摘要：盾構(gòu)法施工帶來(lái)的地表沉降會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響，施工參數(shù)的設(shè)定會(huì)影響沉降值。采用計(jì)算機(jī)仿真的方法能夠預(yù)測(cè)施工造成的地表沉降，但尚不能自動(dòng)優(yōu)化施工參數(shù)。該文在傳統(tǒng)活動(dòng)循環(huán)圖的基礎(chǔ)上，提出了參數(shù)化活動(dòng)循環(huán)圖的仿真模型，建立施工活動(dòng)-環(huán)境互動(dòng)、施工活動(dòng)之間互動(dòng)的盾構(gòu)隧道施工動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于某穿江隧道工程。結(jié)果證明，參數(shù)化活動(dòng)循環(huán)圖模型具有反饋施工影響、自動(dòng)優(yōu)化施工參數(shù)的作用，能夠指導(dǎo)盾構(gòu)法施工。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法；參數(shù)化活動(dòng)循環(huán)圖；施工仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）01-0152-03

1 概述

盾構(gòu)法施工會(huì)引起地層擾動(dòng)，造成地層變形及地面沉降，特別是在軟土盾構(gòu)隧道中尤甚。當(dāng)?shù)貙幼冃纬^(guò)一定范圍時(shí)，會(huì)危及臨近建筑物和地下管網(wǎng)的安全，引起一系列的環(huán)境巖土問(wèn)題[1]。利用計(jì)算機(jī)仿真方法可以為現(xiàn)場(chǎng)施工提供有價(jià)值的預(yù)測(cè)信息，從另一個(gè)角度對(duì)工程施工進(jìn)行指導(dǎo)。

在隧道工程領(lǐng)域，根據(jù)仿真目的的不同，仿真可分為兩種類(lèi)型：力學(xué)仿真，施工過(guò)程仿真。力學(xué)仿真是針對(duì)施工對(duì)環(huán)境、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響的仿真，施工過(guò)程仿真是針對(duì)施工生產(chǎn)、管理參數(shù)的仿真。兩者的共同目標(biāo)是通過(guò)預(yù)判施工行為帶來(lái)的影響而降低工程風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)這兩種仿真，研究人員采用了不同的仿真方法。

對(duì)于力學(xué)仿真，于寧等采用三維有限元的方法對(duì)盾構(gòu)隧道引起的地表沉降進(jìn)行分析[2]，裴洪軍通過(guò)有限元方法對(duì)盾構(gòu)施工時(shí)開(kāi)挖面的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[3]，李澤榮運(yùn)用三維有限元方法對(duì)西安在建地鐵線的地表沉降進(jìn)行模擬和分析[4]，朱忠隆等使用變形智能模擬控制方法對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖造成的變形進(jìn)行模擬分析[5]?，F(xiàn)有的力學(xué)仿真方法能十分精確地得到給定條件的計(jì)算結(jié)果，但已經(jīng)建立的模型無(wú)法通過(guò)與施工行為的互動(dòng)改變施工參數(shù)，從而影響仿真結(jié)果，而改變一次參數(shù)往往意味著仿真重啟甚至模型重建，會(huì)消耗大量時(shí)間。

該文針對(duì)盾構(gòu)隧道現(xiàn)有力學(xué)仿真方法無(wú)法在仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變施工參數(shù)的問(wèn)題，以及現(xiàn)有施工過(guò)程仿真方法施工過(guò)程之間過(guò)分獨(dú)立鮮有互動(dòng)的問(wèn)題，提出在施工過(guò)程仿真的活動(dòng)循環(huán)圖基礎(chǔ)上，通過(guò)引入?yún)?shù)傳遞，使之與力學(xué)模型連接，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程與力學(xué)模型的一體化。在本文的最后，以對(duì)某盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降仿真為例，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程中的地表沉降動(dòng)態(tài)仿真，證實(shí)了采用該方法能夠根據(jù)施工影響的參數(shù)反饋優(yōu)化施工參數(shù)。

2 仿真模型

2.1 盾構(gòu)隧道施工ACD圖

活動(dòng)循環(huán)圖（ACD，Activity Cycle Diagram）是一種對(duì)于施工過(guò)程邏輯關(guān)系的直觀表現(xiàn)形式?；顒?dòng)循環(huán)圖包含以下三種節(jié)點(diǎn)元素：約束活動(dòng)只需流程進(jìn)行到此處就能執(zhí)行，條件活動(dòng)需要條件滿足方能執(zhí)行，資源的空閑或空閑程度會(huì)影響條件活動(dòng)是否執(zhí)行。通常，建立ACD圖的方法是：1）分別畫(huà)出與施工涉及資源相關(guān)的活動(dòng)；2）將資源按照施工邏輯關(guān)系與活動(dòng)連接，并建立網(wǎng)絡(luò)圖[6]（Halpin and Riggs 1992）。

將盾構(gòu)施工過(guò)程中涉及的傳送帶、拼裝機(jī)、管片、貨車(chē)、一環(huán)空間、支座環(huán)、刀盤(pán)、運(yùn)土設(shè)備定義為資源，將貨車(chē)運(yùn)管片、傳送管片、拼裝、頂進(jìn)、切土、換刀、渣土外運(yùn)定義為條件活動(dòng)，將同步注漿、排土定義為約束活動(dòng)。盾構(gòu)施工的基本過(guò)程包括管片運(yùn)送，管片拼裝，頂進(jìn)，切削土體。其基本循環(huán)關(guān)系是，拼裝→切削→頂進(jìn)→拼裝，其中切削和頂進(jìn)同時(shí)進(jìn)行。圖1是一個(gè)典型盾構(gòu)法施工的ACD圖。

2.2 參數(shù)化ACD圖

為了讓施工活動(dòng)之間能夠互動(dòng)，引入?yún)?shù)化ACD圖。如圖2，當(dāng)仿真進(jìn)行到活動(dòng)一時(shí)，其相關(guān)參數(shù)作為輸入?yún)?shù)輸入力學(xué)模型，經(jīng)過(guò)力學(xué)模型計(jì)算，解出輸出參數(shù)，而后傳遞到活動(dòng)二，活動(dòng)二的屬性參數(shù)因此被修改，這種改變將在仿真進(jìn)行到活動(dòng)二時(shí)生效。

力學(xué)模型是一個(gè)獨(dú)立、封裝的仿真模塊，由輸入?yún)?shù)、計(jì)算模型、輸出參數(shù)組成。力學(xué)模型的基本運(yùn)作方式為：當(dāng)仿真進(jìn)行到與力學(xué)模型互動(dòng)的施工活動(dòng)時(shí)，該活動(dòng)輸出與之相關(guān)的活動(dòng)參數(shù)；隨后這些參數(shù)作為輸入?yún)?shù)傳遞給計(jì)算模型；結(jié)合同樣作為輸入?yún)?shù)的預(yù)設(shè)參數(shù)，計(jì)算模型解出輸出參數(shù)。

參數(shù)化ACD圖中，力學(xué)模型作為媒介，通過(guò)參數(shù)傳遞連接相關(guān)活動(dòng)，成為活動(dòng)間互動(dòng)的橋梁，使活動(dòng)之間能夠相互反饋信息。作為仿真系統(tǒng)的邏輯模型，參數(shù)化ACD圖實(shí)現(xiàn)了活動(dòng)之間的互動(dòng)。集成了力學(xué)模型的參數(shù)化ACD圖，在此基礎(chǔ)上增加了施工與環(huán)境互動(dòng)。

3 工程實(shí)例

某穿江隧道采用盾構(gòu)法施工，其中江西側(cè)陸地暗埋段長(zhǎng)579.12m，圓隧道橫斷面外徑15m，內(nèi)徑13.7m，最深埋深達(dá)55m。盾構(gòu)機(jī)外徑15.43m。暗埋段地表有工業(yè)廠房、公路、民宅、高架路、輕軌、集運(yùn)碼頭，部分區(qū)域?qū)Φ孛娉两悼刂剖謬?yán)格。

根據(jù)某工程鉆孔平面位置信息構(gòu)建地表網(wǎng)格，通過(guò)網(wǎng)格加密算法加密網(wǎng)格，以此對(duì)地層面進(jìn)行建模，并將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)記錄到電子表格中用于沉降查詢。

仿真的對(duì)象是由盾構(gòu)開(kāi)挖引起的地表沉降，采用Peck公式作為計(jì)算模型。Peck公式是一種基于高斯分布的盾構(gòu)隧道施工地表沉降計(jì)算方法。

在這個(gè)盾構(gòu)法施工過(guò)程中選取最具代表性的一個(gè)部分的活動(dòng)循環(huán)作為研究對(duì)象，其中包括切土，頂進(jìn)，拼裝，排土四個(gè)活動(dòng)。這部分的ACD圖如圖3所示。

仿真建模平臺(tái)采用Virtools。Virtools是一套具備豐富的互動(dòng)行為模塊的實(shí)時(shí)3D環(huán)境虛擬實(shí)境編輯軟件，可以通過(guò)行為模塊編寫(xiě)程序腳本，制作出許多不同用途的3D產(chǎn)品，如網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)游戲、多媒體、建筑設(shè)計(jì)、交互式電視、教育訓(xùn)練、仿真與產(chǎn)品展示等。

利用Virtools中預(yù)定義的行為模塊以及二次開(kāi)發(fā)行為模塊，根據(jù)模塊化建模思維，按照?qǐng)D3所示參數(shù)化ACD圖的結(jié)構(gòu)，將行為模塊封裝成圖4所示Virtools腳本圖。

圖中Q：Ring for Support模塊和Q： Space for a Ring模塊是資源節(jié)點(diǎn)，Peck Formula是計(jì)算模型，其余都是施工活動(dòng)。仿真啟動(dòng)后，切土、頂進(jìn)、排土、拼裝循環(huán)進(jìn)行，頂進(jìn)活動(dòng)向力學(xué)模型輸出盾構(gòu)機(jī)位置參數(shù)和方向參數(shù)，排土活動(dòng)向力學(xué)模型輸出土體損失率η，初始土體損失率設(shè)定為7%。由圖5，仿真進(jìn)行到第30環(huán)時(shí)最大地面沉降為43.4mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的30mm限值。力學(xué)模型將沉降值過(guò)大的信息通過(guò)參數(shù)傳遞反饋給排土活動(dòng)，排土活動(dòng)因此降低排土率至5.5%。施工到第40環(huán)時(shí)，最大沉降已經(jīng)控制在了30mm以內(nèi)，為27.5mm（圖6）。

4 結(jié)論

盾構(gòu)法施工會(huì)造成地表沉降，并因此影響周邊環(huán)境。許多現(xiàn)有的仿真方法能夠較好地計(jì)算出地表沉降，但是由于不能考慮施工參數(shù)的改變而得不到大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的活動(dòng)循環(huán)圖作為邏輯模型在施工生產(chǎn)、管理仿真領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，但是活動(dòng)之間欠缺互動(dòng)限制了其在工程領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

該文在傳統(tǒng)活動(dòng)循環(huán)圖（ACD）的基礎(chǔ)上，提出了集成力學(xué)模型的參數(shù)化活動(dòng)循環(huán)圖，并以此作為邏輯模型，在Virtools平臺(tái)上搭建了施工-環(huán)境之間、活動(dòng)之間能夠互動(dòng)的仿真系統(tǒng)，讓通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)施工參數(shù)優(yōu)化成為可能。最后通過(guò)一個(gè)工程實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性。

該文僅對(duì)土體損失率進(jìn)行優(yōu)化，而且在仿真中僅考慮了排土量對(duì)土體損失率的影響。藉由參數(shù)化活動(dòng)循環(huán)圖的方法，在以后的工作中可以更全面地考慮施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 李澤榮.地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降的數(shù)值模擬研究[D]. 西安： 西安科技大學(xué)，2009.

[5] 朱忠隆，孫鈞，張慶賀.盾構(gòu)法隧道施工變形智能模糊控制方法研究[J]. 巖土力學(xué)，2005，26（6）： 896-900.

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