淺析TBM隧道管片排版BIM軟件開發

劉慶舒，陳改霞

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.首輔工程設計有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

隨著我國科技和經濟高速發展，機械化施工得到了長足的發展。近年來，各種公路、水工、城市軌道交通項目的隧道工程地形與地質條件越來越復雜，隧道長度也屢創新高，隧道工程采用機械化施工的項目也越來越多。據了解，規劃中的川藏鐵路、紅旗渠項目設計中采用了大量隧道穿越復雜地形條件的模式，未來這些隧道將廣泛采用機械化施工。

傳統隧道施工采用的鉆爆法屬于典型的粗放式施工，標準化、信息化程度極低。近年來僅有少量建模軟件、計算軟件在行業內應用，縱觀各行業、各軟件平臺均無廣泛應用的隧道設計、施工、信息化管理模塊。隨著TBM隧道、盾構隧道增多，特別是隨著以裝配式隧道管片為襯砌的隧道的出現，隧道工程將迎來標準化、信息化的高速發展。

筆者結合西藏DXL隧道TBM隧道施工管片排版管理的問題，開發了一套專用的TBM隧道管片排版BIM軟件。軟件功能涵蓋了隧道路線、管片參數輸入、預排版、動態排版、后期管理等。本文對使用TBM隧道管片排版軟件及理解軟件的原理有較大的幫助，對開發類似BIM軟件有一定的參考價值。

1 隧道路線解算

設計路線是一條空間平滑曲線，是一條滿足隧道功能需要的虛擬連續曲線。空間曲線投影到水平面稱為平面線形，在平面線形的展開圖上，以路線長度為橫坐標，高程為縱坐標構成路線的縱面線形。常見的路線設計方法和路線設計軟件都是將路線分為平面和縱斷面來進行設計。

從數學上看，平面線形是由直線、回旋線和圓曲線組成的一條平面曲線。根據平面曲線理論，平面線形可由起點處的樁號、坐標、方位角及曲率圖來描述和定義，其中曲率圖為平面線形的曲率方程。采用分段函數和微積分可以求路線上任意點的坐標和水平切線方向。

有一些文獻對直線、回旋線和圓曲線采用不同的方式建模，不具備統一性，編程實現更為復雜，是不適宜的。

縱面線形由直線坡段和豎曲線兩種線形要素組成，豎曲線一般采用圓曲線或二次拋物線。同樣地，將坡度圖視作曲率圖，采用相同的方法，可以使用統一的公式計算任意點的高程。

根據確定的邊界條件，路線上任意一點的三維坐標和水平切線方向可以很快確定。以該點坐標為原點，以水平切線方向為y方向，該方向在水平面內順時針水平旋轉90°，可得到路線的水平垂直方向，以此為x方向，同時，以過該點的垂線為z方向，即可構建該樁號的局部坐標系。

2 管片分類

目前國內外TBM隧道主要采用兩種管片形式。

(1)普通管片：①標準環+左轉彎環+右轉彎環；②左轉彎環+右轉彎環。隧道直線段采用等寬的標準環，使用轉彎環來實現對圓曲線、緩和曲線段的擬合。由于轉彎環的拼裝點位是固定的，因此不利于隧道施工過程中對管片軸線的準確控制。

(2)通用管片：通用管片(見圖1)利用左右環寬不等的條件，旋轉管片到一定角度進行拼裝，通過管片的一系列拼裝點位組合來擬合設計軸線。通用管片使用模具少，成本更低，擬合效果更好，在TBM隧道中得到了越來越多的應用。

圖1 通用管片模型(黑色為封頂塊)

3 通用管片的數學模型

通用管片主要參數有：管片(外)直徑、寬度、厚度、楔形量、螺栓組數，其中與管片排版密切相關的參數為直徑(D)，寬度(B)，楔形量(delta)，螺栓組數(N)。

一般認為，管片環內部是連續的、無錯臺、具有整體性，其被視為環形來研究，在數學上，空間中剛體的自由度為6。但是，為了表述方便，采用7個參數來確定管片環在空間中的位置。

取管片環起始面中心點為管片環的原點(x，y，z)，取管片環軸線為管片環的方向向量(l，m，n)，取封頂塊在x軸垂直面上旋轉的點位k為定位參數。通過x，y，z，l，m，n，k這7個參數就確定了管片環在空間中的位置。

通過方向向量(l，m，n)的旋轉，可以很方便地求得起始面、末端面的法向量。假設相鄰兩環管片末端面和起始面重合，中心點也重合，由i-1塊的方向向量可以很容易求出第i塊的方向向量(k的函數)。

4 管片預排版方法

管片預排版是指根據隧道設計路線和管片的參數對管片進行預先統籌安排。預排版可以用于檢查設計的有效性，由此隧道三維模型可以進行可視化展示、施工動態規劃等。

預排版的核心是在允許的拼裝點位中尋找最優拼裝點位組合。在第i-1塊確定的情況下，通過對第i塊的末端面中心點與路線誤差求最小值，可很方便地求出第i塊的最優解。

為了求出所有管片的最優解，可以基于最小二乘法進行計算。需要計算的組合有N環數種(N為螺栓組數)。當塊數增多后，計算量過大，無法進行計算。因此，限定需要計算的環數是必要的。實際上，在預排版時模型僅用于展示等，對其精度要求不高，可以認為每環的最優解的線形組合就是整個隧道的最優解，以減少不必要的計算。

5 動態排版

TBM隧道管片動態排版是指在施工時，根據現場量測的TBM位置、姿態，以施工的管片的限制條件確定新的管片位置。動態排版是本軟件的核心功能和亮點。

5.1 影響因素

除了隧道設計路線和管片本身的限制條件外，動態排版需要考慮的因素還包括拼裝方式、拼裝點位、油缸行程差、盾尾間隙等。

(1)管片的拼裝方式有通縫拼裝和錯縫拼裝兩種。通縫拼裝是指管片的縱縫對齊，錯縫拼裝要求相鄰管片的縱縫錯開拼裝，拼裝方式的選擇直接影響管片點位的選擇范圍。兩種拼裝方式各有優缺點，目前TBM隧道施工中較多采用的是錯縫拼裝。

(2)拼裝點位是指管片拼裝時封頂塊所在位置。為了便于施工，封頂塊一般不能設置在最下方，動態排版時需要將這些點位排除。

(3)TBM掘進時以千斤頂的行程變化作為控制。TBM的油缸通常分為上、下、左、右四組。油缸行程差意味著TBM軸線與管片環方向向量存在偏差，油缸行程差可以從一定程度上反映出TBM和管片環的姿態關系。

(4)TBM施工時，管片拼裝是在TBM后護盾內部完成的，TBM護盾內壁和管片環之間存在一定的空隙，稱為“盾尾間隙”。由于施工誤差、地質原因等，護盾中心線和管片環中心線總會有一定的偏差。如果盾尾間隙過小，容易導致護盾和管片產生干擾，造成管片錯臺和破壞。管片拼裝時必須考慮點位選擇對盾尾間隙的影響，避免出現盾尾間隙過小的情況。

5.2 各影響因素的計算方法

(1)一般情況下，封頂塊只有一組環向螺栓，其他塊有三組環向螺栓。通縫拼裝就是要求相鄰兩環的封頂塊位置和3的模數相等；錯縫拼裝就是要求相鄰兩環的封頂塊位置和3的模數不相等。比如，第i環的封頂塊位于0號位，第i+1環的封頂塊位于0，3，6……就是通縫拼裝，不位于0，3，6……就是錯縫拼裝。拼裝模式確定后，采用模數(mod)可以很容易地排除不能選用的點位。

(2)管片環的設計參數確定后，(底部)禁用的點位是確定的，可以直接排除。比如，對于6+1塊的管片環，共有19(6×3+1=19)個點位，一般地，8、9、10幾個點位不使用。

(3)油缸行程差計算較為簡便，直接以左側油缸行程-右側油缸行程就可以得到水平油缸行程差，以上部油缸行程-下部油缸行程可以得到豎直油缸行程差。

5.3 控制原則

TBM施工中，管片的排版拼裝是一個非常重要的環節，影響到TBM掘進機的后續施工和隧道最終的成型質量。隧道施工時通過一系列管片的首尾聯接來擬合隧道設計路線。管片排版拼裝過程中，盾尾間隙、油缸行程差是需要考慮的排版影響因素，即保證盾尾間隙，調節油缸行程差來協調TBM掘進機的正常掘進。

管片排版的基本原則是：

(1)正常施工中，保證盾尾間隙大于一個閾值。

(2)掘進過程中，油缸的行程差不能太大。

(3)確保隧道結構路線和設計路線偏差不能超過規定值。

5.4 動態排版

5.4.1 第0環

第0環拼裝時，邊界條件較簡單，可以人工選擇。基本原理是將管片環起始面和末端面的中心點都放置在路線上，此時誤差是最小的。在給定隧道管片拼裝的起點樁號后，可以確定第0塊管片的x，y，z，l，m，n，對于管片的封頂塊位置k，可以任意選擇(根據測試，第0塊k的取值對整個隧道的排版影響不大)。

此外，當管片環因施工出現異常，但又不需要進行隧道路線糾偏時，在不影響隧道使用功能的情況下，可以重新在“正確”的設計路線上開始排版，重新開始的第0'塊也按上述方式確定。

5.4.2 第i環排版

根據管片排版的基本原則，在已知行程差不太大的情況下，既要考慮盾尾間隙，又要考慮管片相對于隧道設計路線的偏差，可以設置一個綜合函數進行控制，并設置不同的權重參數進行調整。

設Δhi、Δvi分別為第i環盾尾間隙水平和豎直方向的偏差，Δdi為第i環管片末端面中心點距離路線的偏差，第i環管片動態拼裝的問題等價于在封頂塊可以拼裝的點位取值范圍內，求下式的最小值：

Δ(k)=γ1Δh2+γ2Δv2+γ3Δd2

式中，γ1、γ2、γ3分別為對應的權重控制系數。

Δhi、Δvi、Δdi均可在第i-1環的基礎上進行計算。如此循環，即可對整個隧道進行動態排版。

6 管片管理BIM模型

隧道管片施工時產生很多數據，由于隧道工程是線形工程，在施工過程中，這些數據對后續施工有重要的參考價值。施工完成時，這些數據可以為編寫竣工資料提供便利；后期運營時，這些數據將是運營、維護的基礎資料。因此，施工時如實將施工信息記錄下來，是管片管理BIM模型的重要工作。

本軟件記錄的數據包括管片環的幾何數據、類型、施工時間、地質信息等。本軟件具有可擴展性，還可以記錄施工進度、TBM推力、掘進速度、扭矩、施工異常等信息。

總而言之，管片管理BIM模型是一個基于三維可視化的數據平臺，可以很方便地進行包括幾何信息和附加信息在內的各種信息的可視化查詢與管理。

7 軟件開發

本軟件的核心是在考慮隧道設計路線、管片參數的前提下，動態地進行管片選型，并實時記錄施工信息以便后期應用。軟件使用需要可視化，方便操作，便于后期擴展。軟件動態排版界面見圖2，動態排版效果見圖3。

本軟件采用Microsoft Visual Basic 6.0為編程語言，開發軟件環境為Windows、CATIA、AutoCAD。軟件主要功能如下：

(1)通過讀取AutoCAD平縱圖，生成路線參數。

(2)通過讀取緯地軟件平縱參數文件，生成路線參數。

(3)對管片信息進行編輯和管理，生成對應的三維模型。

(4)施工前，對管片進行預排版，檢查管片參數、路線參數的合理性，進行可視化展示。

(5)施工過程中，根據實測管片位置和姿態，盾尾間隙、油缸行程差動態選定管片。

(6)軟件設置后臺數據庫，根據施工情況進行實時記錄管片信息。工程完工時即可生成包含周邊地質條件在內的管片竣工信息，進行各種查詢、定位，為后期隧道管片維護提供基礎信息。

圖2 軟件動態排版界面

8 結論及展望

基于上述分析，筆者開發出一套TBM隧道管片排版BIM軟件，在DXL隧道TBM施工中進行了試點應用，取得了一定的效果，該軟件已申請軟件著作權登記。根據軟件開發和軟件使用期間的經驗，有如下結論和建議。

(1)TBM隧道施工、盾構隧道施工等機械化施工方式為隧道工程信息化提供了良好的條件。隨著粗放型施工向精細化施工轉型，隧道BIM系統的研究、應用將會有更深入的發展。

(2)本軟件解決了隧道設計路線、管片參數的輸入，管片預排版，動態排版，后期管片信息管理等一系列問題，在個別項目試點應用效果良好，具有一定的推廣價值。

(3)本軟件編制過程中主要從設計角度考慮，忽略了施工現場的一些數據。下一步將采用傳感器、視頻攝像頭等技術設備，增加諸如TBM施工進度、推力、掘進速度、扭矩、出渣(地質情況)、施工異常情況等信息。

(4)目前隧道管片有關研究主要集中在管片動態排版和TBM導向兩個方面。本軟件解決了TBM位置、姿態確定條件下的動態排版問題，沒有涉及管片、油缸行程差對TBM的影響。下一步，需要結合管片動態排版和TBM導向兩個問題來進行更深入地討論。