铁路隧道TBM衬砌断面辅助设计系统设计与实现

何守旺

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

近年来，我国铁路建设正处于高速发展时期，隧道工程作为铁路项目中不可缺少的重要内容，往往成为控制全线工期的重点、难点工程。在建设过程中，有些隧道工点所在区域板块活动强烈、地应力极高，硬岩易发生岩爆、软岩易产生大变形；同时，高烈度地震频发，高地温、深大活动断裂等特殊不良地质问题突出；地形险峻，辅助坑道设置存在困难；自然环境恶劣，建设条件差。为此，对于地质与场地条件适宜，高海拔、辅助坑道条件差、钻爆法施工条件差的长大隧道，优先选用机械化程度最高的TBM法施工[1]。

对于TBM法施工的隧道衬砌设计，由于受围岩级别、地形与地质条件、结构所受不同荷载组合等各种因素的约束，具有设计过程复杂、计算量大、绘图繁杂的特点[2]。设计过程中，数据处理仍然依靠EXCEL表格，绘图利用AutoCAD基本命令CAD出图。目前，我院承担的川藏铁路、西宁至成都铁路、兰州至合作铁路等勘察设计任务中，隧道数量多，部分长大隧道采用TBM法施工。TBM隧道需设计很多不同类型的TBM衬砌断面以满足工程要求，人工绘制断面除花费大量人力和时间以外，还增加了图纸质量控制的难度；且隧道设计时间要求紧迫，依靠传统设计手段将面临严峻的设计压力，在设计要求的时间内可能无法完成，其作业方式与设计效率的矛盾日益凸显。针对隧道工程，已有纵断面设计、洞门设计、一般复合式衬砌设计等相关辅助设计软件可供使用，但对于隧道TBM衬砌断面设计方面，尚未有相关软件的研究与开发。

根据TBM隧道衬砌设计现状，提出利用参数化技术，通过对TBM衬砌断面参数化绘图的主要内容与实现方法进行分析与研究，并在AutoCAD平台上，以ObjectARX二次开发方式研发TBM衬砌断面辅助设计系统，实现参数化绘图。

1 基于参数化绘图技术的铁路隧道TBM衬砌断面设计

参数化技术是随着CAD技术的研究应用而提出，其主要特性是：基于特征、全尺寸约束、全数据关联、尺寸驱动[3]。参数化绘图是参数化技术在工程设计过程中的具体表现形式，将设计图形尺寸与设计条件或设计要求建立关联关系。当设计的外部条件或要求变化时，设计图形相关尺寸便会随之修改，实现驱动图形设计，便于用户设计[4]。将参数化绘图技术应用到TBM衬砌设计中，通过研发辅助设计系统，有助于提高设计效率和质量。

1.1 隧道CAD技术发展历程

隧道CAD技术起源于最初的CAD技术，并随之发展。隧道CAD技术的发展受地下工程理论、CAD技术、计算机技术的影响，主要经历了4个阶段：第一阶段，20世纪70年代末以前，由于计算机应用普及率不高，使得隧道工程与计算机软件科学融合程度较低，仅有隧道工程的科研人员在研究过程中使用通用CAD软件，尚无专业的隧道工程CAD软件可使用[5-6]；第二阶段，20世纪70年代末至90年代初期，随着CAD技术、隧道力学数值方法的发展，隧道工程理论与计算机软件科学结合产生了计算机辅助分析及相关设计数据与文档管理[7]；第三阶段，20世纪90年代至本世纪初，隧道CAD技术开始快速发展，从隧道结构计算、施工进度、洞门、衬砌、纵断面、辅助坑道、工程数量计算等方面引入CAD，形成了智能化、系统化隧道CAD体系[8-10]；第四阶段，自2010年以后，隧道CAD走向集成化、协同化、BIM设计[11-13]。

1.2 隧道TBM衬砌断面参数化绘图研究

铁路隧道TBM衬砌设计由TBM衬砌基本断面拟定、TBM开挖直径、初期支护及二次衬砌设计、仰拱预制块设计、防排水设计、附属构筑物及相关建筑材料计算与统计等主要内容组成。根据TBM衬砌断面设计要求，通常需进行正洞TBM一般段、岩爆段、辅助洞段(预备洞、出发洞、接收洞、检修洞、拆卸洞)、辅助洞岩爆段、辅助洞大变形段、服务隧道一般段、服务隧道岩爆段、服务隧道辅助洞段、服务隧道辅助洞岩爆段、服务隧道辅助洞大变形段的TBM衬砌断面参数化研究。另外，仰拱预制块参数化研究也是非常重要的内容[14]，其设计合理与否，直接关系到仰拱预制块拼装难易程度和衬砌结构受力特性。

1.3 隧道TBM衬砌断面参数化绘图实现方法

为实现铁路隧道TBM衬砌断面参数化设计，需经过以下几步。

(1)分析TBM衬砌断面形式，并对每种形式的组成结构与几何约束关系进行分析。约束分类如图1所示。

图1 约束分类

(2)依据构件拆分原则，将断面形式进行拆分，形成最小组成构件。

(3)对每个构件进行分析，提取该构件的设计参数，并进行参数确认，进而形成TBM衬砌断面形式设计参数。形成的TBM正洞内轮廓设计参数见表1。

(4)根据约束关系确定点坐标表达式，具体指确定绘制图形的几何图元及其之间的约束关系，如：共线、相切、同心、平行、垂直、对称约束、两相交直线间夹角、线段长度、圆弧半径、点点距离、点线距离、线线夹角等[15-16]。

(5)确定构件间的关系，并用约束表示，以此形成整体约束。

(6)编写程序，实现TBM衬砌断面形式参数化。

表1 TBM正洞内轮廓设计参数

2 系统设计与实现

2.1 系统研发需求

根据TBM隧道衬砌设计工作的特点与设计现状，为解决TBM衬砌设计工作量大、调整一点而动全过程的问题，需通过研发辅助设计系统来实现传统设计方式向数字化设计的转变，把大量常规计算、重复繁杂的绘图工作计算机程序化，以此提高设计工效，系统的研发目标如下。

(1)依据《铁路技术管理规程》(2017版)、TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》、铁建设[2007]106号《铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南》、TB/T 10058—2015《铁路工程制图标准》等规范、规程和标准，实现TBM衬砌断面内外轮廓拟定。系统能够在设计人员输入相关技术标准、几何参数、约束信息等控制信息后，分析并计算内外轮廓线，拟定出隧道衬砌基本断面。

(2)在TBM衬砌基本断面基础上，根据地形、地质、结合衬砌类型及施工条件，进行TBM正洞、服务洞衬砌设计，包括初期支护、二次衬砌、仰拱预制块及防排水设计。能够完成单位工程数量计算，绘制出衬砌断面图、剖面图、详图、大样图等。

2.2 系统整体设计

根据系统业务需求和设计流程，将系统划分为4个部分。①设计参数输入：主要实现设计参数的输入，包括基本断面拟定参数、仰拱预制块、喷锚、钢架、二次衬砌配筋、防排水设计等。②核心业务处理：实现几何要素的约束建立，复合式衬砌、仰拱预制块及防排水设计等。③绘图处理：主要实现TBM衬砌断面设计图、剖面图、单位工程数量表格绘制。④工程数量计算：主要实现与TBM衬砌相关的每延米或每榀工程数量。系统流程如图2所示。

图2 系统流程

2.3 系统功能设计

以模块化设计思路，对铁路隧道TBM衬砌断面辅助设计系统的功能模块进行设计，实现功能模块的“高内聚、松耦合”目标[17]。将系统划分为项目设置、TBM衬砌基本断面拟定、TBM衬砌设计、数量计算4个模块，每个模块又有相应的子模块组成。系统组成如图3所示。

图3 铁路隧道TBM衬砌断面辅助设计系统组成

系统的主要功能如下。①项目管理：实现项目信息管理、权限管理、新建项目、打开项目及删除项目操作等。②复合式衬砌支护参数的初始化：设置TBM衬砌的喷锚支护、钢架、二次衬砌配筋等设计参数，实现设计参数的快速输入和全局控制。③TBM衬砌基本断面拟定：为TBM衬砌设计中最基础的部分，在设计人员输入隧道技术标准、隧道建筑限界信息、道床形式、中心水沟及各种管沟、设备布置、线间距信息、接触网悬挂布置方式、高海拔地区绝缘距离、空气动力学效应、设计几何参数、防排水信息、电缆槽信息、轨下结构信息等控制信息后，分析并计算内外轮廓线，拟定隧道衬砌基本断面。在内轮廓的基础上，考虑施工误差、二次衬砌厚度、预留变形量、初支厚度等因素，确定TBM开挖直径。④TBM衬砌设计：实现TBM正洞、服务洞衬砌设计，包括初期支护、二次衬砌、仰拱预制块设计、防排水设计。初期支护包含：喷锚支护、工字钢架、四主筋形格栅钢架、三肢八字结格栅钢架、四肢八字结格栅钢架、H形钢架设计等；二次衬砌设计主要是加强二次衬砌钢筋设计，绘制衬砌断面图、剖面图、详图、大样图与主要单位工程数量表等。⑤仰拱预制块设计：实现仰拱预制块的几何构造、与衬砌轮廓的搭接、相关工程数量计算等。⑥其他附属设施设计：实现防排水、水沟电缆槽设计等。⑦单位工程数量计算：实现与复合式衬砌、型钢钢架、加强二次衬砌配筋设计等相关的每延米或每榀主要工程数量计算。

2.4 系统数据库设计

铁路隧道TBM衬砌断面辅助设计系统由多个模块组成，涉及各组成构件的设计参数、中间计算结果、单位工程数量等大量数据，需采用 SQL server作为后台支持数据库，管理系统的存取数据和内外接口数据，实现数据共享和安全存取。在进行数据库系统结构设计之前，需分析与确定系统涉及的对象及这些对象之间的关系[18-20]。该系统涉及内轮廓、外轮廓、TBM直径、侧水沟、电缆槽、道床、限界、仰拱预制块、中心水沟、钢架、衬砌配筋、防排水等图形对象，这些图形对象之间具有一定关联关系，比如位置关系，TBM衬砌断面图形对象E-R图如图4所示。根据系统E-R图的设计内容，通过对设计对象、属性和关联关系分析，确定出本系统中使用的表和表结构，如基本断面设计参数表、衬砌设计参数表、仰拱预制块设计信息表、防排水设计表、单位工程数量表等。其中，仰拱预制块设计信息见表2， TBM衬砌断面设计信息见表3。

图4 TBM衬砌断面图形对象E-R图

表2 仰拱预制块设计信息

2.5 系统实现

在AutoCAD2014平台上，采用Microsoft Visual Studio作为开发工具，利用ObjectARX 二次开发方式，用C++语言进行开发，数据库管理系统采用SQLServer2008，研发辅助设计系统。系统操作界面如图5、图6所示。

图5 断面拟定界面

图6 复合式衬砌设计界面

3 系统主要特点及应用

铁路隧道TBM衬砌断面辅助设计系统从拟定TBM衬砌基本断面出发，采用参数化技术，通过分析TBM断面基本尺寸信息及相关支护参数，建立了TBM衬砌断面组成构件设计参数、几何约束和工程约束模型，通过人机交互，完成TBM衬砌断面参数化设计。该系统具有以下优势与特点。

(1)基于参数化二维绘图技术的衬砌断面设计：隧道TBM衬砌基本断面拟定是整个TBM衬砌设计中最核心的部分，涉及隧道的建筑限界、受力条件、施工方法等方面。在设计中，采用了参数化的思想，建立了TBM衬砌基本断面拟定的数学模型。在基本断面基础上，以构件的思路、参数化的思想进行TBM正洞、服务洞衬砌设计，包括初期支护、二次衬砌、仰拱预制块及防排水设计。上述衬砌设计剖面、主要尺寸表和主要工程数量表可实时查看。

(2)基于分段射线法的钢架设计：隧道衬砌设计中，将不同的钢架类型(工字钢架、环向构造与八字节构造的格栅钢架、H形钢架)，通过分段射线法建立钢架设计模型与钢架分段的自动对应约束关系，实现钢架的多样设计。

系统完成后，已在川藏铁路TBM隧道设计中进行了应用，辅助专业设计人员完成隧道TBM施工段、辅助TBM施工钻爆法地段的复合式衬砌设计，完成Ⅱ～Ⅵ级围岩TBM施工衬砌断面(其中，Ⅲ级围岩衬砌断面如图7所示)及辅助TBM施工钻爆法断面图、配筋图、钢架图、剖面图、钢筋大样图绘制与主要单位工程数量计算。系统结构合理、功能实用、运行可靠，以参数化手段，完成了隧道TBM衬砌设计，减轻了设计人员在TBM衬砌设计中成图、计算、统计等方面的劳动强度，提高了设计效率，并在实践中逐步实现了标准化、规范化。

图7 Ⅲ级围岩衬砌断面(单位：cm)

4 结语

基于参数化技术的TBM辅助设计系统，通过对TBM衬砌的几何约束与工程约束进行描述，构建了TBM衬砌参数化模型，实现了参数化设计。设计人员只需根据实际需要，输入设计参数，即可实现自动化绘图。在某高原铁路中的实际应用表明，该系统符合隧道专业设计的实际需求，实现了常规计算和重复绘图工作计算机程序化，减轻了设计人员的劳动强度，提高了TBM衬砌设计的工效。