文章編號1000-5269（2024）05-0095-07 DOI：10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2024.05.13

摘要：為實(shí)現(xiàn)施工監(jiān)控信息與施工仿真信息相結(jié)合的有效對照，解決盾構(gòu)施工參數(shù)動態(tài)調(diào)整的安全監(jiān)控問題。首先，以沉降控制值為依據(jù)，通過有限元仿真確定盾構(gòu)參數(shù)的合理區(qū)間，從而確定沉降理論值；其次，建立以沉降理論值和沉降控制值雙因素控制的仿真預(yù)警體系；最后，用Dynamo實(shí)現(xiàn)數(shù)模結(jié)合和監(jiān)測信息的可視化表達(dá)。研究結(jié)果表明：仿真和預(yù)警的結(jié)合，解決了盾構(gòu)施工參數(shù)的動態(tài)控制問題；監(jiān)測信息的數(shù)模結(jié)合，解決了監(jiān)測信息的高效實(shí)時(shí)可視化表達(dá)問題。研究成果為盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測提供了一種高效的監(jiān)測方法。

關(guān)鍵詞：仿真預(yù)警；可視化；有限元；Dynamo；沉降監(jiān)測 中圖分類號：U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

盾構(gòu)法施工以其機(jī)械化程度高、施工速度快、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)［1-2］，成為地鐵隧道施工的首選。濱河濱海地區(qū)，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程對巖土體的擾動，易使地表產(chǎn)生隆沉變形［3］。傳統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警方法缺乏施工仿真值實(shí)時(shí)對比，使盾構(gòu)施工調(diào)整的及時(shí)性與科學(xué)性不足；巨量監(jiān)測信息缺乏可視性，監(jiān)控系統(tǒng)信息滯后，難以實(shí)現(xiàn)事前預(yù)警，導(dǎo)致地表過大沉降時(shí)有發(fā)生。

為模擬盾構(gòu)施工對沉降影響問題，楊圓等［4］采用Abaqus有限元軟件對武漢地鐵11號線典型掘進(jìn)段進(jìn)行精細(xì)化仿真，得到沉降模擬值，并運(yùn)用三維Peck公式得出沉降計(jì)算值，最后與施工過程中典型監(jiān)測點(diǎn)的沉降監(jiān)測值進(jìn)行對比；于德海等［5］采用三維有限元程序Midas及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了大連地鐵2號線香沙路段的盾構(gòu)下穿鐵路橋所造成的沉降影響；尚藝溦［6］采用FLAC3D有限差分程序?qū)ξ靼驳罔F二號線鐘樓—永寧門區(qū)段進(jìn)行模擬計(jì)算，研究不同施工方案下覆土厚度、盾尾注漿強(qiáng)度、掘進(jìn)壓力、及管片剛度對地層變形的影響，獲取地表沉降變化規(guī)律。

為解決監(jiān)測信息可視性問題，袁釗［7］利用SkyLine系列軟件作為空間分析的可視化平臺，對監(jiān)測數(shù)據(jù)放大處理；閆開云［8］基于GIS，設(shè)計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)三維可視化子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)的三維展示及變形規(guī)律的可視化分析；張凱南［9］基于Dynamo建立運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預(yù)警可視化系統(tǒng)，通過不同預(yù)警可視化顏色在單管片上的映射，實(shí)時(shí)了解隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。

以上研究分別解決了施工仿真和監(jiān)測信息可視性問題，但是未將二者結(jié)合形成體系。BIM技術(shù)以其三維可視性、協(xié)調(diào)性、模擬性等優(yōu)點(diǎn)，成為二者結(jié)合的重要工具 ［10-11］ 。本研究的目的是建立一套信息化仿真與可視化監(jiān)控相結(jié)合的實(shí)時(shí)仿真預(yù)警體系，并探索在廣州地鐵18號線的應(yīng)用。

本研究關(guān)鍵技術(shù)問題包括：（1）基于有限元的盾構(gòu)隧道施工仿真問題；（2）信息化仿真與可視化監(jiān)控的結(jié)合問題；（3）巨量監(jiān)測信息的實(shí)時(shí)可視化預(yù)警問題。

本文采取的技術(shù)路線如下：（1）盾構(gòu)隧道施工采用有限元仿真，以沉降控制值為依據(jù)，研究盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力的合理區(qū)間；（2）根據(jù)推進(jìn)力確定沉降理論值，并結(jié)合沉降控制值形成仿真預(yù)警系統(tǒng)；（3）采用Dynamo建立數(shù)模結(jié)合系統(tǒng)，使監(jiān)測信息可視化，對超限信息的位置和預(yù)警級別實(shí)時(shí)示警。

1工程概況

1.1工程概述

廣州地鐵18號線萬頃沙站—橫瀝站區(qū)間線路大致呈南北走向，區(qū)間設(shè)置1座中間風(fēng)井和1座盾構(gòu)井。正線區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為ZDK0+740.313，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為ZDK5+775.094。盾構(gòu)機(jī)開挖直徑8 850 mm，隧道外徑8 500 mm，內(nèi)徑7 700 mm，管片楔形量為46 mm，拼裝方式為錯(cuò)縫拼裝。區(qū)間隧道覆土厚度為8.3～24.9 m。

1.2工程地質(zhì)條件

萬頃沙站—橫瀝區(qū)間穿越地層主要有淤泥質(zhì)土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，局部為中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖。

場地地貌屬于珠江三角洲沖積平原，地形較平坦，沿線地面高程為3.04～7.02 m。場地現(xiàn)狀主要為道路、農(nóng)田和民居。盾構(gòu)區(qū)間下穿河涌、工業(yè)園以及珠江街等建成區(qū)，如圖1所示。

1.3風(fēng)險(xiǎn)情況

隧道下穿珠江街中心城區(qū)，隧道正上方及結(jié)構(gòu)邊線兩側(cè)8 m范圍內(nèi)共計(jì)有民房約126棟。民房主要為1～6層，基礎(chǔ)形式為淺基礎(chǔ)、木樁、鉆孔樁等。民房場地范圍內(nèi)分布較深厚的淤泥質(zhì)土軟弱地層。如施工控制不當(dāng)，易導(dǎo)致管片碎裂、滲漏，可能導(dǎo)致周邊房屋產(chǎn)生沉降過大、傾斜開裂甚至倒塌等事故。

2基于有限元的盾構(gòu)隧道施工仿真研究

考慮到以往研究基礎(chǔ)，本文依據(jù)各盾構(gòu)施工段的地質(zhì)信息，運(yùn)用MIDAS/GTS NX有限元仿真軟件建模、劃分網(wǎng)格并輸入邊界條件。通過數(shù)值仿真研究在不同的推進(jìn)力下沉降變形的時(shí)空分布，以評價(jià)盾構(gòu)施工參數(shù)對沉降的影響。

2.1模型概況

以盾構(gòu)隧道左線985～1 080環(huán)的地質(zhì)信息為例，利用MIDAS/GTS NX的修正摩爾-庫倫模型模擬土層。建立的模擬模型整體尺寸長66 m，寬16 m，高54 m，共15 086個(gè)單元，見圖2。在模型上輸入盾構(gòu)仿真地層參數(shù)和材料參數(shù)，如表1、表2所示。

2.2模型推進(jìn)力的設(shè)置

取開挖面上的每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)為研究對象，分別設(shè)置每個(gè)開挖面上相同均勻的推進(jìn)壓力［12］。施工的壓力分別為0、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 kN。

2.3數(shù)據(jù)處理過程

取仿真模擬模型的y=8 m平面為分析平面，寬度為16 m。仿真模型數(shù)據(jù)處理的步驟如下：（1）開挖隧道土體第1環(huán)，并激活第1環(huán)板單元及第2環(huán)推進(jìn)力，使用盾殼屬性；（2）開挖隧道土體第2環(huán)，激活第2環(huán)板單元及第3環(huán)推進(jìn)力，使用盾殼屬性；（3）開挖隧道土體第3環(huán)，激活第3環(huán)板單元及第4環(huán)推進(jìn)力，使用盾殼屬性；同時(shí)激活第1環(huán)管片單元，并修改為管片屬性，且將第1環(huán)盾殼單元屬性修改為注漿；（4）開挖隧道土體第4環(huán)，激活第4環(huán)板單元及第5環(huán)推進(jìn)力，使用盾殼屬性；同時(shí)激活第2環(huán)管片單元，并修改為管片屬性，且將第2環(huán)盾殼單元屬性修改為注漿；（5）此后按此類推，直至完成施工任務(wù)。

2.4數(shù)據(jù)結(jié)果分析

組合不同推進(jìn)力下的仿真結(jié)果如圖3如示，各沉降曲線均呈現(xiàn)出明顯的“V”字型，與PECK［13］提出的橫斷面地表沉降預(yù)測公式的沉降規(guī)律有較好的符合性。仿真結(jié)果揭示：本施工段以變形量30 mm為控制值時(shí)，推進(jìn)力8 000～12 000 kN是合理的；以變形量20 mm為控制值時(shí)，推進(jìn)力10 000～12 000 kN是合理的，由此確定推進(jìn)力的合理區(qū)間。根據(jù)實(shí)際推進(jìn)力，計(jì)算得空間各點(diǎn)的沉降理論值，作為沉降控制對比的依據(jù)。

3可視化仿真預(yù)警體系的建立研究

3.1沉降監(jiān)測體系的設(shè)計(jì)

3.1.1沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置

地鐵盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段沿隧道掘進(jìn)方向每5 m設(shè)置1個(gè)地表沉降監(jiān)測點(diǎn)為中線點(diǎn)，每10 m設(shè)置3個(gè)地表沉降監(jiān)測點(diǎn)為小斷面，每50 m設(shè)置9個(gè)地表沉降監(jiān)測點(diǎn)為大斷面。在掘進(jìn)影響范圍內(nèi)，所有房屋、管線、橋梁等位置的特征點(diǎn)也要布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。

3.1.2沉降監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)

沉降監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)時(shí)，用鐵錘將頂部加工為半圓球的20 mm鋼筋打入土層約1 100 mm，或直接與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)固定。沉降監(jiān)測點(diǎn)外觀如圖4所示。

3.1.3沉降監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測頻率

沉降監(jiān)測項(xiàng)目及控制標(biāo)準(zhǔn)見表3［14］，監(jiān)測頻率見表4［14］。

3.2仿真預(yù)警體系的可視化構(gòu)建

3.2.1仿真預(yù)警體系的構(gòu)建

仿真預(yù)警體系受沉降理論值和沉降控制值雙重因素的影響，既可以量化盾構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生的沉降偏差值，又可對變形的發(fā)展作進(jìn)一步預(yù)估，使盾構(gòu)參數(shù)的調(diào)整時(shí)間更具精確性。此外，盾構(gòu)參數(shù)調(diào)整后重新生成沉降理論值，又可以作為下一階段仿真預(yù)警的依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工的動態(tài)控制。

（1）仿真預(yù)警場景

①沉降監(jiān)測值與沉降理論值呈相反方向；②沉降監(jiān)測值超過沉降理論值；③沉降監(jiān)測值接近或超過沉降控制值。

（2）仿真預(yù)警等級

以綠、藍(lán)、黃、橙、紅5種顏色對應(yīng)沉降監(jiān)測值的5種狀態(tài)，其中，綠色表示安全狀態(tài)，藍(lán)色表示風(fēng)險(xiǎn)提示，黃、橙、紅表示遞進(jìn)式三級綜合預(yù)警狀態(tài)。報(bào)警觸發(fā)條件如表5所示。

預(yù)警控制級別急緩程度觸發(fā)條件藍(lán)色警示一般沉降監(jiān)測值大于沉降理論值且小于黃色預(yù)警值，或沉降監(jiān)測值與沉降理論值呈相反方向黃色預(yù)警一般沉降監(jiān)測值大于沉降控制值的70%橙色預(yù)警急沉降監(jiān)測值大于沉降控制值的85%紅色預(yù)警緊急沉降監(jiān)測值大于沉降控制值

（3）仿真預(yù)警體系

空間各點(diǎn)沉降理論值與監(jiān)測項(xiàng)目的黃、橙、紅三級預(yù)警之間，有可能形成4種工況關(guān)系，如圖5所示。按圖6的流程判斷沉降監(jiān)測值所處的位置，并基于BIM模型分色預(yù)警，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息的可視化表達(dá)，形成仿真預(yù)警體系。

3.2.2基于Dynamo的仿真預(yù)警體系可視化設(shè)計(jì)

（1）分級預(yù)警的可視化原理

Dynamo是AUTODESK公司旗下Revit軟件自帶的可視化編程工具，利用Dynamo可以實(shí)現(xiàn)沉降監(jiān)測信息與BIM模型的結(jié)合。監(jiān)測信息可視化的基本原理如圖7［15］所示，主要步驟為

①建立沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM族模型；

②在BIM模型上添加 “沉降監(jiān)測值”、“沉降理論值”與“沉降控制值”的族參數(shù)并賦值；

③按監(jiān)測方案布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型；

④用Excel表建立數(shù)據(jù)庫，定時(shí)更新沉降監(jiān)測值；

⑤利用Dynamo自動讀取數(shù)據(jù)庫，將其值批量寫入到各沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型的族參數(shù)中；

⑥運(yùn)行Dynamo程序，使各沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型顯示預(yù)警顏色，實(shí)現(xiàn)可視化預(yù)警。

（2）沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型建模

在沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型上附設(shè)如圖8所示的放大模型，通過圖9所示的族參數(shù)設(shè)置放大模型的顯隱性，使之與沉降監(jiān)測值相關(guān)。當(dāng)沉降監(jiān)測值處于綠色安全狀態(tài)時(shí)，放大模型為“隱藏”狀態(tài)，反之為“顯示”狀態(tài)，以顯隱性控制沉降監(jiān)測點(diǎn)模型的可視效果。

（3）沉降監(jiān)測值的讀入與預(yù)警

監(jiān)測信息表如表6所示，采用Dynamo程序自動批量輸入沉降監(jiān)測值的步驟如圖10所示。

參照圖6的沉降監(jiān)測值分色預(yù)警流程圖，編制Dynamo程序，對各沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型上的沉降監(jiān)測值進(jìn)行多次判斷與分選，實(shí)現(xiàn)分色預(yù)警。

4案例應(yīng)用

在廣州地鐵18號線途經(jīng)的珠江街中心城區(qū)隧道正上方及結(jié)構(gòu)邊線兩側(cè)建筑、管線、橋梁上布置沉降觀測點(diǎn)，用電子經(jīng)緯儀采集監(jiān)測信息。按圖11布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，并建立沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型。

按表3的監(jiān)測項(xiàng)目確定監(jiān)測控制值；再按有限元仿真設(shè)定的盾構(gòu)施工參數(shù)，確定各沉降監(jiān)測點(diǎn)沉降理論值；把相關(guān)信息輸入至沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型。每次監(jiān)測的數(shù)據(jù)形成監(jiān)測信息表。

在Revit中打開可視化仿真預(yù)警Dynamo程序，用過濾器選中所有沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型，運(yùn)行程序批量更新模型里的沉降監(jiān)測值。軟件自動計(jì)算各沉降監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)警狀態(tài)并顯示預(yù)警顏色，沉降監(jiān)測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)平面可視效果如圖12所示，沉降監(jiān)測點(diǎn)測試數(shù)據(jù)三維可視效果如圖13所示。

可見，各沉降監(jiān)測點(diǎn)BIM模型上的監(jiān)測信息已成功寫入，并通過放大模型和分色預(yù)警，快速定位沉降預(yù)警位置及顯示預(yù)警級別。沉降監(jiān)測信息顯示速度快，效率高，可視性強(qiáng)，具有較好的預(yù)警效果。

5結(jié)論

本文的研究得到以下結(jié)論：

1）本文建立了盾構(gòu)隧道施工可視化仿真預(yù)警體系，利用BIM技術(shù)解決了仿真和預(yù)警結(jié)合問題，以及數(shù)模結(jié)合問題，提高了預(yù)警的效率與準(zhǔn)確性；

2）放大模型和分色預(yù)警結(jié)合的技術(shù)手段，可從巨量監(jiān)測數(shù)據(jù)中快速確定沉降預(yù)警位置與預(yù)警級別，使監(jiān)測數(shù)據(jù)具有良好的可視性；

3）盾構(gòu)施工仿真與預(yù)警的結(jié)合，使監(jiān)控預(yù)警體系與施工調(diào)整預(yù)案相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于動態(tài)控制的信息化仿真預(yù)警體系；

4）本技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用，避免了盾構(gòu)施工過程對地表房屋、橋梁等周邊環(huán)境的擾動而造成的停工影響，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，具有廣闊的應(yīng)用場景。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract：

In order to achieve effective comparison between construction monitoring information and construction simulation information and solve the problem of safety monitoring of dynamic adjustment of shield construction parameters. Firstly， we used the settlement control value as the basis and determines the reasonable range of shield parameters through finite element simulation， thereby determining the settlement theoretical value; Secondly， a simulation-based early warning system controlled by both the theoretical value of settlement and the control value of settlement was established; Finally， Dynamo was used to realize the combination of digital and model and the visual expression of monitoring information. The results show that the dynamic control of shield construction parameters was solved by the combination of simulation and early warning; the problem of efficient real-time visualization of monitoring information was solved by the combination of digital and model of monitoring information. The research results should provide an efficient monitoring method for shield tunnel construction monitoring.

Key words：

simulation-based early warning; visualization; finite element; Dynamo; settlement monitoring

收稿日期：2024-01-27

基金項(xiàng)目：

作者簡介：陳鈴培（1980—），男，高級工程師，碩士，研究方向：BIM及智能建造的科研工作，E-mail： 75450513@qq.com.

*通訊作者：陳鈴培，E-mail：75450513@qq.com.