鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何守旺

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

近年來(lái)，我國(guó)鐵路建設(shè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，隧道工程作為鐵路項(xiàng)目中不可缺少的重要內(nèi)容，往往成為控制全線(xiàn)工期的重點(diǎn)、難點(diǎn)工程。在建設(shè)過(guò)程中，有些隧道工點(diǎn)所在區(qū)域板塊活動(dòng)強(qiáng)烈、地應(yīng)力極高，硬巖易發(fā)生巖爆、軟巖易產(chǎn)生大變形；同時(shí)，高烈度地震頻發(fā)，高地溫、深大活動(dòng)斷裂等特殊不良地質(zhì)問(wèn)題突出；地形險(xiǎn)峻，輔助坑道設(shè)置存在困難；自然環(huán)境惡劣，建設(shè)條件差。為此，對(duì)于地質(zhì)與場(chǎng)地條件適宜，高海拔、輔助坑道條件差、鉆爆法施工條件差的長(zhǎng)大隧道，優(yōu)先選用機(jī)械化程度最高的TBM法施工[1]。

對(duì)于TBM法施工的隧道襯砌設(shè)計(jì)，由于受?chē)鷰r級(jí)別、地形與地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)所受不同荷載組合等各種因素的約束，具有設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大、繪圖繁雜的特點(diǎn)[2]。設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)據(jù)處理仍然依靠EXCEL表格，繪圖利用AutoCAD基本命令CAD出圖。目前，我院承擔(dān)的川藏鐵路、西寧至成都鐵路、蘭州至合作鐵路等勘察設(shè)計(jì)任務(wù)中，隧道數(shù)量多，部分長(zhǎng)大隧道采用TBM法施工。TBM隧道需設(shè)計(jì)很多不同類(lèi)型的TBM襯砌斷面以滿(mǎn)足工程要求，人工繪制斷面除花費(fèi)大量人力和時(shí)間以外，還增加了圖紙質(zhì)量控制的難度；且隧道設(shè)計(jì)時(shí)間要求緊迫，依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段將面臨嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)壓力，在設(shè)計(jì)要求的時(shí)間內(nèi)可能無(wú)法完成，其作業(yè)方式與設(shè)計(jì)效率的矛盾日益凸顯。針對(duì)隧道工程，已有縱斷面設(shè)計(jì)、洞門(mén)設(shè)計(jì)、一般復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)等相關(guān)輔助設(shè)計(jì)軟件可供使用，但對(duì)于隧道TBM襯砌斷面設(shè)計(jì)方面，尚未有相關(guān)軟件的研究與開(kāi)發(fā)。

根據(jù)TBM隧道襯砌設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，提出利用參數(shù)化技術(shù)，通過(guò)對(duì)TBM襯砌斷面參數(shù)化繪圖的主要內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行分析與研究，并在AutoCAD平臺(tái)上，以O(shè)bjectARX二次開(kāi)發(fā)方式研發(fā)TBM襯砌斷面輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪圖。

1 基于參數(shù)化繪圖技術(shù)的鐵路隧道TBM襯砌斷面設(shè)計(jì)

參數(shù)化技術(shù)是隨著CAD技術(shù)的研究應(yīng)用而提出，其主要特性是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、尺寸驅(qū)動(dòng)[3]。參數(shù)化繪圖是參數(shù)化技術(shù)在工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的具體表現(xiàn)形式，將設(shè)計(jì)圖形尺寸與設(shè)計(jì)條件或設(shè)計(jì)要求建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)設(shè)計(jì)的外部條件或要求變化時(shí)，設(shè)計(jì)圖形相關(guān)尺寸便會(huì)隨之修改，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)圖形設(shè)計(jì)，便于用戶(hù)設(shè)計(jì)[4]。將參數(shù)化繪圖技術(shù)應(yīng)用到TBM襯砌設(shè)計(jì)中，通過(guò)研發(fā)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，有助于提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

1.1 隧道CAD技術(shù)發(fā)展歷程

隧道CAD技術(shù)起源于最初的CAD技術(shù)，并隨之發(fā)展。隧道CAD技術(shù)的發(fā)展受地下工程理論、CAD技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的影響，主要經(jīng)歷了4個(gè)階段：第一階段，20世紀(jì)70年代末以前，由于計(jì)算機(jī)應(yīng)用普及率不高，使得隧道工程與計(jì)算機(jī)軟件科學(xué)融合程度較低，僅有隧道工程的科研人員在研究過(guò)程中使用通用CAD軟件，尚無(wú)專(zhuān)業(yè)的隧道工程CAD軟件可使用[5-6]；第二階段，20世紀(jì)70年代末至90年代初期，隨著CAD技術(shù)、隧道力學(xué)數(shù)值方法的發(fā)展，隧道工程理論與計(jì)算機(jī)軟件科學(xué)結(jié)合產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助分析及相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與文檔管理[7]；第三階段，20世紀(jì)90年代至本世紀(jì)初，隧道CAD技術(shù)開(kāi)始快速發(fā)展，從隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工進(jìn)度、洞門(mén)、襯砌、縱斷面、輔助坑道、工程數(shù)量計(jì)算等方面引入CAD，形成了智能化、系統(tǒng)化隧道CAD體系[8-10]；第四階段，自2010年以后，隧道CAD走向集成化、協(xié)同化、BIM設(shè)計(jì)[11-13]。

1.2 隧道TBM襯砌斷面參數(shù)化繪圖研究

鐵路隧道TBM襯砌設(shè)計(jì)由TBM襯砌基本斷面擬定、TBM開(kāi)挖直徑、初期支護(hù)及二次襯砌設(shè)計(jì)、仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)、防排水設(shè)計(jì)、附屬構(gòu)筑物及相關(guān)建筑材料計(jì)算與統(tǒng)計(jì)等主要內(nèi)容組成。根據(jù)TBM襯砌斷面設(shè)計(jì)要求，通常需進(jìn)行正洞TBM一般段、巖爆段、輔助洞段(預(yù)備洞、出發(fā)洞、接收洞、檢修洞、拆卸洞)、輔助洞巖爆段、輔助洞大變形段、服務(wù)隧道一般段、服務(wù)隧道巖爆段、服務(wù)隧道輔助洞段、服務(wù)隧道輔助洞巖爆段、服務(wù)隧道輔助洞大變形段的TBM襯砌斷面參數(shù)化研究。另外，仰拱預(yù)制塊參數(shù)化研究也是非常重要的內(nèi)容[14]，其設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系到仰拱預(yù)制塊拼裝難易程度和襯砌結(jié)構(gòu)受力特性。

1.3 隧道TBM襯砌斷面參數(shù)化繪圖實(shí)現(xiàn)方法

為實(shí)現(xiàn)鐵路隧道TBM襯砌斷面參數(shù)化設(shè)計(jì)，需經(jīng)過(guò)以下幾步。

(1)分析TBM襯砌斷面形式，并對(duì)每種形式的組成結(jié)構(gòu)與幾何約束關(guān)系進(jìn)行分析。約束分類(lèi)如圖1所示。

圖1 約束分類(lèi)

(2)依據(jù)構(gòu)件拆分原則，將斷面形式進(jìn)行拆分，形成最小組成構(gòu)件。

(3)對(duì)每個(gè)構(gòu)件進(jìn)行分析，提取該構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行參數(shù)確認(rèn)，進(jìn)而形成TBM襯砌斷面形式設(shè)計(jì)參數(shù)。形成的TBM正洞內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

(4)根據(jù)約束關(guān)系確定點(diǎn)坐標(biāo)表達(dá)式，具體指確定繪制圖形的幾何圖元及其之間的約束關(guān)系，如：共線(xiàn)、相切、同心、平行、垂直、對(duì)稱(chēng)約束、兩相交直線(xiàn)間夾角、線(xiàn)段長(zhǎng)度、圓弧半徑、點(diǎn)點(diǎn)距離、點(diǎn)線(xiàn)距離、線(xiàn)線(xiàn)夾角等[15-16]。

(5)確定構(gòu)件間的關(guān)系，并用約束表示，以此形成整體約束。

(6)編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)TBM襯砌斷面形式參數(shù)化。

表1 TBM正洞內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)參數(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)研發(fā)需求

根據(jù)TBM隧道襯砌設(shè)計(jì)工作的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，為解決TBM襯砌設(shè)計(jì)工作量大、調(diào)整一點(diǎn)而動(dòng)全過(guò)程的問(wèn)題，需通過(guò)研發(fā)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式向數(shù)字化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，把大量常規(guī)計(jì)算、重復(fù)繁雜的繪圖工作計(jì)算機(jī)程序化，以此提高設(shè)計(jì)工效，系統(tǒng)的研發(fā)目標(biāo)如下。

(1)依據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(2017版)、TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、鐵建設(shè)[2007]106號(hào)《鐵路隧道全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)指南》、TB/T 10058—2015《鐵路工程制圖標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)TBM襯砌斷面內(nèi)外輪廓擬定。系統(tǒng)能夠在設(shè)計(jì)人員輸入相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、幾何參數(shù)、約束信息等控制信息后，分析并計(jì)算內(nèi)外輪廓線(xiàn)，擬定出隧道襯砌基本斷面。

(2)在TBM襯砌基本斷面基礎(chǔ)上，根據(jù)地形、地質(zhì)、結(jié)合襯砌類(lèi)型及施工條件，進(jìn)行TBM正洞、服務(wù)洞襯砌設(shè)計(jì)，包括初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱預(yù)制塊及防排水設(shè)計(jì)。能夠完成單位工程數(shù)量計(jì)算，繪制出襯砌斷面圖、剖面圖、詳圖、大樣圖等。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求和設(shè)計(jì)流程，將系統(tǒng)劃分為4個(gè)部分。①設(shè)計(jì)參數(shù)輸入：主要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的輸入，包括基本斷面擬定參數(shù)、仰拱預(yù)制塊、噴錨、鋼架、二次襯砌配筋、防排水設(shè)計(jì)等。②核心業(yè)務(wù)處理：實(shí)現(xiàn)幾何要素的約束建立，復(fù)合式襯砌、仰拱預(yù)制塊及防排水設(shè)計(jì)等。③繪圖處理：主要實(shí)現(xiàn)TBM襯砌斷面設(shè)計(jì)圖、剖面圖、單位工程數(shù)量表格繪制。④工程數(shù)量計(jì)算：主要實(shí)現(xiàn)與TBM襯砌相關(guān)的每延米或每榀工程數(shù)量。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

以模塊化設(shè)計(jì)思路，對(duì)鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能模塊的“高內(nèi)聚、松耦合”目標(biāo)[17]。將系統(tǒng)劃分為項(xiàng)目設(shè)置、TBM襯砌基本斷面擬定、TBM襯砌設(shè)計(jì)、數(shù)量計(jì)算4個(gè)模塊，每個(gè)模塊又有相應(yīng)的子模塊組成。系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的主要功能如下。①項(xiàng)目管理：實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息管理、權(quán)限管理、新建項(xiàng)目、打開(kāi)項(xiàng)目及刪除項(xiàng)目操作等。②復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)的初始化：設(shè)置TBM襯砌的噴錨支護(hù)、鋼架、二次襯砌配筋等設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的快速輸入和全局控制。③TBM襯砌基本斷面擬定：為T(mén)BM襯砌設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的部分，在設(shè)計(jì)人員輸入隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、隧道建筑限界信息、道床形式、中心水溝及各種管溝、設(shè)備布置、線(xiàn)間距信息、接觸網(wǎng)懸掛布置方式、高海拔地區(qū)絕緣距離、空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)、設(shè)計(jì)幾何參數(shù)、防排水信息、電纜槽信息、軌下結(jié)構(gòu)信息等控制信息后，分析并計(jì)算內(nèi)外輪廓線(xiàn)，擬定隧道襯砌基本斷面。在內(nèi)輪廓的基礎(chǔ)上，考慮施工誤差、二次襯砌厚度、預(yù)留變形量、初支厚度等因素，確定TBM開(kāi)挖直徑。④TBM襯砌設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)TBM正洞、服務(wù)洞襯砌設(shè)計(jì)，包括初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)、防排水設(shè)計(jì)。初期支護(hù)包含：噴錨支護(hù)、工字鋼架、四主筋形格柵鋼架、三肢八字結(jié)格柵鋼架、四肢八字結(jié)格柵鋼架、H形鋼架設(shè)計(jì)等；二次襯砌設(shè)計(jì)主要是加強(qiáng)二次襯砌鋼筋設(shè)計(jì)，繪制襯砌斷面圖、剖面圖、詳圖、大樣圖與主要單位工程數(shù)量表等。⑤仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)仰拱預(yù)制塊的幾何構(gòu)造、與襯砌輪廓的搭接、相關(guān)工程數(shù)量計(jì)算等。⑥其他附屬設(shè)施設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)防排水、水溝電纜槽設(shè)計(jì)等。⑦單位工程數(shù)量計(jì)算：實(shí)現(xiàn)與復(fù)合式襯砌、型鋼鋼架、加強(qiáng)二次襯砌配筋設(shè)計(jì)等相關(guān)的每延米或每榀主要工程數(shù)量計(jì)算。

2.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)由多個(gè)模塊組成，涉及各組成構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)、中間計(jì)算結(jié)果、單位工程數(shù)量等大量數(shù)據(jù)，需采用 SQL server作為后臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，管理系統(tǒng)的存取數(shù)據(jù)和內(nèi)外接口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和安全存取。在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，需分析與確定系統(tǒng)涉及的對(duì)象及這些對(duì)象之間的關(guān)系[18-20]。該系統(tǒng)涉及內(nèi)輪廓、外輪廓、TBM直徑、側(cè)水溝、電纜槽、道床、限界、仰拱預(yù)制塊、中心水溝、鋼架、襯砌配筋、防排水等圖形對(duì)象，這些圖形對(duì)象之間具有一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，比如位置關(guān)系，TBM襯砌斷面圖形對(duì)象E-R圖如圖4所示。根據(jù)系統(tǒng)E-R圖的設(shè)計(jì)內(nèi)容，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象、屬性和關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，確定出本系統(tǒng)中使用的表和表結(jié)構(gòu)，如基本斷面設(shè)計(jì)參數(shù)表、襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)表、仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)信息表、防排水設(shè)計(jì)表、單位工程數(shù)量表等。其中，仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)信息見(jiàn)表2， TBM襯砌斷面設(shè)計(jì)信息見(jiàn)表3。

圖4 TBM襯砌斷面圖形對(duì)象E-R圖

表2 仰拱預(yù)制塊設(shè)計(jì)信息

2.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在AutoCAD2014平臺(tái)上，采用Microsoft Visual Studio作為開(kāi)發(fā)工具，利用ObjectARX 二次開(kāi)發(fā)方式，用C++語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用SQLServer2008，研發(fā)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)操作界面如圖5、圖6所示。

圖5 斷面擬定界面

圖6 復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)界面

3 系統(tǒng)主要特點(diǎn)及應(yīng)用

鐵路隧道TBM襯砌斷面輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)從擬定TBM襯砌基本斷面出發(fā)，采用參數(shù)化技術(shù)，通過(guò)分析TBM斷面基本尺寸信息及相關(guān)支護(hù)參數(shù)，建立了TBM襯砌斷面組成構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)、幾何約束和工程約束模型，通過(guò)人機(jī)交互，完成TBM襯砌斷面參數(shù)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。

(1)基于參數(shù)化二維繪圖技術(shù)的襯砌斷面設(shè)計(jì)：隧道TBM襯砌基本斷面擬定是整個(gè)TBM襯砌設(shè)計(jì)中最核心的部分，涉及隧道的建筑限界、受力條件、施工方法等方面。在設(shè)計(jì)中，采用了參數(shù)化的思想，建立了TBM襯砌基本斷面擬定的數(shù)學(xué)模型。在基本斷面基礎(chǔ)上，以構(gòu)件的思路、參數(shù)化的思想進(jìn)行TBM正洞、服務(wù)洞襯砌設(shè)計(jì)，包括初期支護(hù)、二次襯砌、仰拱預(yù)制塊及防排水設(shè)計(jì)。上述襯砌設(shè)計(jì)剖面、主要尺寸表和主要工程數(shù)量表可實(shí)時(shí)查看。

(2)基于分段射線(xiàn)法的鋼架設(shè)計(jì)：隧道襯砌設(shè)計(jì)中，將不同的鋼架類(lèi)型(工字鋼架、環(huán)向構(gòu)造與八字節(jié)構(gòu)造的格柵鋼架、H形鋼架)，通過(guò)分段射線(xiàn)法建立鋼架設(shè)計(jì)模型與鋼架分段的自動(dòng)對(duì)應(yīng)約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)鋼架的多樣設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)完成后，已在川藏鐵路TBM隧道設(shè)計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用，輔助專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員完成隧道TBM施工段、輔助TBM施工鉆爆法地段的復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)，完成Ⅱ～Ⅵ級(jí)圍巖TBM施工襯砌斷面(其中，Ⅲ級(jí)圍巖襯砌斷面如圖7所示)及輔助TBM施工鉆爆法斷面圖、配筋圖、鋼架圖、剖面圖、鋼筋大樣圖繪制與主要單位工程數(shù)量計(jì)算。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能實(shí)用、運(yùn)行可靠，以參數(shù)化手段，完成了隧道TBM襯砌設(shè)計(jì)，減輕了設(shè)計(jì)人員在TBM襯砌設(shè)計(jì)中成圖、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)等方面的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了設(shè)計(jì)效率，并在實(shí)踐中逐步實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

圖7 Ⅲ級(jí)圍巖襯砌斷面(單位：cm)

4 結(jié)語(yǔ)

基于參數(shù)化技術(shù)的TBM輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)TBM襯砌的幾何約束與工程約束進(jìn)行描述，構(gòu)建了TBM襯砌參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)實(shí)際需要，輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化繪圖。在某高原鐵路中的實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)符合隧道專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)計(jì)算和重復(fù)繪圖工作計(jì)算機(jī)程序化，減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了TBM襯砌設(shè)計(jì)的工效。