1、第19卷第9期2007年9月计算机辅助设计与图形学学报JOURNAI。OF COMPUTERAIDED DESIGNCOMPUTER GRAPHlCSVOI19NO9Sep，2007盾构隧道通用管片虚拟拼装系统赵志杰 金先龙 曹 源 沈建奇 杜新光(上薄交通大学机械与动力工程学院 L海200240)(zhijieqtuedu cn)摘要基于通用管片与盾构隧道设计轴线的几何特征，利用多环组合的方法选取通用管片的拼装点位、制定切向纠偏线路，并基于Unigraphics开发了管片的虚拟拼装系统，实现了通用管片三维动态虚拟拼装及拼装偏差报告的输出将该系统应用于正在施工中的上海某超大直径盾构隧道中，达到
2、了预期的效果美键词盾构隧道；通用管片；管片拼装；点位；纠偏中固法分类号 U45591；TP391A Virtual Erection System of Universal Rings for Shield TunnelsZhao Zhijie Jin Xianlong Cao Yuan Shen Jianqi Du Xinguang(SchrHJl ofMerhani,l Enginearing，Shahghai Jiao Tong University，Shah卧ai 200240Abstract The paper applies a method of nmltirings tO de
3、termine positions of erection points of theuniversal rings，and to decide the correction lines based on the geometric features of the rings and thedesigned tunnel axis in shield tunnelsA virtual erection system of the rings is developed based onUnigraphicsThe systenl is used to simulate the dynamic e
4、rection，manage data of ring erection andgenerate the report of the erection deviationsThis system has been applied in a shield tunnel with giantdiameter in Shanghai The result verifies the usability of the systemKey words shield tunnel；universal rings；rings erection；key position；corrections盾构隧道工法在城市
5、隧道施工中普遍使用，而通用管片以其较低的工程造价、方便施工等诸多优点，逐渐成为盾构施工中使用的主流管片形式“J但其单一的结构形式在拼装复杂曲线段时却常常遇到管片选择的困难，不恰当的管片选取不仅无法满足管片对设计轴线的拟合，而且会导致盾构机的跑偏、管片的破碎等不良后果另外，在盾构施工中，盾构机时常会偏离设计轴线，此时要给出恰当的纠偏曲线并选取纠偏管片对拼装完成的管片则需要考察其拼装质量及偏离设计轴线的程度，以便及时调整施工方案L2本文对上述问题进行了讨论，基于通用管片及设计轴线的几何特征，提供了管片点位选取的方法，纠偏曲线的确定方法，并基于Unigraphics的图形系统开发了管片的三维虚拟拼装
6、系统该系统动态地显示了通用管片的拼装过程以及拼装偏差，为盾构施工中的管片拼装提供理论依据与技术支持，同时也为地面技术人员了解拼装进展、评估拼装质量提供了良好的途径1通用管片拟合隧道轴线原理不同于普通管片，由通用管片组成的衬砌环呈楔形，其点位可以表示为水平超前量与垂直超前量的-5组K，=(si。s：。，)，其中，K。表示第i个点位，i=0，(N一1)，N为点位数；sL，=2sc。s(等i)_2s si“等i)删对应i点位时衬砌环的水平超前量与垂直超前量，S为最大超前量的一半图1所示为其点位分布示意图收稿日期：2006 1212；修回日期：2007 06 18基金项目：国家自然科学基金重点项目(9
7、0612017)赵志杰，男，1978年生，博士，主要研究方向为虚拟装配、网格计算、汽车安仝性设计，盒先龙，男，1961年生，教授，博士生导师，主要研究方向为集成化汽车CAecECAM、PDM、高性能计算、科学计算可视化源，男，1976年生，博士，讲师主要研究方向为网格计算、汁算机(分布)仿真沈建奇，男，1979年生，博士，主要研究方向为盾构隧道施工仿真、大规模复杂系统数值模拟仿真杜新光，男，1978年生，博士，主要研究方向为大型复杂结构的高性能数值仿真计算万方数据9期 赵志杰等：盾构隧道通用管片虚拟拼装系统 1197图1村砌环点位分布(Ko为水平左)隧道设计轴线可以通过投影分解为平面线形和纵曲
8、线平面线形通常由直线与圆弧构成在直线段，通用管片易于选取【3 o；在圆弧段，通过几何关系可得到拟合转弯半径为R的圆弧曲线时，单个衬砌环所需超前量为 s：坐学B(1)儿其中，B为衬砌环的平均宽度；转弯外径R”=R+等；转弯内径R自=R 等；D为衬砌环端面直径z_。同理可得拟合纵曲线圆弧时单个衬砌环垂直方向上的超前量计算公式施工中正是通过设计轴线的转弯半径获得所需超前量，然后反推拼装点位，从而实现通用管片对隧道三维轴线的拟合对于坡度较缓的线路，可以只涉及对平面线形的拟合，然而在某些需要考虑地层因素或地下障碍物的地段，设计轴线坡度较大，按照盾构施工法规定，当坡度大于1时应插入纵曲线_4 J因此，复杂
9、曲线段需要选择合适的管片拼装点位，在满足容差的情况下完成水平与垂直2个方向上曲线的拟合，其点位选择流程如图2所示图2通用管片点位选择流程2管片选取及纠偏21管片选取在复杂线路段，单个衬砌环所具有个点位远远不能同时满足水平与垂直2个方向上拟合的容差要求，需要考虑使用组合环作为基本拼装单位，以解决管片拟合的精度问题从管片承载及防渗漏的角度考虑，禁止出现连续三环通缝；从管片安装工艺考虑，尽量避免采用封顶块在下的点位满足以上要求的以M个衬砌环为基本拼装单位的管片组可以实现的超前量的组合数为wN 7(No 1)(No 2)(N。M+1)” M! 、。70r其中，N7!#为去除下部点位的可选点位数，M4根
10、据隧道转弯半径，由式(1)获得每组需要满足的水平与垂直方向上的超前量总和然后从式(2)所确定的种组合方案中，分别匹配各自的超前量总和，确定一组方案，使其水平与垂直2个方向上的超前量满足容差要求去除通缝点位的算法可描述如下：在一个局部柱坐标系下，以4个管片为一组由于隧道转弯半径较大，因此短距离的隧道体可以近似认为是圆柱体以圆柱体的轴线为z轴，任一端面中心点为坐标原点，提取每一环相邻2个管片间接缝上一点在柱坐标系下的角度值分量这些值组成一个MQ的二维数组，M表示衬砌环数，Q表示衬砌环的管片数考察此数组，如果存在任意3个在给定容差范围内取值相同的元素，则放弃此组配合方案；否则，采用此组配合方案选择管
11、片时要考虑预留足够的盾尾间隙，以防管片的破碎选取流程通过控制拼装容差驱动图3右半部所示为其算法流程：匝匦圈匝巫要习；图3管片选取算法流程22纠偏施工中盾构机常常偏离设计轴线，此时需要确定圆弧形纠偏曲线以切向逼近设计轴线，得到的纠偏半径可以作为输入条件获得纠偏环的点位选取，如图3所示盾构导向系统实时测得施工数据，提取部分数据，由图4所示，d为偏差、c为纠偏距离(由施工人员指定，非测量数据)短距离内可以将隧道设计豁K万方数据1198 “算机辅助设计与图形学学报轴线视作直线，由于d相对于c小得多，因此可以认为C与一近似相等，存在几何关系Sin疗tan 0图4纠偏半径由式(3)，(4)可得纠偏半径的计
12、算公式为C d7 2丁“17 J3通用管片虚拟拼装的实现(3)(4)(5)管片拼装过程的仿真系统使用C+语言，在Visual C十+60的平台上基于ADO，MFC，Unigraphics，UGOPEN API，UGOpen MenuScript和u6Open U1 Styler联合开发；后台数据库为MSAccess；运行环境为Internal31几何建模采用特征建模技术建立组成衬砌环的每一个管片的三维几何模型，包括标准块、邻接块、封顶块模型；建立衬砌环的模型空间，用于拼装时管片的定位；根据勘测所得的特征点数据文件建立三次样条曲线作为设计轴线虚拟拼装所用基本几何模型如图5所示a标准块模型 b邻接
13、块模型 c封顶块模型d楔形环模喇 c设计轴线模型固5基本模型32虚拟拼装将管片拼装为隧道体的过程分为2个层次：1)在衬砌环模型空间中，管片拼装成为衬砌环；2)在设计轴线模型中，由衬砌环拼装成为隧道体为了模拟管片的真实拼装过程J，我们使用多层嵌套的树形拼装结构【6 J，并引人衬砌环模型空间作为桥梁，先拼装模型空间，再完成管片在环模型空间中的拼装，依次循环，图6所示为P个衬砌环的盾构隧道拼装树结构管片拼装过程就是其体坐标系定位到拼装位置的过程几何体在空间的方位变换可以用44转移矩阵A表示为图6多层嵌套拼装树其中，左上角的33矩阵表示体坐标系的oT，v和#轴在拼装空间下的方向矢量；右上角的31矢量表
14、示体坐标系原点在拼装空间下的值；右下角的tr。表示放大系数，将其取值为1；左下角的13矢量只是为了满足矩阵的完整性，暂时没有实际意义1)在设计轴线所处的全局坐标系下移动衬砌环模型空间根据第21节介绍的管片选取方法，可获得当前衬砌环点位以及待拼装环点位定义枚举型点位enum ORI ANGLEEKo，K】，K2，K(N一，其成员由各点位的表示符号组成系统根据当前环的点位及待拼装环的点位，计算出与待拼装环0点位线重合的当前环的点位线i之后定义如下约束：端面中心点重合；待拼装环0点位线与当前环的i点位线重合；2个配合环端面所在的辅助面重合其数学模型为Pl=P 2；L1L，=1；删邶舢舢舢艘邶舢一帆=
15、A万方数据9期 赵忐杰等：盾构隧道通用管片虚拟拼装系统N1N 21=1其中，P和P2为端面中心点；L。和L2为配合环端面中心点与点位连线；N，和N2为2个配合环端面法向量Unigraphics图形系统转化此数学模型为转移矩阵A2)在衬砌环模型空间中拼装管片模拟真实拼装顺序，先拼装标准环，然后是邻接环，最后插入封顶块由于使用同一衬砌环模型空间，且各管片在局部坐标系下的转移矩阵已知，因此这个过程只是简单的调用转移矩阵A的过程管片拼装的过程就是对隧道轴心线拟合的过程，不可避免地会出现相对于隧道轴心线的偏差，本系统在拼装管片过程中用折线段将管片端面中点相连近似作为实际轴心线，同时测量管片端面中点相对与
16、隧道轴心线的水平距离、垂直距离和三维空间4结 论距离，将测量结果以文本方式显示，便于纠偏时参考，或作为13志文件来评估拼装质量，33应用本系统是为目前国内最大、同时也是世界最大直径的上海某盾构隧道的建设而开发的，该隧道现已进入施工阶段应用此系统对本隧道初始段的管片进行了虚拟拼装，从各项结果来看，达到了预期的效果图7为管片的动态拼装过程以及系统所产生的偏差数据衬砌环参数：N=19，S=20mril，B=2000I11TI，D=15000mm拼装段曲线参数：平面线形，转弯半径4420In；纵曲线，坡度29，半径16500n1错缝拼装连续五环，点位序列：K。一K。一K。一Kl EKl-图7动态拼装过
17、程及偏差显示(局部放大图)2K丑shima Y，Kondo N，lnoue M Devel。pmem and application本文基于通用管片与隧道轴线的几何特征，给出了一种管片点位选取算法以及纠偏曲线的确定方法，并基于Unigraphies图形系统开发了管片的虚拟拼装系统，实现了通用管片动态的三维虚拟拼装以及拼装过程中偏差的实时记录与显示将此系统应用于上海某超大直径的盾构隧道施工中，结果显示该系统可以为盾构隧道工法中的管片拼装提供理论依据与技术支持，同时为地面技术人员了解拼装进展、评估拼装质量提供了良好的工具，对指导施工具有重要意义参考文献1Swartz s，Tzobery S，Hem
18、phdl G，el a1Trapezoidal taperednngkey position selection in curved tunnelscProceedings。f Rapid Excavation and Tunneling Conference，Seattle，2005：957-969oftheDPLEX shieldmethod：results of experiments using shieldand segment model and appbcafion of the method in tunneconstructionjTunnding and Undergrou
19、nd SpaceTechnology1996，11(1)：45 503Zhao Guoxu，He ChuanDesign and application of univemasegment如r shield driven tunnelsJ Railway CorIstruetionTechnology2003(2)：5 8(in Chinese)(赵国旭何川盾构隧道通用管川设计及应用J铁道建筑技术，2003(2)：58)4Zhang Fengxiang，Zhu Hehua，Fu Deming Shield tunndlingmethodMBeijing：China Communications
20、 Press，2004(inChinese)(张风祥，朱合华，傅德明盾构隧道M北京：人民变通出版社，2004)5Weda M Automatic segment erection system for shield tunndsJAdvancedRobotics，199I，5(4)：4294436Lu Xiaoping Study on assembty sequence planning in virtuala啪mblyJJournal of sysletn Simulation2003，15(I)：4446(in Chinese)(卢小平面向虚拟装配的装配顺序规划研究J系统仿真学报，200
21、3，15(1)：44 46)万方数据盾构隧道通用管片虚拟拼装系统作者： 赵志杰， 金先龙， 曹源， 沈建奇， 杜新光， Zhao Zhijie， Jin Xianlong， Cao Yuan， Shen Jianqi， Du Xinguang作者单位： 上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240刊名： 计算机辅助设计与图形学学报英文刊名： JOURNAL OF COMPUTER-AIDED DESIGN 错缝拼装控制通用管片结构正负弯矩、剪力、纵向螺栓剪力设计值;通缝拼装控制变形量和地层抗力设计值.对于内力较大的拼装方式,在施工中应采用回避的方式解决,所以配筋设计中可只按一般的内力值进
22、行计算,以便减少管片结构的配筋量和减小螺栓直径,从而降低工程造价.4.期刊论文 赵国旭.何川 盾构隧道通用管片设计及应用 -铁道建筑技术2003(2)分析了管片设计的各要素,结合具体工程实际,确定了我国目前多数地铁盾构法隧道采用的6 m外径、5.4 m内径情况时的通用管片的各参数,并与原管片设计进行对比,不管是在技术方面,还是在经济方面都有很大的优越性,并对其在应用中的优缺点进行了探讨,以便今后推广应用.5.期刊论文 滕丽.吕建中 通用管片接头荷载试验研究 -上海大学学报（自然科学版）2010,16(2)隧道衬砌圆环接头对管片的整体刚度、强度和防水等起着控制作用,同时也是管片整体结构的薄弱处.
23、采用直接头形式对衬砌接头进行正、负弯矩荷载试验,得到隧道管片通缝和错缝拼装情况下接头的抗弯性能M-曲线、接头转角及张开量等,研究通用管片接头的抗弯能力和刚度系数,验证了设计的可靠性.6.学位论文 宋瑞恒 盾构隧道通用管片排版与动态纠偏管理软件开发 2008通用管片作为一种较先进的隧道衬砌形式，由于其能够较好地控制隧道掘进路线和管片成环质量，在盾构法隧道施工中被广泛采用。通用管片的排版与纠偏是盾构法隧道施工中的重要课题，管片拼装姿态的合理选取影响到隧道轴线偏差控制质量。本文针对通用管片的特点，对通用管片的设计排版和动态纠偏问题进行了研究。主要内容如下：针对隧道设计轴线常用的三种基本线形：直线、圆
24、曲线和缓和曲线，分别根据其线形要素进行三维坐标的精确推算，得到了各种线形的三维坐标计算公式。结果表明，该隧道设计轴线坐标计算方法的精度满足实际工程的要求。根据通用管片环的几何特征，对通用管片环的三维坐标进行精确推算，得到了通用管片环的三维坐标计算公式。结果表明，采用该通用管片坐标计算方法得到的拟合偏差远小于隧道轴线拟合偏差控制要求。实现了隧道工程信息数据库的生成，方便了工程技术人员在软件使用中对工程信息数据的输入。依照隧道轴线的拟合偏差最小为原则，采用最小二乘法原理，对管环姿态的选取进行优化。编写管片最佳拼装姿态选择的算法流程，实现了通用管片的最佳设计排版。实现了设计排版结果的曲线绘制，使设计
25、排版结果更直观。根据总体优化原则，采用穷举法和最小二乘法相结合的优化方法，同时考虑施工过程中已拼装管环的监测数据和盾尾间隙，编写动态纠偏的算法流程，得到后续纠偏环的最优组合形式，为施工人员在管片拼装选型时提供参考。用Visual Basic语言编制了通用管片排版和纠偏软件。结合上海市西藏南路越江隧道的隧道设计轴线和通用管片设计，实现了西藏南路越江隧道西线和东线的设计排版;在施工中的动态纠偏结果也比较理想。7.期刊论文 李鹏程.Li Pengcheng 盾构隧道管片受力与变形研究 -安徽建筑2008,15(5)文章结合上海地铁M9线工程实例,借助有限元法对不同拼装方式下地铁区间盾构隧道通用管片结
26、构进行力学行为分析.结果表明:管片结构在不同拼装方式下的力学行为是不相同的,与拼装类型、分析目标环的环向和纵向接头的位王、封顶块的位置有关.对通、错缝拼装隧道衬砌使用阶段的受力及变形进行了对比分析,得出了一些有益的结论,为设计施工提供参考.8.期刊论文 黄昌富 盾构隧道通用装配式管片衬砌结构计算分析 -岩土工程学报2003,25(3)采用梁-非线性弹簧模型,对盾构隧道通用装配式管片衬砌在基本拼装方案下各典型计算点进行最大截面内力及变形计算,确定管片设计控制荷载点;并在通用管片衬砌环布置时可能出现通缝及错缝拼装情况下进行多种方案组合计算,进而确定控制管片设计的拼装组合,并发现不同拼装组合条件下截
27、面内力及变形的变化趋势.9.学位论文 徐向辉 新型管片盾构隧道应用技术研究 2005随着我国国民经济的持续快速发展和城市化进程的加快,大城市,尤其是经济发达人口密度大的特大城市公共交通压力越来越大,而发展轨道交通系统是被国内外公认的解决这一难题的最佳途径.盾构技术由于具有施工安全可靠、工程质量好、施工进度快、对周边环境影响小等诸多优点,在地铁建设中被广泛应用,并已经成为修建地铁隧道的最主要施工方法.盾构技术按管片拼装形式分为通缝拼装、错缝拼装、新型通用管片等几种形式,新型通用管片盾构,可以采用一种盾构管片完成一个和多个盾构区间的施工,可以节约钢模板,提高机械化施工程度,降低工程造价,代表盾构技
28、术发展方向.本文以深圳地铁一号线续建工程白石洲科技园盾构区间隧道工程为背景,研究并解决了新型通用管片盾构隧道平面纵断面确定、新型通用管片隧道断面拟定、结构分析变形计算、关键节点结构处理、隧道防水与地基加固等隧道关键技术.重点解决了新型通用管片结构分析计算的方法问题,采用梁-弹簧模型对盾构管片进行精确分析计算.同时,本文针对盾构联络通道与泵房处结构受力复杂、工程事故频繁的特点,对该处结构进行三维受力分析计算,并提出了以工程安全为首要因素确定施工方案的新思路.10.会议论文 郑路.朱合华.李晓军.王长虹 上海长江隧道工程的数字化研究 2006工程数字化是近年来隧道及地下工程的新兴课题之一,地下工程的数字化将使隐蔽的工程透明化,复杂繁多的数据高度信息化共享,易于准确分析和掌握.本文结合上海长江隧道工程实际,对隧道工程的数字化进行了初步的研究,在数字化综合数据库的基础上实现了基于钻孔的三维数字地层的建立以及盾构隧道的数字化,结合长江隧道采用的通用楔形衬砌管片错缝拼装,进一步提出了以环为单位的盾构隧道数字化和通用管片曲线拟合及拼装等施工的数字化模拟,并将研究内容应用于工程实际.本文链接：http:/
