隧道盾构掘进过程仿真系统的研究与实现

康盛 李菊 华雪赉 李培培

(1.上海电气自动化设计研究所有限公司，上海 200023;2.上海市建设工程管理有限公司，上海 200031)

0 引言

目前，城市地下空间的开发和隧道网络的不断完善，使得隧道施工现象大量涌现，盾构法是其施工的核心技术。盾构施工的工程量大、结构复杂、施工工序多，仅依靠设计人员采用传统的方法计算，不利于制定合理可行的施工进度和施工组织设计方案;同时，随着隧道施工的愈发复杂，施工过程中如果引发地面塌陷，拱起等事故，对城市地面交通及相关施工建筑的交叉影响后果不言而喻［1］，可能造成较大的人身伤亡和财产损失，社会影响巨大。因此，对隧道盾构挖掘过程进行研究的重要性不言而喻。

本文把计算机动态仿真技术应用到隧道盾构挖掘过程的仿真实现中，模拟隧道施工过程及相关风险和引起的后果，为风险控制提供辅助决策手段，对于保证隧道施工的顺利进行，提高隧道施工过程的科学化管理水平都具有重要的作用和实用价值。

1 系统总体架构

1.1 仿真场景设计与搭建

虚拟隧道及三维漫游场景的搭建为盾构掘进仿真系统的实现提供了重要的环境基础。系统以Microsoft Visual Studio(2005版本)为开发平台，集成SGI公司的Open Inventor(6.0版本)三维开发包。Open Inventor是构筑在OpenGL三维图形接口之上的通用的商业化三维开发包，不仅实现对象的造型、属性描述、动画表现等一系列功能，同时支持面向对象的设计方法，可以实现对图形对象造型和其操作的绑定，并提供多种文件格式接口，实现与不同三维造型软件的集成。借助这个技术成熟、功能强大、使用广泛的软件开发平台，能够高效地开发、调试基于Open Inventor的三维软件，并方便地进行仿真结果的可视化显示。具体建模过程如下图1所示。首先，利用具有VRML文件输出接口的SolidWorks三维造型软件——进行系统对象的几何建模;然后以VRML文件格式输出;最后，通过Open Inventor中的VRML接口读取VRML文件以及使用Open Inventor直接构建三维对象模型，并将其转化为场景组成节点，从而建立了系统的三维虚拟场景。

图1 图形建模与模型驱动过程

1.2 系统功能结构

仿真系统的功能包括以下四个部分，其总体功能结构如图2所示。

具体功能描述如下;

(1)基本数据模块提供相关的初始数据，包括隧道基本参数;依据隧道盾构结构状况建立的CAD模型，为搭建仿真场景提供模型基础;结合探测点数据，给出掘进全线区域采样点的土质类型数据等。

(2)仿真模拟模块主要搭建仿真平台和创建仿真场景。创建三维仿真场景，合理组织各个场景结构的层次;搭建仿真平台，组织好仿真模型和场景中的数据交换;建立仿真数学模型;整理盾构掘进相关参数，建立它们和环境变化的数学关系模型，实现隧道内自由漫游仿真及同步掘进仿真，并依据建立的数学模型实现掘进过程的土层土质类型的可视化仿真。

图2 盾构掘进仿真系统功能结构

(3)统计分析模块计算和评估地表沉降和曲率参数。通过仿真数学模型计算出地表沉降变化值和曲率变化量，并实现和上位组态控制系统的双向反馈以评估和控制实际施工过程。

(4)远程通信模块的功能是从模拟实际操作台的组态控制软件发出命令，经由以太网处理传输到仿真系统。仿真系统接收到从组态控制系统发来的控制命令，作出相应的动作，并把系统仿真的结果反馈给组态控制软件以控制实际施工。

2 仿真数学模型的建立

2.1 隧道拟合场景

依据隧道实际走向，给出一系列轴线上离散点坐标值作为轴线值，即

(xi，yi，zi)i=0，1，2，…，n，其中，(x0，y0，z0)、(xn，yn，zn)分别为隧道的起点和终点，x正方向为隧道掘进方向。则隧道轴线方程为

其中，采用最小二乘法可确定参数ay、az，且有

式中的 Yi、Zi(i=1，2，…，n-1)如下

沿曲线所定义的轴线，调用OpenInventor的相关接口函数实现在仿真场景中隧道模型的实时绘制。

2.2 土层土质仿真模型

结合勘探点土层、土壤物理结构探测数据，通过插值计算求解盾构掘进全线区域土壤土质结构状况。

1)探测点采样土质

上海地区位于长江三角洲冲积平原的东南前缘，成陆较晚。本系统工程位于上海市区外环线西侧，根据上海市《岩土工程勘察规范》所附上海市地貌类型图，拟建场地属滨海平原地貌类型［4］。根据每钻土层、土质特性，进行纵向和横向的数值拟合，得到隧道施工全程工作面采样土质特征，如下表1所示。

2)根据最相似原理，插值计算全程土质类型

设有任意位置(x，y，z)，计算其土质属性方法如下:采用最近属性值的计算方法，寻找距离输入点最近的属性参数，取其土质属性值，作为该位置的属性值。每钻探测点土层参数，作为插值计算的初始数据。土质数据文件说明样本(x、y、z坐标代表采样点坐标值，最后一列代表对应的土质类型)如下表2所示:

表1 采样数据及土质类型

根据最相似原理，按最近原则对任意点的土质状况采用插值方法获得土层中任意点土质状况。跟随掘进过程用移动的矩形墙(墙壁网格数据采用21*21节点)表达盾构掘进过程中当前位置处的周围土质状况，并通过数据可视化模块绘制通过颜色表达的云图来仿真土质的渐变效果。移动矩形各节点土质属性的计算过程如下:

输入:采样点土质数据。各个采样点数据为(xi，yi，Zj)(i=1，2，……，n)，各个点土质号:Tui(i=1，2，……，n)。

输出:每个当前位置的矩形墙网格节点土质数据。

(1)for循环计算盾构掘进方向的轴向位置，即隧道轴向X坐标位置;

(2)for循环计算当前轴线位置处矩形网格节点位置;

(3)for遍历矩形墙每个节点，计算其节点土质类型;

①设当前节点坐标位置为(x，y，z)，最小距离初始值 Dmin=9 000;

②for矩形墙每个网格节点do

④if D＞Dmin，直接进入下一重循环;

⑤end if

⑥ 更新Dmin=D，土质编号L=Tui;

⑦end for

(4)end for

(5)end for

经过上述插值计算后，可求得不同深度处土层土质类型的数据表达。

表2 土质数据样本

2.3 地表沉降计算模型

设当前盾构机的位置坐标为(x，y，z)，x向为盾构掘进方向，横向为y向，竖直为z向，路面观察点距离隧道轴线的三个方向的距离分布为:Dx、Dy、Dz，采用 Peck 公式［4-5］，则地面沉降量为:

其中，Smax为隧道上方的最大沉降量，Vloss为盾构隧道单位长度土体损失量(m3/m)。η为体积损失率，一般情况下，粘性土层η=1.3% ～2.5%，砂层 η =0.15% ～1.3%;R 为隧道半径(m)。i为地面沉降槽宽度系数(m)，即沉降槽曲线拐点离隧道轴线的水平距离，计算i经验公式，其中，Dz为隧道轴线距离地面的深度(m);n=0.8 ～1.0，土质越软，n取值越大。

计算最大沉降量的算法描述如下:

输入:隧道半径R，当前盾构掘进位置坐标(x，y，z):

输出:当前盾构位置处的地表最大沉降量。

(1)计算路面观察点距离隧道轴线的三个方向的距离(坐标值差):Dx、Dy、Dz(均为正值)

(2)设置 n=0.8 ～1.0

(3)设置体积损失率:粘性土层 η=l.3% ～2.5%，砂层 η=0.15% ～1.3%;

(4)for某断面的所有数据点;

(6)计算单位长度土体损失量Vloss=ηπR2;

(8)修正经验参数i和Vloss;

(9)end for

(10)返回最大沉降量。

3 仿真系统应用效果

本系统研究以上海虹桥综合交通枢纽仙霞西路新建工程为应用背景，实验相关数据由上海岩土工程勘察设计研究院提供。系统开发的硬件平台:Pentium IV2.4GHz CPU，DDR1G内存;软件环境:Windows XP，OpenInventor 6.0 以上，Visual Studio2005 及Solidworks2007，系统仿真实现了隧道场景的三维重建及隧道内自由漫游;通过上位组态控制软件的同步控制实现了盾构掘进过程的动态仿真及周围土质数据的实时模拟;实现盾构掘进过程中地表沉降状况的实时曲线显示;并向上位组态控制软件反馈土质状况的改变并动态仿真变化了的盾构机掘进状态。该系统模拟了盾构掘进全过程的动态仿真及周围土质变化状况，同时根据计算结果为组态控制软件提供模型支持，反馈环境变化，及时调整掘进参数，为隧道盾构掘进过程的风险控制提供决策手段。经试运行验证，满足了该工程项目的隧道掘进现场施工要求，地表变形计算结果与现场实测数据在误差范围之内，说明了该仿真技术及仿真模型的可行性。系统仿真过程结果显示如下图3所示。

图3 系统仿真结果

4 结束语

根据隧道盾构的实际施工过程，以上海虹桥综合交通枢纽工程为依托，运用基于Open Inventor的MFC框架完成了对隧道盾构掘进的系统建模以及动态过程仿真，实现对隧道各对象模型的三维重建，完成对盾构掘进过程中周围土质类型的实时计算和可视化仿真，模拟了施工区域地表变形的沉降变化并向上位组态控制系统进行双向反馈。仿真界面友好结果直观，仿真结果表明，仿真系统实现了隧道盾构施工的全过程仿真，能为实际施工过程中土体变形的分析控制提供良好的参考依据，为隧道施工的风险控制提供辅助决策手段，具有一定的研究意义。

［1］钟登华，刘东海.大型地下洞室群施工系统仿真理论方法与应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.

［2］尚国庆，冯伟.超大型泥水平衡盾构施工的三维非线性模拟［J］.上海大学学报，2009，15(5):541-542.

［3］罗岚，申明亮等.穿黄隧洞盾构施工进度仿真研究［J］.中国农村水利水电，2008(1):75-77.