地下通道施工步序的模拟仿真

张孟玫，衡朝阳

(1.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；2.中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013)



地下通道施工步序的模拟仿真

张孟玫1，衡朝阳2

(1.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；2.中国建筑科学研究院地基基础研究所，北京 100013)

大型地下通道施工通常要经过十几道施工步序才能完成，施工技术人员需要严格按照施工步序分部组织进行施工，才能达到最终设计要求。为了更好地满足生产实际的要求，需要将复杂的施工步序在进行施工之前就准确地展示出来。以实际工程为例，将三维设计技术应用于地下通道施工设计中，利用三维仿真软件Inventor进行地下通道施工步序的模拟仿真，演示地下通道施工的全过程，为地下通道施工设计提供新的技术方法。

地下通道；Inventor；施工技术；计算机仿真

随着我国城市经济建设的不断发展，城市交通拥挤问题也越来越突出。在复杂的城市交通体系建设中，常常会利用地下通道贯穿连接城市之间的主干道。地下通道能使行人大量、快速、安全地通过，解决了大城市核心区域的行人交通拥挤和安全问题，同时也起到了美化城市景观的作用。

地下通道一般分为浅埋和深埋2种。前者是将区间通道埋设在街道之下，是在距离地表较近的地下进行地下洞室施工的一种方法，地下过街通道、城市地下热力、电力管道等通常采用浅埋法进行施工。浅埋地下通道又分为明挖法和暗挖法2种，在城市核心地区，由于地面交通繁忙，为了使地下工程施工过程不影响地面交通正常运行，经常采用浅埋暗挖法施工。浅埋暗挖法沿用新奥法基本原理，初次支护按承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌作为安全储备，初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。在城镇软弱围岩地层中，在浅埋条件下修建地下工程，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，以格栅(或其他钢结构)和喷锚作为初期支护手段，按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字原则进行施工。

大型地下通道施工一般要经过十几道施工步序，包括分部进行导洞开挖、放置工字钢初支护板、分层喷射混凝土、浇筑主体混凝土结构等。这些施工步序既有先后顺序，有些又是同时交叉进行。技术人员需要严格按照施工步序组织施工，才能达到最终设计要求。为了预先了解施工的全过程，解决施工过程中会出现的问题，利用三维仿真软件Inventor进行地下通道施工步序的模拟仿真，将计算机辅助施工应用于具体工程当中，对地下通道施工的顺利进行具有很好的指导作用。

1　地下通道施工方案

1.1工程介绍

拟建的胶州市市民广场人防工程位于胶州市南中轴线世纪大道，地下人防工程为地下一层，框剪结构，筏板基础，总建筑面积为35 749 m2。在地下人防横穿胶州市香港路时，为使地下工程施工不影响地面公共交通的运行，拟采用浅埋暗挖法进行施工，暗挖穿越香港路区段长约64.5 m，宽为15.0 m，高度为5.9～6.9 m，结构顶板距现地面仅2.5～3.5 m。工程重要性等级为一级。

根据现场实际情况，拟采用长大管棚支护下的暗挖施工法进行施工。管棚采用无缝钢管，直径为325 mm，壁厚为8 mm，钢管内灌注C20混凝土。管棚采用顶管法施工，为保证管棚受力工况合理，在管棚两端设置门框，管棚施工完毕后与门框焊牢。初期支护采用工字钢架+钢筋网片喷射混凝土方式进行。

胶州香港路b-g轴线以北区域地下通道初支导洞布置标准断面图如图1所示。管棚支护后地下通道分左、右、中3个导洞分别进行开挖支护，每个导洞又分上下两层分别开挖，开挖后使用工字钢初支顶板、底板，制作侧墙、中隔壁、分层喷射混凝土等，最终进行主体结构混凝土的浇注。

1.2施工步序

施工步序是指施工过程的先后顺序，也包含具体的施工工艺。施工中先要完成前一道施工步序中的内容才能进入下一道施工步序，施工步序是通过对工程所采用的施工方法、受力分析、场地布置等因素综合考虑后制定的。胶州香港路b-g轴线以北区域地下通道施工步序一如图2所示。在该施工步序中，首先进行管棚支护，按照顶部→右侧→左侧的顺序在指定位置打入长度约为65.5 m的钢管61根，管幕钢管间采用锁扣连接，形成整体。每根管幕钢管需要多节钢管焊接形成，单节加工长度为6 m。管棚施工完毕后进行1号导洞开挖，1号导洞分上下两部分分别进行开挖，上部分开挖后使用工字钢初支顶板，制作侧墙，放置工字钢横撑等。1号导洞上部分开挖到3 m后开始开挖1号导洞下半部分并进行支护。

工程主要包括13道施工步序，其顺序为：管幕顶进坑及后背墙施工→管幕施工→管棚两端门框及基础施工→开挖支护1号导洞→1号导洞开挖≥6 m后开挖支护2号导洞→1号导洞开挖≥12 m、2号导洞开挖≥6 m后开挖支护3导洞→破除中隔壁下部混凝土，中隔壁工字钢、止水钢板施工制作，底板防水层施工制作→底板钢筋绑扎、支模、混凝土浇筑→拆除侧洞角撑及横撑、侧墙防水层施工制作→侧墙、混凝土柱钢筋绑扎、支模、浇筑混凝土→破除中隔壁上部混凝土，中隔壁工字钢、止水钢板施作，顶板防水层施工制作→顶板、混凝土柱帽钢筋绑扎、支模、浇注混凝土→拆除中隔壁及斜撑，顶板与防水层之间注浆。

2　地下通道施工模拟仿真

2.1施工步序三维建模

Inventor是美国Autodesk公司推出的一款三维可视化实体建模仿真软件，广泛用于机械与建筑工程领域的三维建模与仿真中。笔者利用Inventor进行地下通道施工步序的建模与仿真。

首先建立长宽高分别为60、18、12 m的长方体作为修建地下通道的土体，根据施工步序一，在指定位置分别打入无缝钢管，钢管内灌注混凝土，形成管幕，并且设置前后桩顶冠梁。然后利用Inventor的拉伸挖切特征模拟土方开挖形成导洞：开挖左侧1号导洞，1号导洞分上下顺序分步进行开挖，上半部分开挖3 m后，开始开挖下半部分。同时边开挖导洞边进行支护，角部有斜撑，上下之间有工字钢撑。1号导洞开挖6 m后开始开挖支护右侧2号导洞。1号导洞开挖≥12 m、2号导洞开挖≥6 m后开挖支护中间的3号导洞。地下通道施工模型如图3所示，其各部分结构分别造型后按照工程图要求进行装配。包括以下内容：无缝钢管形成的管幕；钢管内浇铸混凝土形成灌注桩；前后设置桩顶冠梁；网喷护面墙；1号导洞分部进行土方开挖及内部支护结构；2号导洞分部进行土方开挖及内部支护结构以及3号导洞的土方开挖及内部的支护结构。

2.2Inventor施工过程模拟仿真

建筑虚拟施工技术是将以虚拟现实为基础的仿真技术应用于建筑施工领域，利用虚拟现实技术建立建筑物的数字模型和施工技术模型，对施工方案进行实时、交互、逼真的模拟。施工过程模拟仿真是一项将设计图通过计算机辅助设计系统变成实物演示的复杂工作，利用虚拟仿真技术研究工程施工过程，对工程施工进行前期预演和论证，能够简化施工程序，提高劳动效率，并且能够预知施工过程中的关键控制点，采取有效的强化措施，从而大大降低施工难度，实现风险控制，保证施工质量。同时设计的仿真也有利于设计单位与业主、施工单位进行设计交底，使各方在施工之前比较直观地了解施工过程。

Autodesk Inventor提供了多种工具创建动画和构建模型的优质渲染。笔者利用Inventor的表达视图模块模拟仿真地下通道的施工过程。表达视图是 Autodesk Inventor 主文件格式之一，他使用 .ipn 作为扩展名。可以为设计工作的下游用户提供部件中零件和子部件如何配合及交互作用的清晰过程。笔者在前期建立的地下通道施工三维模型的基础之上，按照施工步序，对地下通道的施工过程进行模拟仿真。步序一中，往土体中打入钢管，形成管幕的仿真过程截图如图4所示。右侧2号导洞开挖后放入囧形支撑架的仿真过程截图如图5所示。

3　结论

三维设计仿真技术是正在不断发展的现代设计方法，他借助计算机辅助设计系统广泛应用于生产建设的各个领域。笔者利用计算机辅助设计系统Inventor进行大型地下通道施工过程的模拟仿真，通过建立三维模型，动画仿真施工过程中的各个步序， 对施工全过程进行三维可视化模拟，能够在施工前了解各种构件在实际结构中的相对位置和相互关系，预先协调解决地下通道实际施工过程中可能遇到的问题，为传统的地下通道施工设计提供了先进的技术方法。

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Simulation of Underground Tunnel Construction

ZHANG Mengmei1， HENG Chaoyang2

(1.Beijing Institute of Petrochemical Technology， Beijing 102617， China；2.China Academy of Building Research Institute of Foundation Engineering， Beijing 100013， China)

The entire process of constructing a large underground tunnel involves more than a dozen sequences. In order to achieve the final design the builders must strictlyfollow the order of construction sequences. We applied three-dimensional design technology to the underground tunnel construction. With theactual projectas an example, the software Inventor was used to simulate the process of underground tunnel construction.

underground tunnel; inventor; construction technology; computer simulation

2016-04-01

住房和城乡建设部科学技术计划项目(2013-K3-22)

张孟玫(1966—) 女，博士，讲师，主要研究方向为工程图学及计算机辅助设计，E-mail:zhangmengmei@bipt.edu.cn。

TU92

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