盾构隧道施工可视化仿真预警体系的建立研究

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

摘要：为实现施工监控信息与施工仿真信息相结合的有效对照，解决盾构施工参数动态调整的安全监控问题。首先，以沉降控制值为依据，通过有限元仿真确定盾构参数的合理区间，从而确定沉降理论值；其次，建立以沉降理论值和沉降控制值双因素控制的仿真预警体系；最后，用Dynamo实现数模结合和监测信息的可视化表达。研究结果表明：仿真和预警的结合，解决了盾构施工参数的动态控制问题；监测信息的数模结合，解决了监测信息的高效实时可视化表达问题。研究成果为盾构隧道施工监测提供了一种高效的监测方法。

关键词：仿真预警；可视化；有限元；Dynamo；沉降监测 中图分类号：U456.3 文献标志码：A

盾构法施工以其机械化程度高、施工速度快、适用性强等特点［1-2］，成为地铁隧道施工的首选。滨河滨海地区，工程地质条件复杂，盾构机掘进过程对岩土体的扰动，易使地表产生隆沉变形［3］。传统监测预警方法缺乏施工仿真值实时对比，使盾构施工调整的及时性与科学性不足；巨量监测信息缺乏可视性，监控系统信息滞后，难以实现事前预警，导致地表过大沉降时有发生。

为模拟盾构施工对沉降影响问题，杨圆等［4］采用Abaqus有限元软件对武汉地铁11号线典型掘进段进行精细化仿真，得到沉降模拟值，并运用三维Peck公式得出沉降计算值，最后与施工过程中典型监测点的沉降监测值进行对比；于德海等［5］采用三维有限元程序Midas及现场监测数据研究了大连地铁2号线香沙路段的盾构下穿铁路桥所造成的沉降影响；尚艺溦［6］采用FLAC3D有限差分程序对西安地铁二号线钟楼—永宁门区段进行模拟计算，研究不同施工方案下覆土厚度、盾尾注浆强度、掘进压力、及管片刚度对地层变形的影响，获取地表沉降变化规律。

为解决监测信息可视性问题，袁钊［7］利用SkyLine系列软件作为空间分析的可视化平台，对监测数据放大处理；闫开云［8］基于GIS，设计监测数据三维可视化子系统，实现对各类数据的三维展示及变形规律的可视化分析；张凯南［9］基于Dynamo建立运营隧道结构健康监测预警可视化系统，通过不同预警可视化颜色在单管片上的映射，实时了解隧道结构健康状态。

以上研究分别解决了施工仿真和监测信息可视性问题，但是未将二者结合形成体系。BIM技术以其三维可视性、协调性、模拟性等优点，成为二者结合的重要工具 ［10-11］ 。本研究的目的是建立一套信息化仿真与可视化监控相结合的实时仿真预警体系，并探索在广州地铁18号线的应用。

本研究关键技术问题包括：（1）基于有限元的盾构隧道施工仿真问题；（2）信息化仿真与可视化监控的结合问题；（3）巨量监测信息的实时可视化预警问题。

本文采取的技术路线如下：（1）盾构隧道施工采用有限元仿真，以沉降控制值为依据，研究盾构机推进力的合理区间；（2）根据推进力确定沉降理论值，并结合沉降控制值形成仿真预警系统；（3）采用Dynamo建立数模结合系统，使监测信息可视化，对超限信息的位置和预警级别实时示警。

1工程概况

1.1工程概述

广州地铁18号线万顷沙站—横沥站区间线路大致呈南北走向，区间设置1座中间风井和1座盾构井。正线区间设计起点里程为ZDK0+740.313，设计终点里程为ZDK5+775.094。盾构机开挖直径8 850 mm，隧道外径8 500 mm，内径7 700 mm，管片楔形量为46 mm，拼装方式为错缝拼装。区间隧道覆土厚度为8.3～24.9 m。

1.2工程地质条件

万顷沙站—横沥区间穿越地层主要有淤泥质土、中粗砂、粉质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩，局部为中风化花岗岩和微风化花岗岩。

场地地貌属于珠江三角洲冲积平原，地形较平坦，沿线地面高程为3.04～7.02 m。场地现状主要为道路、农田和民居。盾构区间下穿河涌、工业园以及珠江街等建成区，如图1所示。

1.3风险情况

隧道下穿珠江街中心城区，隧道正上方及结构边线两侧8 m范围内共计有民房约126栋。民房主要为1～6层，基础形式为浅基础、木桩、钻孔桩等。民房场地范围内分布较深厚的淤泥质土软弱地层。如施工控制不当，易导致管片碎裂、渗漏，可能导致周边房屋产生沉降过大、倾斜开裂甚至倒塌等事故。

2基于有限元的盾构隧道施工仿真研究

考虑到以往研究基础，本文依据各盾构施工段的地质信息，运用MIDAS/GTS NX有限元仿真软件建模、划分网格并输入边界条件。通过数值仿真研究在不同的推进力下沉降变形的时空分布，以评价盾构施工参数对沉降的影响。

2.1模型概况

以盾构隧道左线985～1 080环的地质信息为例，利用MIDAS/GTS NX的修正摩尔-库伦模型模拟土层。建立的模拟模型整体尺寸长66 m，宽16 m，高54 m，共15 086个单元，见图2。在模型上输入盾构仿真地层参数和材料参数，如表1、表2所示。

2.2模型推进力的设置

取开挖面上的每个单元节点为研究对象，分别设置每个开挖面上相同均匀的推进压力［12］。施工的压力分别为0、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000 kN。

2.3数据处理过程

取仿真模拟模型的y=8 m平面为分析平面，宽度为16 m。仿真模型数据处理的步骤如下：（1）开挖隧道土体第1环，并激活第1环板单元及第2环推进力，使用盾壳属性；（2）开挖隧道土体第2环，激活第2环板单元及第3环推进力，使用盾壳属性；（3）开挖隧道土体第3环，激活第3环板单元及第4环推进力，使用盾壳属性；同时激活第1环管片单元，并修改为管片属性，且将第1环盾壳单元属性修改为注浆；（4）开挖隧道土体第4环，激活第4环板单元及第5环推进力，使用盾壳属性；同时激活第2环管片单元，并修改为管片属性，且将第2环盾壳单元属性修改为注浆；（5）此后按此类推，直至完成施工任务。

2.4数据结果分析

组合不同推进力下的仿真结果如图3如示，各沉降曲线均呈现出明显的“V”字型，与PECK［13］提出的横断面地表沉降预测公式的沉降规律有较好的符合性。仿真结果揭示：本施工段以变形量30 mm为控制值时，推进力8 000～12 000 kN是合理的；以变形量20 mm为控制值时，推进力10 000～12 000 kN是合理的，由此确定推进力的合理区间。根据实际推进力，计算得空间各点的沉降理论值，作为沉降控制对比的依据。

3可视化仿真预警体系的建立研究

3.1沉降监测体系的设计

3.1.1沉降监测点平面布置

地铁盾构隧道标准段沿隧道掘进方向每5 m设置1个地表沉降监测点为中线点，每10 m设置3个地表沉降监测点为小断面，每50 m设置9个地表沉降监测点为大断面。在掘进影响范围内，所有房屋、管线、桥梁等位置的特征点也要布设沉降监测点。

3.1.2沉降监测点埋设

沉降监测点埋设时，用铁锤将顶部加工为半圆球的20 mm钢筋打入土层约1 100 mm，或直接与现有结构固定。沉降监测点外观如图4所示。

3.1.3沉降监测控制标准与监测频率

沉降监测项目及控制标准见表3［14］，监测频率见表4［14］。

3.2仿真预警体系的可视化构建

3.2.1仿真预警体系的构建

仿真预警体系受沉降理论值和沉降控制值双重因素的影响，既可以量化盾构参数产生的沉降偏差值，又可对变形的发展作进一步预估，使盾构参数的调整时间更具精确性。此外，盾构参数调整后重新生成沉降理论值，又可以作为下一阶段仿真预警的依据，从而实现盾构施工的动态控制。

（1）仿真预警场景

①沉降监测值与沉降理论值呈相反方向；②沉降监测值超过沉降理论值；③沉降监测值接近或超过沉降控制值。

（2）仿真预警等级

以绿、蓝、黄、橙、红5种颜色对应沉降监测值的5种状态，其中，绿色表示安全状态，蓝色表示风险提示，黄、橙、红表示递进式三级综合预警状态。报警触发条件如表5所示。

预警控制级别急缓程度触发条件蓝色警示一般沉降监测值大于沉降理论值且小于黄色预警值，或沉降监测值与沉降理论值呈相反方向黄色预警一般沉降监测值大于沉降控制值的70%橙色预警急沉降监测值大于沉降控制值的85%红色预警紧急沉降监测值大于沉降控制值

（3）仿真预警体系

空间各点沉降理论值与监测项目的黄、橙、红三级预警之间，有可能形成4种工况关系，如图5所示。按图6的流程判断沉降监测值所处的位置，并基于BIM模型分色预警，实现监测信息的可视化表达，形成仿真预警体系。

3.2.2基于Dynamo的仿真预警体系可视化设计

（1）分级预警的可视化原理

Dynamo是AUTODESK公司旗下Revit软件自带的可视化编程工具，利用Dynamo可以实现沉降监测信息与BIM模型的结合。监测信息可视化的基本原理如图7［15］所示，主要步骤为

①建立沉降监测点BIM族模型；

②在BIM模型上添加 “沉降监测值”、“沉降理论值”与“沉降控制值”的族参数并赋值；

③按监测方案布设沉降监测点BIM模型；

④用Excel表建立数据库，定时更新沉降监测值；

⑤利用Dynamo自动读取数据库，将其值批量写入到各沉降监测点BIM模型的族参数中；

⑥运行Dynamo程序，使各沉降监测点BIM模型显示预警颜色，实现可视化预警。

（2）沉降监测点BIM模型建模

在沉降监测点BIM模型上附设如图8所示的放大模型，通过图9所示的族参数设置放大模型的显隐性，使之与沉降监测值相关。当沉降监测值处于绿色安全状态时，放大模型为“隐藏”状态，反之为“显示”状态，以显隐性控制沉降监测点模型的可视效果。

（3）沉降监测值的读入与预警

监测信息表如表6所示，采用Dynamo程序自动批量输入沉降监测值的步骤如图10所示。

参照图6的沉降监测值分色预警流程图，编制Dynamo程序，对各沉降监测点BIM模型上的沉降监测值进行多次判断与分选，实现分色预警。

4案例应用

在广州地铁18号线途经的珠江街中心城区隧道正上方及结构边线两侧建筑、管线、桥梁上布置沉降观测点，用电子经纬仪采集监测信息。按图11布设沉降监测点，并建立沉降监测点BIM模型。

按表3的监测项目确定监测控制值；再按有限元仿真设定的盾构施工参数，确定各沉降监测点沉降理论值；把相关信息输入至沉降监测点BIM模型。每次监测的数据形成监测信息表。

在Revit中打开可视化仿真预警Dynamo程序，用过滤器选中所有沉降监测点BIM模型，运行程序批量更新模型里的沉降监测值。软件自动计算各沉降监测点的预警状态并显示预警颜色，沉降监测点测试数据平面可视效果如图12所示，沉降监测点测试数据三维可视效果如图13所示。

可见，各沉降监测点BIM模型上的监测信息已成功写入，并通过放大模型和分色预警，快速定位沉降预警位置及显示预警级别。沉降监测信息显示速度快，效率高，可视性强，具有较好的预警效果。

5结论

本文的研究得到以下结论：

1）本文建立了盾构隧道施工可视化仿真预警体系，利用BIM技术解决了仿真和预警结合问题，以及数模结合问题，提高了预警的效率与准确性；

2）放大模型和分色预警结合的技术手段，可从巨量监测数据中快速确定沉降预警位置与预警级别，使监测数据具有良好的可视性；

3）盾构施工仿真与预警的结合，使监控预警体系与施工调整预案相结合，实现基于动态控制的信息化仿真预警体系；

4）本技术在项目中的应用，避免了盾构施工过程对地表房屋、桥梁等周边环境的扰动而造成的停工影响，获得了良好的经济效益和社会效益，具有广阔的应用场景。

参考文献：

[1] 任福国. 地铁隧道盾构法施工中地层沉降问题分析及控制措施研究［J］. 江西建材， 2022（1）：174-176.

［2］ WU X， LIN Z. Numerical simulation of ground settlement caused by over-lapping tunnel shield construction and measures of stratum reinforcement［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2019， 1176（5）：052070.1-052070.8.

［3］ 涂真. 地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究［J］. 建筑与装饰，2021（10）：122.

［4］ 杨圆，付海军，张社荣，等. 盾构施工参数对地表沉降的影响及控制措施［J］. 城市轨道交通研究，2018，21（12）：61-66.

［5］ 于德海，舒娇娇，秦凯凯. 盾构地铁隧道穿越既有铁路桥的沉降分析［J］. 水文地质工程地质，2020，47（2）：148-152.

［6］ 尚艺溦. 地铁盾构施工中地表沉降的数值模拟研究［D］. 陕西：西安工业大学，2018.

［7］ 袁钊. 盾构隧道施工地表沉降可视化分析及预测［J］. 浙江水利水电学院学报，2016，28（5）：59-63.

［8］ 闫开云. 基于GIS的地铁盾构区间监测数据管理系统设计与实现［D］. 四川：西南交通大学，2020.

［9］ 张凯南. 运营隧道结构健康监测预警与安全评价研究［D］. 湖北：华中科技大学，2019.

［10］唐洪刚，高云鹏，孔思达等.BIM技术在装配式建筑设计中的应用［J］.贵州大学学报（自然科学版），2020，37（2）：61-65.

［11］刘洁，崔宝玉，郭安宁，等.建筑信息模型（BIM）在地震工程领域的研究进展［J］.贵州大学学报（自然科学版），2021，38（2）：67-72.

［12］张印涛，陶连金，边金.盾构隧道开挖引起地表沉降数值模拟与实测分析［J］.北京工业大学学报，2006（4）：332-337.

[13]张英杰. 常州地区并行盾构隧道施工引起的地表沉降规律及预测研究[D].北京：北京交通大学，2021.

［14］北京城建勘测设计研究院有限责任公司.城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911—2013［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

［15］刘金博，陈友建，张准，等. 一种基于BIM的可视化监测预警方法及装置：CN114136293A［P］. 2022-03-04.

（责任编辑：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

基金项目：

作者简介：陈铃培（1980—），男，高级工程师，硕士，研究方向：BIM及智能建造的科研工作，E-mail： 75450513@qq.com.

*通讯作者：陈铃培，E-mail：75450513@qq.com.