浅析TBM隧道管片排版BIM软件开发

刘庆舒，陈改霞

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.首辅工程设计有限公司，四川 成都 610041)

0 前 言

随着我国科技和经济高速发展，机械化施工得到了长足的发展。近年来，各种公路、水工、城市轨道交通项目的隧道工程地形与地质条件越来越复杂，隧道长度也屡创新高，隧道工程采用机械化施工的项目也越来越多。据了解，规划中的川藏铁路、红旗渠项目设计中采用了大量隧道穿越复杂地形条件的模式，未来这些隧道将广泛采用机械化施工。

传统隧道施工采用的钻爆法属于典型的粗放式施工，标准化、信息化程度极低。近年来仅有少量建模软件、计算软件在行业内应用，纵观各行业、各软件平台均无广泛应用的隧道设计、施工、信息化管理模块。随着TBM隧道、盾构隧道增多，特别是随着以装配式隧道管片为衬砌的隧道的出现，隧道工程将迎来标准化、信息化的高速发展。

笔者结合西藏DXL隧道TBM隧道施工管片排版管理的问题，开发了一套专用的TBM隧道管片排版BIM软件。软件功能涵盖了隧道路线、管片参数输入、预排版、动态排版、后期管理等。本文对使用TBM隧道管片排版软件及理解软件的原理有较大的帮助，对开发类似BIM软件有一定的参考价值。

1 隧道路线解算

设计路线是一条空间平滑曲线，是一条满足隧道功能需要的虚拟连续曲线。空间曲线投影到水平面称为平面线形，在平面线形的展开图上，以路线长度为横坐标，高程为纵坐标构成路线的纵面线形。常见的路线设计方法和路线设计软件都是将路线分为平面和纵断面来进行设计。

从数学上看，平面线形是由直线、回旋线和圆曲线组成的一条平面曲线。根据平面曲线理论，平面线形可由起点处的桩号、坐标、方位角及曲率图来描述和定义，其中曲率图为平面线形的曲率方程。采用分段函数和微积分可以求路线上任意点的坐标和水平切线方向。

有一些文献对直线、回旋线和圆曲线采用不同的方式建模，不具备统一性，编程实现更为复杂，是不适宜的。

纵面线形由直线坡段和竖曲线两种线形要素组成，竖曲线一般采用圆曲线或二次抛物线。同样地，将坡度图视作曲率图，采用相同的方法，可以使用统一的公式计算任意点的高程。

根据确定的边界条件，路线上任意一点的三维坐标和水平切线方向可以很快确定。以该点坐标为原点，以水平切线方向为y方向，该方向在水平面内顺时针水平旋转90°，可得到路线的水平垂直方向，以此为x方向，同时，以过该点的垂线为z方向，即可构建该桩号的局部坐标系。

2 管片分类

目前国内外TBM隧道主要采用两种管片形式。

(1)普通管片：①标准环+左转弯环+右转弯环；②左转弯环+右转弯环。隧道直线段采用等宽的标准环，使用转弯环来实现对圆曲线、缓和曲线段的拟合。由于转弯环的拼装点位是固定的，因此不利于隧道施工过程中对管片轴线的准确控制。

(2)通用管片：通用管片(见图1)利用左右环宽不等的条件，旋转管片到一定角度进行拼装，通过管片的一系列拼装点位组合来拟合设计轴线。通用管片使用模具少，成本更低，拟合效果更好，在TBM隧道中得到了越来越多的应用。

图1 通用管片模型(黑色为封顶块)

3 通用管片的数学模型

通用管片主要参数有：管片(外)直径、宽度、厚度、楔形量、螺栓组数，其中与管片排版密切相关的参数为直径(D)，宽度(B)，楔形量(delta)，螺栓组数(N)。

一般认为，管片环内部是连续的、无错台、具有整体性，其被视为环形来研究，在数学上，空间中刚体的自由度为6。但是，为了表述方便，采用7个参数来确定管片环在空间中的位置。

取管片环起始面中心点为管片环的原点(x，y，z)，取管片环轴线为管片环的方向向量(l，m，n)，取封顶块在x轴垂直面上旋转的点位k为定位参数。通过x，y，z，l，m，n，k这7个参数就确定了管片环在空间中的位置。

通过方向向量(l，m，n)的旋转，可以很方便地求得起始面、末端面的法向量。假设相邻两环管片末端面和起始面重合，中心点也重合，由i-1块的方向向量可以很容易求出第i块的方向向量(k的函数)。

4 管片预排版方法

管片预排版是指根据隧道设计路线和管片的参数对管片进行预先统筹安排。预排版可以用于检查设计的有效性，由此隧道三维模型可以进行可视化展示、施工动态规划等。

预排版的核心是在允许的拼装点位中寻找最优拼装点位组合。在第i-1块确定的情况下，通过对第i块的末端面中心点与路线误差求最小值，可很方便地求出第i块的最优解。

为了求出所有管片的最优解，可以基于最小二乘法进行计算。需要计算的组合有N环数种(N为螺栓组数)。当块数增多后，计算量过大，无法进行计算。因此，限定需要计算的环数是必要的。实际上，在预排版时模型仅用于展示等，对其精度要求不高，可以认为每环的最优解的线形组合就是整个隧道的最优解，以减少不必要的计算。

5 动态排版

TBM隧道管片动态排版是指在施工时，根据现场量测的TBM位置、姿态，以施工的管片的限制条件确定新的管片位置。动态排版是本软件的核心功能和亮点。

5.1 影响因素

除了隧道设计路线和管片本身的限制条件外，动态排版需要考虑的因素还包括拼装方式、拼装点位、油缸行程差、盾尾间隙等。

(1)管片的拼装方式有通缝拼装和错缝拼装两种。通缝拼装是指管片的纵缝对齐，错缝拼装要求相邻管片的纵缝错开拼装，拼装方式的选择直接影响管片点位的选择范围。两种拼装方式各有优缺点，目前TBM隧道施工中较多采用的是错缝拼装。

(2)拼装点位是指管片拼装时封顶块所在位置。为了便于施工，封顶块一般不能设置在最下方，动态排版时需要将这些点位排除。

(3)TBM掘进时以千斤顶的行程变化作为控制。TBM的油缸通常分为上、下、左、右四组。油缸行程差意味着TBM轴线与管片环方向向量存在偏差，油缸行程差可以从一定程度上反映出TBM和管片环的姿态关系。

(4)TBM施工时，管片拼装是在TBM后护盾内部完成的，TBM护盾内壁和管片环之间存在一定的空隙，称为“盾尾间隙”。由于施工误差、地质原因等，护盾中心线和管片环中心线总会有一定的偏差。如果盾尾间隙过小，容易导致护盾和管片产生干扰，造成管片错台和破坏。管片拼装时必须考虑点位选择对盾尾间隙的影响，避免出现盾尾间隙过小的情况。

5.2 各影响因素的计算方法

(1)一般情况下，封顶块只有一组环向螺栓，其他块有三组环向螺栓。通缝拼装就是要求相邻两环的封顶块位置和3的模数相等；错缝拼装就是要求相邻两环的封顶块位置和3的模数不相等。比如，第i环的封顶块位于0号位，第i+1环的封顶块位于0，3，6……就是通缝拼装，不位于0，3，6……就是错缝拼装。拼装模式确定后，采用模数(mod)可以很容易地排除不能选用的点位。

(2)管片环的设计参数确定后，(底部)禁用的点位是确定的，可以直接排除。比如，对于6+1块的管片环，共有19(6×3+1=19)个点位，一般地，8、9、10几个点位不使用。

(3)油缸行程差计算较为简便，直接以左侧油缸行程-右侧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竖直油缸行程差。

5.3 控制原则

TBM施工中，管片的排版拼装是一个非常重要的环节，影响到TBM掘进机的后续施工和隧道最终的成型质量。隧道施工时通过一系列管片的首尾联接来拟合隧道设计路线。管片排版拼装过程中，盾尾间隙、油缸行程差是需要考虑的排版影响因素，即保证盾尾间隙，调节油缸行程差来协调TBM掘进机的正常掘进。

管片排版的基本原则是：

(1)正常施工中，保证盾尾间隙大于一个阈值。

(2)掘进过程中，油缸的行程差不能太大。

(3)确保隧道结构路线和设计路线偏差不能超过规定值。

5.4 动态排版

5.4.1 第0环

第0环拼装时，边界条件较简单，可以人工选择。基本原理是将管片环起始面和末端面的中心点都放置在路线上，此时误差是最小的。在给定隧道管片拼装的起点桩号后，可以确定第0块管片的x，y，z，l，m，n，对于管片的封顶块位置k，可以任意选择(根据测试，第0块k的取值对整个隧道的排版影响不大)。

此外，当管片环因施工出现异常，但又不需要进行隧道路线纠偏时，在不影响隧道使用功能的情况下，可以重新在“正确”的设计路线上开始排版，重新开始的第0'块也按上述方式确定。

5.4.2 第i环排版

根据管片排版的基本原则，在已知行程差不太大的情况下，既要考虑盾尾间隙，又要考虑管片相对于隧道设计路线的偏差，可以设置一个综合函数进行控制，并设置不同的权重参数进行调整。

设Δhi、Δvi分别为第i环盾尾间隙水平和竖直方向的偏差，Δdi为第i环管片末端面中心点距离路线的偏差，第i环管片动态拼装的问题等价于在封顶块可以拼装的点位取值范围内，求下式的最小值：

Δ(k)=γ1Δh2+γ2Δv2+γ3Δd2

式中，γ1、γ2、γ3分别为对应的权重控制系数。

Δhi、Δvi、Δdi均可在第i-1环的基础上进行计算。如此循环，即可对整个隧道进行动态排版。

6 管片管理BIM模型

隧道管片施工时产生很多数据，由于隧道工程是线形工程，在施工过程中，这些数据对后续施工有重要的参考价值。施工完成时，这些数据可以为编写竣工资料提供便利；后期运营时，这些数据将是运营、维护的基础资料。因此，施工时如实将施工信息记录下来，是管片管理BIM模型的重要工作。

本软件记录的数据包括管片环的几何数据、类型、施工时间、地质信息等。本软件具有可扩展性，还可以记录施工进度、TBM推力、掘进速度、扭矩、施工异常等信息。

总而言之，管片管理BIM模型是一个基于三维可视化的数据平台，可以很方便地进行包括几何信息和附加信息在内的各种信息的可视化查询与管理。

7 软件开发

本软件的核心是在考虑隧道设计路线、管片参数的前提下，动态地进行管片选型，并实时记录施工信息以便后期应用。软件使用需要可视化，方便操作，便于后期扩展。软件动态排版界面见图2，动态排版效果见图3。

本软件采用Microsoft Visual Basic 6.0为编程语言，开发软件环境为Windows、CATIA、AutoCAD。软件主要功能如下：

(1)通过读取AutoCAD平纵图，生成路线参数。

(2)通过读取纬地软件平纵参数文件，生成路线参数。

(3)对管片信息进行编辑和管理，生成对应的三维模型。

(4)施工前，对管片进行预排版，检查管片参数、路线参数的合理性，进行可视化展示。

(5)施工过程中，根据实测管片位置和姿态，盾尾间隙、油缸行程差动态选定管片。

(6)软件设置后台数据库，根据施工情况进行实时记录管片信息。工程完工时即可生成包含周边地质条件在内的管片竣工信息，进行各种查询、定位，为后期隧道管片维护提供基础信息。

图2 软件动态排版界面

8 结论及展望

基于上述分析，笔者开发出一套TBM隧道管片排版BIM软件，在DXL隧道TBM施工中进行了试点应用，取得了一定的效果，该软件已申请软件著作权登记。根据软件开发和软件使用期间的经验，有如下结论和建议。

(1)TBM隧道施工、盾构隧道施工等机械化施工方式为隧道工程信息化提供了良好的条件。随着粗放型施工向精细化施工转型，隧道BIM系统的研究、应用将会有更深入的发展。

(2)本软件解决了隧道设计路线、管片参数的输入，管片预排版，动态排版，后期管片信息管理等一系列问题，在个别项目试点应用效果良好，具有一定的推广价值。

(3)本软件编制过程中主要从设计角度考虑，忽略了施工现场的一些数据。下一步将采用传感器、视频摄像头等技术设备，增加诸如TBM施工进度、推力、掘进速度、扭矩、出渣(地质情况)、施工异常情况等信息。

(4)目前隧道管片有关研究主要集中在管片动态排版和TBM导向两个方面。本软件解决了TBM位置、姿态确定条件下的动态排版问题，没有涉及管片、油缸行程差对TBM的影响。下一步，需要结合管片动态排版和TBM导向两个问题来进行更深入地讨论。