果可以考慮縮短工期、節(jié)省投資，從而修改錨桿的設(shè)計(jì)方案；施工階段現(xiàn)場(chǎng)工程師根據(jù)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以利用系統(tǒng)計(jì)算改變錨桿支護(hù)方式的結(jié)構(gòu)安全狀況。

表1 各材料的主要物理力學(xué)參數(shù)

圖5 隧洞幾何模型及施工信息

圖6 不同施工天數(shù)的工序施工狀態(tài)及施工面貌展示

圖7 數(shù)值計(jì)算結(jié)果界面

在系統(tǒng)中輸入新的錨桿參數(shù)，包括錨桿間排距、錨桿長度及支護(hù)范圍，間距為1.2 m，排距為3 m，系統(tǒng)自動(dòng)以特定的格式輸出，對(duì)輸出錨桿進(jìn)行劃分單元，此時(shí)不需要對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行大量分組，僅對(duì)INP文件進(jìn)行操作，按照關(guān)鍵字將數(shù)值模型信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫中。表2為數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的字段名及類型。

將新生成的模型導(dǎo)入系統(tǒng)中可以得到新的支護(hù)條件下的結(jié)構(gòu)安全狀況，由圖8可以看出，當(dāng)排距變?yōu)? m時(shí)，圍巖位移僅增加0.001 m，錨桿的最大拉應(yīng)力增加2 MPa，但仍在結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)，因此可以考慮將錨桿排距增加。顯然，利用該系統(tǒng)也可以根據(jù)不同的施工進(jìn)尺制定合理的施工進(jìn)度計(jì)劃。

表2 數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存的字段名及類型

圖8 修改支護(hù)信息

7 結(jié) 論

本文以引水隧洞作為對(duì)象，依托CATIA平臺(tái)，根據(jù)施工仿真的基本原理，對(duì)隧洞開挖、襯砌、灌漿等工序進(jìn)行模擬，并在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)隧洞施工信息獲取、進(jìn)度三維可視化以及施工期結(jié)構(gòu)安全計(jì)算，具體成果與結(jié)論如下：

(1)針對(duì)目前水工隧洞的建設(shè)，引入?yún)?shù)化的設(shè)計(jì)方法和知識(shí)工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型的快速修改及施工信息的儲(chǔ)存，建立了有時(shí)間屬性的水工隧洞三維模型。

(2)以CPM網(wǎng)絡(luò)模型為基本框架，通過調(diào)用開挖、襯砌、灌漿的CYCLONE層模型得到更加精確的施工進(jìn)度計(jì)劃，并利用CATIA二次開發(fā)技術(shù)將進(jìn)度計(jì)劃與三維模型相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示施工面貌。

(3)引入映射概念，將單元組與施工狀態(tài)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，通過對(duì)有限元軟件進(jìn)行二次開發(fā)，動(dòng)態(tài)地查詢施工期結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算狀況。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，調(diào)整相應(yīng)的錨桿參數(shù)，結(jié)合結(jié)構(gòu)安全狀況可以制定合理的施工進(jìn)度計(jì)劃。

(4)通過VB.NET+PYTHON混合編程技術(shù)，為工程各參建方提供了一個(gè)可視化、可查詢、可控制的平臺(tái)。