CN115146420A - 铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法 - Google Patents

铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法 Download PDF

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CN115146420A CN202211075635.9A CN202211075635A CN115146420A CN 115146420 A CN115146420 A CN 115146420A CN 202211075635 A CN202211075635 A CN 202211075635A CN 115146420 A CN115146420 A CN 115146420A
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Abstract

本发明公开了一种铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，包括根据现行锚杆的技术规范将铁路隧道锚杆进行分类；根据各个类别锚杆的组件的几何特征对各个类别锚杆进行精细化建模；基于铁路隧道锚杆支护设计通图，根据隧道所在线路的空间线数据和隧道衬砌断面类型确定隧道采用的锚杆类型，并实现铁路隧锚杆沿空间线的参数化分布建模。本发明实现了单个锚杆模型的参数化建立，模型精度高；利用参数化建立锚杆模型的方式节省了模型导入需要的时间，结合开放式图形引擎的特性减少了渲染的资源和时间；同时本发明方法能够辅助计算各类型锚杆需要的工程量，实现对单根锚杆的定位，适用于设计工作和施工作业，而且精度较高、可靠性较好且方便快捷。

Description

铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，土木工程项目的建设也越来越多。
隧道建设是土木工程建设领域的不可避免的建设项目。隧道建设过程中，隧道的支护是一项极其重要的工程项目。锚杆能克服围岩体抗拉强度低的缺点，有利于维持岩层的稳定性，在隧道建设中起到重要的支护作用。根据围岩类型和支护需求的差异性，不同隧道中的锚杆类型往往不一样。
而随着信息时代的到来，计算机数字技术也已经开始大范围应用于隧道建设领域。现阶段，在隧道模型的建模过程中，锚杆往往被简化为圆柱体模型，或者是杆体、垫板和螺母等构件模型的简单叠加，模型精度低，没有表现出不同锚杆类型之间的差异；这使得隧道模型的精度较低。而且，现阶段的锚杆模型更多地只是为了形象化地展示，没有沿隧道空间线计算对应的分布规律，而且不能用于指导施工和建设。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度较高、可靠性较好且方便快捷的铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法。
本发明提供的这种铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，包括如下步骤：
S1. 根据现行锚杆的技术规范，将铁路隧道锚杆进行分类；
S2. 根据各个类别锚杆的组件的几何特征，对各个类别锚杆进行精细化建模；
S3. 基于铁路隧道锚杆支护设计通图，根据隧道所在线路的空间线数据和隧道衬砌断面类型，确定隧道采用的锚杆类型，并实现铁路隧锚杆沿空间线的参数化分布建模。
所述的步骤S1，具体为基于《TBT3209-2008中空锚杆技术条件》和《TBT3356-2014预应力中空锚杆》铁路规范，将铁路隧道锚杆分为普通中空注浆锚杆、组合中空注浆锚杆、涨壳式应力中空注浆锚杆、套管式预应力中空注浆锚杆和分段式预应力中空注浆锚杆。
所述的步骤S2，具体为将各类别锚杆划分为若干个基本构件，并针对每个基本构件，采用开放式图形引擎进行参数化建模和组装，从而实现对各个类别锚杆的精细化建模。
对五种锚杆，均以锚杆杆体中轴线为y轴，垫板底面所在面为x平面，两者的交点O作为原点，建立锚杆参考坐标系，规定向右、向上方向为正；
对普通中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将普通中空注浆锚杆划分为8种基本构件：中空注浆锚杆杆体，堵头，螺母，垫板，止浆塞，锚头；以锚杆杆体的长度 l 1 ，锚杆杆体直径 d 1 ，锚杆端部伸出长度l 0 ，螺纹高度d 2 ，螺距h，垫板边长d 3 ，垫板厚度h 2 为参数，绘制普通中空注浆锚杆的精细化模型；
对组合中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将组合中空注浆锚杆划分为10种基本构件：中空注浆锚杆杆体，一号排气管，堵头，螺母，垫板，止浆塞，连接套，钢筋，二号排气管，锚头；以锚杆端部伸出长度l 0，锚杆杆体的长度 l 1，钢筋长度l 2，一号排气管长度l 3，连接套长度l 4，锚杆杆体的直径 d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，螺距h，垫板厚度h 2为参数，绘制组合中空注浆锚杆的精细化模型；
对涨壳式应力中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将涨壳式预应力中空锚杆划分为6种基本构件：涨壳锚固头，中空杆体，注浆排气管，垫板，垫圈，螺母；以锚杆端部伸出长度l 0 ，锚杆杆体的长度 l 1，涨壳锚固头长度l 2，涨壳夹片长度l 3，锚杆杆体直径 d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，螺距h，垫板厚度h 2 为参数，绘制涨壳式预应力中空锚杆的精细化模型；
对套管式预应力中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将套管式预应力中空锚杆划分为9种基本构件：注浆端头，对中器，中空杆体，端头扣件，自由段套管，注浆排气管，垫板，垫圈，螺母；以锚杆端部伸出长度l 0 ，中空杆体的长度 l 1，套筒长度l 2，注浆排气管长度l 3，连接套长度l 4，注浆孔长度l 5，端头长度l 6，中空杆体的直径 d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，注浆孔高度d 4，螺距h，垫板厚度h 2 为参数，绘制套管式预应力中空锚杆的精细化模型；
对分段式预应力中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将分段式预应力中空注浆锚杆划分为8种基本构件：实心杆体，阻浆器，连接套，中空杆体，注浆排气管，垫板，垫圈和螺母；以锚杆端部伸出长度l 0，中空杆体的长度l 1，实心杆体长度l 2，注浆排气管长度l 3，连接套长度l 4，阻浆器长度l 5，阻浆器定位l 6，中空杆体的直径d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，阻浆器直径d 4，螺距h 1 ，垫板厚度h 2为参数，绘制分段式预应力中空锚杆的精细化模型。
所述的步骤S3，具体包括如下步骤：
A. 根据线路参数，生成空间线模型，并获取任意里程对应的空间点三维坐标和切向量；
B. 根据隧道断面变化点和隧道地质条件变化分界点对隧道进行分段，确定每一段隧道所对应的围岩级别以及断面轮廓的各项设计参数；
C. 根据隧道锚杆支护设计通图中各项参数之间的关系，参数化生成隧道截面锚杆分布标准模型，并设定隧道截面锚杆分布标准模型的参数；
D. 根据隧道分段所在空间线及纵向上锚杆的布置方式，生成最终的隧道锚杆空间分布模型。
所述的步骤C，具体包括如下步骤：
根据锚杆在隧道断面的分布位置，将锚杆分为拱部锚杆、墙部锚杆和仰拱部锚杆三类；根据隧道分段的围岩级别确定锚杆的布置方案：Ⅲ级围岩以下采用局部布置锚杆方案，Ⅲ级围岩采用拱部布置锚杆方案，Ⅳ级围岩及以上采用拱部+墙部布置锚杆方案；软弱围岩采用拱部+墙部+仰拱部布置锚杆方案；
以隧道中线为y轴，内轨顶面为x轴，两者的交点O作为原点，过交点O且与y轴和x轴垂直的方向为z轴，建立隧道参数坐标系，且规定向右、向上、向屏幕外的方向为正方向；隧道为轴对称，隧道中线为对称轴，隧道断面轮廓左右两侧完全对称；
定义隧道锚杆分布标准模型的可变参数：单截面锚杆的数量num；锚杆环向间距c 1；初期支护的厚度t 1；拱部初期支护内侧圆弧半径R 1；拱部圆心O 1到原点O的高度h O1；拱部锚杆分布弧度
Figure 174893DEST_PATH_IMAGE001
；直边墙高度h 3；直边墙顶部至原点水平距离s 1；直边墙顶部至原点垂直距离h 4；曲边墙初期支护内侧圆弧半径R 2；曲边墙圆心O 2坐标
Figure 560875DEST_PATH_IMAGE002
；曲边墙锚杆分布弧度
Figure 793142DEST_PATH_IMAGE003
；仰拱缓冲区初期支护内侧圆弧半径R 3；仰拱缓冲区圆心O 3坐标
Figure 657192DEST_PATH_IMAGE004
；仰拱缓冲区锚杆分布弧度
Figure 940406DEST_PATH_IMAGE005
；仰拱初期支护内侧圆弧半径R 4；仰拱部圆心O 4到原点的高度h O4；定义隧道锚杆分布标准模型计算过程的中间参数：拱部环向锚杆间弧度
Figure 28448DEST_PATH_IMAGE006
；曲墙部环向锚杆间弧度
Figure 764323DEST_PATH_IMAGE007
；仰拱缓冲部环向锚杆间弧度
Figure 251690DEST_PATH_IMAGE008
；仰拱部环向锚杆间弧度
Figure 186148DEST_PATH_IMAGE009
；弧度累加变量
Figure 382774DEST_PATH_IMAGE010
；高度累加变量h；
计算拱部锚杆的分布规律：令
Figure 402683DEST_PATH_IMAGE011
；从拱部顶部位置开始，逆时针绕着拱部圆心O 1每隔
Figure 342957DEST_PATH_IMAGE012
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 131922DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 765028DEST_PATH_IMAGE006
，直至
Figure 272233DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 999887DEST_PATH_IMAGE013
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 908937DEST_PATH_IMAGE014
，纵坐标
Figure 447365DEST_PATH_IMAGE015
；
计算直边墙部锚杆的分布规律：令h=0；从直边墙顶部位置开始，沿着y轴负方向每隔c 1放置一根锚杆，然后num增加1，h的值增加c 1，直至h的值不超过h 3；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 441866DEST_PATH_IMAGE016
，纵坐标
Figure 723943DEST_PATH_IMAGE017
；t 1为初期支护的厚度；
计算曲边墙部锚杆的分布规律：令
Figure 487500DEST_PATH_IMAGE018
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着曲边墙圆心O 2每隔
Figure 462409DEST_PATH_IMAGE019
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 678627DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 13662DEST_PATH_IMAGE007
，直至
Figure 631725DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 777536DEST_PATH_IMAGE020
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 481049DEST_PATH_IMAGE021
，纵坐标
Figure 901666DEST_PATH_IMAGE022
；x O2为曲墙部圆心O 2的水平坐标；y O2为曲墙部圆心O 2的垂直坐标；
计算仰拱缓冲部锚杆的分布规律：令
Figure 577498DEST_PATH_IMAGE023
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着仰拱缓冲区圆心O 3每隔
Figure 956527DEST_PATH_IMAGE024
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 85020DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 574907DEST_PATH_IMAGE008
，直至
Figure 88934DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 638864DEST_PATH_IMAGE025
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 254653DEST_PATH_IMAGE026
，纵坐标
Figure 548231DEST_PATH_IMAGE027
；x O3为仰拱缓冲区圆心O 3的水平坐标；y O3为仰拱缓冲区圆心O 3的垂直坐标；
计算仰拱部锚杆的分布规律：令
Figure 933076DEST_PATH_IMAGE028
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着仰拱部圆心O 4每隔
Figure 388328DEST_PATH_IMAGE029
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 491414DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 57524DEST_PATH_IMAGE009
，直至
Figure 624772DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 437876DEST_PATH_IMAGE030
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 90574DEST_PATH_IMAGE031
，纵坐标
Figure 663638DEST_PATH_IMAGE032
。
所述的步骤D，具体包括如下步骤：
定义空间线上某一里程n对应的空间点坐标为
Figure 819813DEST_PATH_IMAGE033
，切向量坐标为
Figure 820130DEST_PATH_IMAGE034
；锚杆纵向间距为C 2；每延米锚杆数量为num p ；
隧道锚杆在纵向上的布置方式分为矩型布置方式和梅花型布置方式；对于矩形布置方式，在沿空间线的方向上每隔C 2布置一圈相同的截面锚杆分布标准模型，其中截面模型的原点坐标设置为
Figure 694545DEST_PATH_IMAGE033
，并将断面模型绕y轴旋转
Figure 71300DEST_PATH_IMAGE035
，绕x轴旋转
Figure 347560DEST_PATH_IMAGE036
；对于梅花型布置方式，在沿空间线的方向上每隔C 2布置截面锚杆分布标准模型，其中对于从空间线起点开始的第偶数个截面模型，将拱部锚杆分布的初始值改为
Figure 768046DEST_PATH_IMAGE037
；将直边墙部锚杆的初始值改为
Figure 129757DEST_PATH_IMAGE038
；将曲边墙部锚杆分布的初始值改为
Figure 310203DEST_PATH_IMAGE039
；将仰拱缓冲部锚杆分布的初始值改为
Figure 378653DEST_PATH_IMAGE040
；将仰拱部锚杆分布的初始值改为
Figure 986352DEST_PATH_IMAGE041
；并将截面模型的原点坐标设置为
Figure 287889DEST_PATH_IMAGE042
，并将断面模型绕y轴旋转
Figure 803184DEST_PATH_IMAGE043
，绕x轴旋转
Figure 257299DEST_PATH_IMAGE044
；
计算每延米锚杆数量num p 为
Figure 770320DEST_PATH_IMAGE045
。
本发明提供的这种铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，通过总结锚杆设计图纸中各组件的结构特性以及相互之间的几何特征约束，实现单个锚杆模型的参数化建立，模型精度高；利用参数化建立锚杆模型的方式，节省了模型导入需要的时间，而且结合开放式图形引擎的特性，减少了渲染需要的资源和时间，有效能够提高模型的渲染效率及流畅度；同时本发明方法能够根据空间线分布、隧道长度、环向间距、纵向间距、布置规则等参数直接，辅助计算得到各类型锚杆需要的工程量，并且能够实现对单根锚杆进行精准定位，有利于配合设计工作和施工作业的开展；而且本发明方法的精度较高、可靠性较好且方便快捷。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法的五种注浆锚杆的结构示意图；其中图2（a）为普通中空注浆锚杆的结构示意图；图2（b）为组合中空注浆锚杆的结构示意图；图2（c）为涨壳式应力中空注浆锚杆的结构示意图；图2（d）为套管式预应力中空注浆锚杆的结构示意图；图2（e）为分段式预应力中空注浆锚杆的结构示意图。
图3为本发明方法的五种注浆锚杆的标准模型示意图；其中，其中图3（a）为普通中空注浆锚杆的杆标准模型示意图；图3（b）为组合中空注浆锚杆的杆标准模型示意图；图3（c）为涨壳式应力中空注浆锚杆的杆标准模型示意图；图3（d）为套管式预应力中空注浆锚杆的杆标准模型示意图；图3（e）为分段式预应力中空注浆锚杆的杆标准模型示意图。
图4为本发明方法的直边墙隧道截面锚杆布置标准模型的示意图。
图5为本发明方法的曲边墙隧道截面锚杆布置标准模型的示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，包括如下步骤：
S1. 根据现行锚杆的技术规范，将铁路隧道锚杆进行分类；具体为基于《TBT3209-2008中空锚杆技术条件》和《TBT3356-2014预应力中空锚杆》铁路规范，将铁路隧道锚杆分为普通中空注浆锚杆、组合中空注浆锚杆、涨壳式应力中空注浆锚杆、套管式预应力中空注浆锚杆和分段式预应力中空注浆锚杆；
S2. 根据各个类别锚杆的组件的几何特征，对各个类别锚杆进行精细化建模；具体为将各类别锚杆划分为若干个基本构件，并针对每个基本构件，采用开放式图形引擎进行参数化建模和组装，从而实现对各个类别锚杆的精细化建模；
以锚杆杆体中轴线为y轴，垫板底面所在面为x平面，两者的交点O作为原点，建立锚杆参考坐标系，规定向右、向上方向为正；
具体实施时，普通中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模（锚杆结构如图2（a）所示，建模结果如图3（a）所示）：
以锚杆杆体中轴线为y轴，垫板底面所在面为x平面，两者的交点O作为原点，建立锚杆参考坐标系，规定向右、向上方向为正；
将普通中空注浆锚杆划分为8种基本构件：中空注浆锚杆杆体，堵头，螺母，垫板，止浆塞，锚头；
以锚杆杆体的长度 l 1 ，锚杆杆体直径 d 1 ，锚杆端部伸出长度l 0 ，螺纹高度d 2 ，螺距h，垫板边长d 3 ，垫板厚度h 2 为参数，绘制普通中空注浆锚杆的精细化模型；
绘制普通中空注浆锚杆杆体：中空注浆锚杆杆体包括两部分，一部分建模成长度为l 1，直径为d 1-2d 2的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 106623DEST_PATH_IMAGE046
；另一部分建模成螺纹体，螺纹体上某一点的x坐标为
Figure 363292DEST_PATH_IMAGE047
，其中
Figure 921182DEST_PATH_IMAGE048
的取值范围是
Figure 667421DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 163124DEST_PATH_IMAGE050
的取值范围是
Figure 285801DEST_PATH_IMAGE051
，h为螺距；y坐标为
Figure 183350DEST_PATH_IMAGE052
；z坐标为
Figure 100490DEST_PATH_IMAGE053
；螺纹体起点位置坐标设置为
Figure 349069DEST_PATH_IMAGE054
；
绘制普通中空注浆锚杆堵头：堵头建模成上底直径为
Figure 9857DEST_PATH_IMAGE055
，下底直径为
Figure 11180DEST_PATH_IMAGE056
，高度为15的圆台体，体心坐标设置于
Figure 568064DEST_PATH_IMAGE057
；
绘制普通中空注浆锚杆螺母：螺母建模成内嵌圆柱空心的正六棱柱，内圆柱的直径为
Figure 303938DEST_PATH_IMAGE058
，正六棱柱的底边边长为
Figure 768418DEST_PATH_IMAGE059
，高度为20，体心坐标设置为
Figure 374980DEST_PATH_IMAGE060
；
绘制普通中空注浆锚杆垫板：垫板包括两部分，一部分建模成长和宽均为d 3，高度为h 2 的长方体，体心坐标设置于
Figure 899502DEST_PATH_IMAGE061
；另一部分建模成上底直径为 d 1，下底直径为3.5d 1，高度为h 2 +4的圆台体，体心坐标设置于
Figure 371940DEST_PATH_IMAGE062
；
绘制普通中空注浆锚杆止浆塞：止浆塞包括两部分，一部分建模成长度为30，直径为1.3d 1的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 312215DEST_PATH_IMAGE063
；另一部分建模成上底直径为1.3d 1，下底直径为d 1，高度为16的圆台体，体心坐标设置于
Figure 304441DEST_PATH_IMAGE064
；
绘制普通中空注浆锚杆锚头：锚头包括三部分，第一部分建模成直径为d 1+6，高度为28的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 734286DEST_PATH_IMAGE065
；第二部分建模成直径为1.7d 1，高度为2的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 975911DEST_PATH_IMAGE066
；第三部分建模成上底直径为d 1+6，下底直径为
Figure 719876DEST_PATH_IMAGE067
，高度为6的圆台体，体心坐标设置于
Figure 628926DEST_PATH_IMAGE068
；
组合中空注浆锚杆（锚杆结构如图2（b）所示，建模结果如图3（b）所示），采用如下步骤进行精细化建模：
以锚杆杆体中轴线为y轴，垫板底面所在面为x平面，两者的交点O作为原点，建立锚杆参考坐标系，规定向右、向上方向为正；
将组合中空注浆锚杆划分为10种基本构件：中空注浆锚杆杆体，一号排气管，堵头，螺母，垫板，止浆塞，连接套，钢筋，二号排气管，锚头；
以锚杆端部伸出长度l 0，锚杆杆体的长度 l 1，钢筋长度l 2，一号排气管长度l 3，连接套长度l 4，锚杆杆体的直径 d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，螺距h，垫板厚度h 2为参数，绘制组合中空注浆锚杆的精细化模型；
绘制组合中空注浆锚杆杆体：组合中空注浆锚杆杆体包括两部分，一部分建模成长度为l 1 ，直径为d 1-2d 2的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 416623DEST_PATH_IMAGE069
；另一部分建模成螺纹体，螺纹体上某一点的x坐标为
Figure 145544DEST_PATH_IMAGE070
，其中
Figure 489938DEST_PATH_IMAGE071
的取值范围是
Figure 191178DEST_PATH_IMAGE072
，
Figure 962825DEST_PATH_IMAGE073
的取值范围是
Figure 179042DEST_PATH_IMAGE074
，h为螺距；y坐标为
Figure 264810DEST_PATH_IMAGE075
；z坐标为
Figure 882873DEST_PATH_IMAGE076
；螺纹体起点位置坐标设置为
Figure 28684DEST_PATH_IMAGE077
；
绘制组合中空注浆锚杆一号排气管：组合中空注浆锚杆一号排气管建模成长度为l 3，直径为
Figure 466618DEST_PATH_IMAGE078
的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 152815DEST_PATH_IMAGE079
；
绘制组合中空注浆锚杆堵头：堵头建模成上底直径为
Figure 77914DEST_PATH_IMAGE080
，下底直径为
Figure 191364DEST_PATH_IMAGE081
，高度为15的圆台体，体心坐标设置于
Figure 319857DEST_PATH_IMAGE082
；
绘制组合中空注浆锚杆螺母：组合中空注浆锚杆螺母建模成内嵌圆柱空心的正六棱柱，内圆柱的直径为
Figure 809744DEST_PATH_IMAGE083
，正六棱柱的底边边长为
Figure 340082DEST_PATH_IMAGE084
，高度为20，体心坐标设置为
Figure 93275DEST_PATH_IMAGE085
；
绘制组合中空注浆锚杆垫板：组合中空注浆锚杆垫板包括两部分，一部分建模成长和宽均为d 3，高度为h 2 的长方体，体心坐标设置于
Figure 771381DEST_PATH_IMAGE086
；另一部分建模成上底直径为 d 1，下底直径为3.5d 1，高度为h 2 +4的圆台体，体心坐标设置为
Figure 455172DEST_PATH_IMAGE087
；
绘制组合中空注浆锚杆止浆塞：组合中空注浆锚杆止浆塞包括两部分，一部分建模成长度为30，直径为1.3d 1的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 574438DEST_PATH_IMAGE088
；另一部分建模成上底直径为1.3d 1，下底直径为d 1，高度为16的圆台体，体心坐标设置于
Figure 295269DEST_PATH_IMAGE089
；
绘制组合中空注浆锚杆连接套：组合中空注浆锚杆连接套建模成长度为l 4 ，直径为d 1+6的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 647622DEST_PATH_IMAGE090
；
绘制组合中空注浆锚杆钢筋：组合中空注浆锚杆钢筋建模成长度为l 2，直径为d 1-2d 2-10的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 213732DEST_PATH_IMAGE091
；
绘制组合中空注浆锚杆二号排气管：组合中空注浆锚杆二号排气管包括两部分，一部分建模成长度为
Figure 515401DEST_PATH_IMAGE092
，直径为
Figure 344816DEST_PATH_IMAGE093
的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 997515DEST_PATH_IMAGE094
；另一部分建模成长度为
Figure 304999DEST_PATH_IMAGE095
，直径为
Figure 726753DEST_PATH_IMAGE096
的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 727070DEST_PATH_IMAGE097
；
绘制组合中空注浆锚杆锚头：组合中空注浆锚头包括三部分，第一部分建模成直径为d 1+6，高度为28的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 335906DEST_PATH_IMAGE098
；第二部分建模成直径为1.7d 1，高度为2的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 774978DEST_PATH_IMAGE099
；第三部分建模成上底直径为d 1+6，下底直径为
Figure 503768DEST_PATH_IMAGE100
，高度为6的圆台体，体心坐标设置于
Figure 674986DEST_PATH_IMAGE101
；
涨壳式应力中空注浆锚杆（锚杆结构如图2（c）所示，建模结果如图3（c）所示），采用如下步骤进行精细化建模：
以锚杆杆体中轴线为y轴，垫板底面所在面为x平面，两者的交点O作为原点，建立锚杆参考坐标系，规定向右、向上方向为正；
将涨壳式预应力中空锚杆划分为6种基本构件：涨壳锚固头，中空杆体，注浆排气管，垫板，垫圈，螺母；
以锚杆端部伸出长度l 0 ，锚杆杆体的长度 l 1，涨壳锚固头长度l 2，涨壳夹片长度l 3，锚杆杆体直径 d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，螺距h，垫板厚度h 2 为参数，绘制涨壳式预应力中空锚杆的精细化模型；
绘制涨壳锚固头：涨壳锚固头包括两部分，一部分为涨壳内楔，涨壳内楔可以建模成异性体+圆柱体；异性体建模成位于xz平面的特殊二维形状沿y轴拉伸，特殊二维形状顶点为
Figure 239960DEST_PATH_IMAGE102
，
Figure 951564DEST_PATH_IMAGE103
，
Figure 551173DEST_PATH_IMAGE104
和
Figure 142560DEST_PATH_IMAGE105
，其中1、2、3、4点之间采用半径为
Figure 991567DEST_PATH_IMAGE106
的圆弧连接，其余点之间采用直线连接，沿y轴拉伸l 2，其顶点坐标设置为
Figure 444545DEST_PATH_IMAGE107
，圆柱体可以建模成长度为28，直径为d 1+6，其体心坐标设置为
Figure 695398DEST_PATH_IMAGE108
；另一部分为涨壳夹片，可以利用循环建模成俩个关于y轴对称的异性锯齿体，其正面锯齿高为5mm，锯齿间距为5mm，背面为直线+曲线，
Figure 208419DEST_PATH_IMAGE109
段为直线，
Figure 544722DEST_PATH_IMAGE110
段为二次曲线，锯齿宽度为
Figure 801391DEST_PATH_IMAGE111
，其顶点坐标为
Figure 906751DEST_PATH_IMAGE112
；
绘制涨壳式中空杆体：涨壳式中空杆体包括两部分，一部分可以建模成长度为l 1，直径为d 1-2d 2的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 387411DEST_PATH_IMAGE113
；另一部分可以建模成螺纹体，螺纹体上某一点的x坐标为
Figure 132381DEST_PATH_IMAGE114
，其中
Figure 255058DEST_PATH_IMAGE115
的取值范围是
Figure 152607DEST_PATH_IMAGE116
，
Figure 69748DEST_PATH_IMAGE117
的取值范围是
Figure 583906DEST_PATH_IMAGE118
，h为螺距；y坐标为
Figure 182377DEST_PATH_IMAGE119
；z坐标为
Figure 449279DEST_PATH_IMAGE120
；螺纹体起点位置坐标设置为
Figure 740583DEST_PATH_IMAGE121
；
绘制涨壳式注浆排气管：涨壳式注浆排气管包括两部分，一部分直线段可以建模成长度为100，直径为
Figure 210879DEST_PATH_IMAGE122
的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 409779DEST_PATH_IMAGE123
；另一部分斜线段可以建模成长度为
Figure 531188DEST_PATH_IMAGE124
，直径为
Figure 55710DEST_PATH_IMAGE125
的圆柱体，与y轴之间的角度为
Figure 747722DEST_PATH_IMAGE126
,体心坐标设置为
Figure 15893DEST_PATH_IMAGE127
；
绘制涨壳式垫板：涨壳式垫板包括两部分，一部分可以建模成长和宽均为d 3，高度为h 2 的长方体，体心坐标设置于
Figure 539278DEST_PATH_IMAGE128
；另一部分可以建模成上底直径为 d 1，下底直径为3.5d 1，高度为h 2 +4的圆台体，体心坐标设置于
Figure 906805DEST_PATH_IMAGE129
；
绘制涨壳式垫圈：涨壳式垫圈可以建模成长度为14，直径为d 1+7的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 414010DEST_PATH_IMAGE130
；
绘制涨壳式螺母：螺母可以建模成内嵌圆柱空心的正六棱柱，内圆柱的直径为
Figure 157975DEST_PATH_IMAGE131
，正六棱柱的底边边长为
Figure 801446DEST_PATH_IMAGE132
，高度为20，底面坐标设置为
Figure 854722DEST_PATH_IMAGE133
；
套管式预应力中空注浆锚杆（锚杆结构如图2（d）所示，建模结果如图3（d）所示），采用如下步骤进行精细化建模：
以锚杆杆体中轴线为y轴，垫板底面所在面为x平面，两者的交点O作为原点，建立锚杆参考坐标系，规定向右、向上方向为正；
将套管式预应力中空锚杆划分为9种基本构件：注浆端头，对中器，中空杆体，端头扣件，自由段套管，注浆排气管，垫板，垫圈，螺母；
以锚杆端部伸出长度l 0 ，中空杆体的长度 l 1，套筒长度l 2，注浆排气管长度l 3，连接套长度l 4，注浆孔长度l 5，端头长度l 6，中空杆体的直径 d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，注浆孔高度d 4，螺距h，垫板厚度h 2 为参数，绘制套管式预应力中空锚杆的精细化模型；
绘制套管式注浆端头：套管式注浆端头分为侧向注浆孔和端头两部分，侧向注浆孔为长度l 5，高度d 4的基本T性体，沿端头四周均匀分布，其x坐标为
Figure 786906DEST_PATH_IMAGE134
，其中
Figure 396878DEST_PATH_IMAGE135
的取值分别为
Figure 363697DEST_PATH_IMAGE136
，
Figure 73027DEST_PATH_IMAGE137
的取值范围是
Figure 554824DEST_PATH_IMAGE138
，间距默认为6，z坐标为
Figure 155439DEST_PATH_IMAGE139
，y坐标为
Figure 711185DEST_PATH_IMAGE140
，顶点坐标设置为
Figure 653733DEST_PATH_IMAGE141
；端头包括两部分，一部分可以建模成长度为l 6 ，直径为d 1-2d 2的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 294930DEST_PATH_IMAGE142
，另一部分可以建模成长度为20，直径为d 1-2d 2的圆锥体，体心坐标设置为
Figure 246706DEST_PATH_IMAGE143
；
绘制套管式对中器：套管式对中器可以建模成长度为22，直径为
Figure 453696DEST_PATH_IMAGE144
的圆柱体，三个套管式对中器体心坐标分别设置为
Figure 770408DEST_PATH_IMAGE145
，
Figure 961218DEST_PATH_IMAGE146
，
Figure 638056DEST_PATH_IMAGE147
；
绘制套管式中空杆体：套管式中空杆体包括两部分，一部分可以建模成长度为l 1，直径为d 1-2d 2的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 230711DEST_PATH_IMAGE148
；另一部分可以建模成螺纹体，螺纹体上某一点的x坐标为
Figure 718324DEST_PATH_IMAGE149
，其中
Figure 130851DEST_PATH_IMAGE150
的取值范围是
Figure 362112DEST_PATH_IMAGE151
，
Figure 12536DEST_PATH_IMAGE152
的取值范围是
Figure 733368DEST_PATH_IMAGE153
，h为螺距；y坐标为
Figure 85721DEST_PATH_IMAGE154
；z坐标为
Figure 917410DEST_PATH_IMAGE155
；螺纹体起点位置坐标设置为
Figure 156762DEST_PATH_IMAGE156
；
绘制套管式端头扣件：套管式端头扣件可以建模成长度为44，直径为
Figure 782915DEST_PATH_IMAGE157
的圆柱体，两个套管式端头扣件体心坐标分别设置为
Figure 170034DEST_PATH_IMAGE158
和
Figure 8677DEST_PATH_IMAGE159
；
绘制套管式自由段套管：套管式自由段套管可以建模成长度为l 2 ，直径为
Figure 368114DEST_PATH_IMAGE160
的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 430748DEST_PATH_IMAGE161
；
绘制套管式注浆排气管：套管式注浆排气管包括两部分，一部分直线段可以建模成长度为100，直径为
Figure 492114DEST_PATH_IMAGE162
的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 400027DEST_PATH_IMAGE163
；另一部分斜线段可以建模成长度为
Figure 676288DEST_PATH_IMAGE164
，直径为
Figure 847506DEST_PATH_IMAGE165
的圆柱体，与y轴之间的角度为
Figure 209217DEST_PATH_IMAGE166
,体心坐标设置为
Figure 124084DEST_PATH_IMAGE167
；
绘制套管式垫板：套管式垫板包括两部分，一部分可以建模成长和宽均为d 3，高度为h 2 的长方体，体心坐标设置于
Figure 520430DEST_PATH_IMAGE168
；另一部分可以建模成上底直径为 d 1，下底直径为3.5d 1，高度为h 2 +4的圆台体，体心坐标设置于
Figure 862550DEST_PATH_IMAGE169
；
绘制套管式垫圈：套管式垫圈可以建模成长度为14，直径为d 1+7的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 445978DEST_PATH_IMAGE170
；
绘制套管式螺母：套管式螺母可以建模成内嵌圆柱空心的正六棱柱，内圆柱的直径为
Figure 679382DEST_PATH_IMAGE171
，正六棱柱的底边边长为
Figure 867918DEST_PATH_IMAGE172
，高度为20，底面坐标设置为
Figure 177676DEST_PATH_IMAGE173
；
分段式预应力中空注浆锚杆（锚杆结构如图2（e）所示，建模结果如图3（e）所示），采用如下步骤进行精细化建模：
将分段式预应力中空注浆锚杆划分为8种基本构件：实心杆体，阻浆器，连接套，中空杆体，注浆排气管，垫板，垫圈和螺母；
以锚杆端部伸出长度l 0，中空杆体的长度l 1，实心杆体长度l 2，注浆排气管长度l 3，连接套长度l 4，阻浆器长度l 5，阻浆器定位l 6，中空杆体的直径d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，阻浆器直径d 4，螺距h 1 ，垫板厚度h 2为参数，绘制分段式预应力中空锚杆的精细化模型；
绘制分段式实心杆体：实心杆体包括两部分，第一部分建模成长度为l 2-20，直径为d 1-2d 2-10的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 248401DEST_PATH_IMAGE174
；第二部分建模成长度为20，直径为d 1-2d 2-10的圆锥体，体心坐标设置为
Figure 505069DEST_PATH_IMAGE175
；
绘制分段式阻浆器：阻浆器建模成异性体+规则体；计算第一中间参数m为
Figure 610429DEST_PATH_IMAGE176
，第二中间参数q为
Figure 294351DEST_PATH_IMAGE177
；异性体建模为中心对称的四部分，采用顶点
Figure 117950DEST_PATH_IMAGE178
、
Figure 161999DEST_PATH_IMAGE179
、
Figure 387444DEST_PATH_IMAGE180
、
Figure 39005DEST_PATH_IMAGE181
、
Figure 22004DEST_PATH_IMAGE182
、
Figure 886055DEST_PATH_IMAGE184
建立1/4异性体，厚度设置为2，顶点坐标设置为
Figure 966007DEST_PATH_IMAGE185
；规则体包括两部分：第一部分建模成长度为6，直径为d 1-2d 2+6的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 788469DEST_PATH_IMAGE186
；第二部分建模成长度为36，直径为d 1-2d 2+3的圆锥体，体心坐标设置为
Figure 258765DEST_PATH_IMAGE187
；
绘制分段式连接套：连接套建模成长度为l 4，直径为
Figure 723244DEST_PATH_IMAGE188
的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 844653DEST_PATH_IMAGE189
；
绘制分段式中空杆体：中空杆体包括两部分，第一部分建模成长度为l 1，直径为d 1-2d 2的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 103596DEST_PATH_IMAGE190
；第二部分建模成螺纹体，螺纹体上某一点的x坐标为
Figure 61188DEST_PATH_IMAGE191
，其中
Figure 329358DEST_PATH_IMAGE192
的取值范围是
Figure 56005DEST_PATH_IMAGE193
，
Figure 485850DEST_PATH_IMAGE194
的取值范围是
Figure 930738DEST_PATH_IMAGE195
；螺纹体上某一点的y坐标为
Figure 737020DEST_PATH_IMAGE196
；螺纹体上某一点的z坐标为
Figure 567441DEST_PATH_IMAGE197
；螺纹体起点位置坐标设置为
Figure 433766DEST_PATH_IMAGE198
；
绘制分段式注浆排气管：注浆排气管包括两部分，第一部分直线段建模成长度为100，直径为d 1-2d 2-16的圆柱体，体心坐标设置为
Figure 100371DEST_PATH_IMAGE199
；第二部分斜线段建模成长度为
Figure 444764DEST_PATH_IMAGE200
，直径为d 1-2d 2-16的圆柱体，与y轴之间的角度为
Figure 942742DEST_PATH_IMAGE201
,体心坐标设置为
Figure 917651DEST_PATH_IMAGE202
；
绘制分段式垫板：垫板包括两部分，第一部分建模成长和宽均为d 3，高度为h 2的长方体，体心坐标设置于
Figure 133869DEST_PATH_IMAGE203
；第二部分建模成上底直径为d 1，下底直径为3.5 d 1，高度为h 2+4的圆台体，体心坐标设置于
Figure 219636DEST_PATH_IMAGE204
；
绘制分段式垫圈：垫圈建模成长度为14，直径为d 1+7的圆柱体，体心坐标设置于
Figure 837700DEST_PATH_IMAGE205
；
绘制分段式螺母：螺母建模成内嵌圆柱空心的正六棱柱，内圆柱的直径为
Figure 232778DEST_PATH_IMAGE206
，正六棱柱的底边边长为
Figure 936292DEST_PATH_IMAGE207
，高度为20，底面坐标设置为
Figure DEST_PATH_IMAGE208
；
S3. 基于铁路隧道锚杆支护设计通图，根据隧道所在线路的空间线数据和隧道衬砌断面类型，确定隧道采用的锚杆类型，并实现铁路隧锚杆沿空间线的参数化分布建模；具体包括如下步骤：
A. 根据线路参数，生成空间线模型，并获取任意里程对应的空间点三维坐标和切向量；
B. 根据隧道断面变化点和隧道地质条件变化分界点对隧道进行分段，确定每一段隧道所对应的围岩级别以及断面轮廓的各项设计参数；
C. 根据隧道锚杆支护设计通图中各项参数之间的关系，参数化生成隧道截面锚杆分布标准模型，并设定隧道截面锚杆分布标准模型的参数；具体包括如下步骤：
根据锚杆在隧道断面的分布位置，将锚杆分为拱部锚杆、墙部锚杆和仰拱部锚杆三类；根据隧道分段的围岩级别确定锚杆的布置方案：Ⅲ级围岩以下采用局部布置锚杆方案，Ⅲ级围岩采用拱部布置锚杆方案，Ⅳ级围岩及以上采用拱部+墙部布置锚杆方案；软弱围岩采用拱部+墙部+仰拱部布置锚杆方案；
以隧道中线为y轴，内轨顶面为x轴，两者的交点O作为原点，过交点O且与y轴和x轴垂直的方向为z轴，建立隧道参数坐标系，且规定向右、向上、向屏幕外的方向为正方向；隧道为轴对称，隧道中线为对称轴，隧道断面轮廓左右两侧完全对称；
定义隧道锚杆分布标准模型的可变参数：单截面锚杆的数量num；锚杆环向间距c 1；初期支护的厚度t 1；拱部初期支护内侧圆弧半径R 1；拱部圆心O 1到原点O的高度h O1；拱部锚杆分布弧度
Figure 91329DEST_PATH_IMAGE001
；直边墙高度h 3；直边墙顶部至原点水平距离s 1；直边墙顶部至原点垂直距离h 4；曲边墙初期支护内侧圆弧半径R 2；曲边墙圆心O 2坐标
Figure 501582DEST_PATH_IMAGE002
；曲边墙锚杆分布弧度
Figure 880611DEST_PATH_IMAGE003
；仰拱缓冲区初期支护内侧圆弧半径R 3；仰拱缓冲区圆心O 3坐标
Figure 9104DEST_PATH_IMAGE004
；仰拱缓冲区锚杆分布弧度
Figure 498991DEST_PATH_IMAGE005
；仰拱初期支护内侧圆弧半径R 4；仰拱部圆心O 4到原点的高度h O4；定义隧道锚杆分布标准模型计算过程的中间参数：拱部环向锚杆间弧度
Figure 278597DEST_PATH_IMAGE006
；曲墙部环向锚杆间弧度
Figure 297369DEST_PATH_IMAGE007
；仰拱缓冲部环向锚杆间弧度
Figure 975475DEST_PATH_IMAGE008
；仰拱部环向锚杆间弧度
Figure 206736DEST_PATH_IMAGE009
；弧度累加变量
Figure 653898DEST_PATH_IMAGE010
；高度累加变量h；
计算拱部锚杆的分布规律：令
Figure 312412DEST_PATH_IMAGE011
；从拱部顶部位置开始，逆时针绕着拱部圆心O 1每隔
Figure 212235DEST_PATH_IMAGE012
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 981608DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 548855DEST_PATH_IMAGE006
，直至
Figure 627539DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 14658DEST_PATH_IMAGE013
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 587722DEST_PATH_IMAGE014
，纵坐标
Figure 9476DEST_PATH_IMAGE015
；
计算直边墙部锚杆的分布规律：令h=0；从直边墙顶部位置开始，沿着y轴负方向每隔c 1放置一根锚杆，然后num增加1，h的值增加c 1，直至h的值不超过h 3；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 806530DEST_PATH_IMAGE016
，纵坐标
Figure 618629DEST_PATH_IMAGE017
；t 1为初期支护的厚度；
计算曲边墙部锚杆的分布规律：令
Figure 792121DEST_PATH_IMAGE018
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着曲边墙圆心O 2每隔
Figure 6065DEST_PATH_IMAGE019
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 239600DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 788262DEST_PATH_IMAGE007
，直至
Figure 499866DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 630633DEST_PATH_IMAGE020
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 972752DEST_PATH_IMAGE021
，纵坐标
Figure 821760DEST_PATH_IMAGE022
；x O2为曲墙部圆心O 2的水平坐标；y O2为曲墙部圆心O 2的垂直坐标；
计算仰拱缓冲部锚杆的分布规律：令
Figure 337055DEST_PATH_IMAGE023
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着仰拱缓冲区圆心O 3每隔
Figure 260011DEST_PATH_IMAGE024
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 835349DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 109336DEST_PATH_IMAGE008
，直至
Figure 428322DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 268102DEST_PATH_IMAGE025
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 224729DEST_PATH_IMAGE026
，纵坐标
Figure 48328DEST_PATH_IMAGE027
；x O3为仰拱缓冲区圆心O 3的水平坐标；y O3为仰拱缓冲区圆心O 3的垂直坐标；
计算仰拱部锚杆的分布规律：令
Figure 843109DEST_PATH_IMAGE028
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着仰拱部圆心O 4每隔
Figure 802975DEST_PATH_IMAGE029
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 720115DEST_PATH_IMAGE010
的值增加
Figure 703115DEST_PATH_IMAGE009
，直至
Figure 363903DEST_PATH_IMAGE010
的值不超过
Figure 178276DEST_PATH_IMAGE030
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure 204000DEST_PATH_IMAGE031
，纵坐标
Figure 736613DEST_PATH_IMAGE032
；
D. 根据隧道分段所在空间线及纵向上锚杆的布置方式，生成最终的隧道锚杆空间分布模型；具体包括如下步骤：
定义空间线上某一里程n对应的空间点坐标为
Figure 388043DEST_PATH_IMAGE033
，切向量坐标为
Figure 56922DEST_PATH_IMAGE034
；锚杆纵向间距为C 2；每延米锚杆数量为num p ；
隧道锚杆在纵向上的布置方式分为矩型布置方式和梅花型布置方式；对于矩形布置方式，在沿空间线的方向上每隔C 2布置一圈相同的截面锚杆分布标准模型，其中截面模型的原点坐标设置为
Figure 315865DEST_PATH_IMAGE033
，并将断面模型绕y轴旋转
Figure 273456DEST_PATH_IMAGE035
，绕x轴旋转
Figure 276047DEST_PATH_IMAGE036
；对于梅花型布置方式，在沿空间线的方向上每隔C 2布置截面锚杆分布标准模型，其中对于从空间线起点开始的第偶数个截面模型，将拱部锚杆分布的初始值改为
Figure 2695DEST_PATH_IMAGE037
；将直边墙部锚杆的初始值改为
Figure 432539DEST_PATH_IMAGE038
；将曲边墙部锚杆分布的初始值改为
Figure 939744DEST_PATH_IMAGE039
；将仰拱缓冲部锚杆分布的初始值改为
Figure 418130DEST_PATH_IMAGE040
；将仰拱部锚杆分布的初始值改为
Figure 327180DEST_PATH_IMAGE041
；并将截面模型的原点坐标设置为
Figure 662346DEST_PATH_IMAGE042
，并将断面模型绕y轴旋转
Figure 843798DEST_PATH_IMAGE043
，绕x轴旋转
Figure 188192DEST_PATH_IMAGE044
；
计算每延米锚杆数量num p 为
Figure 889431DEST_PATH_IMAGE045
。
最终，本发明建立的直边墙隧道截面锚杆布置标准模型的示意图如图4所示；曲边墙隧道截面锚杆布置标准模型的示意图如图5所示。
本发明方法通过开放式图形引擎进行了模型实现，分别建立了普通中空注浆锚杆（图3（a））、组合中空注浆锚杆（图3（b））、涨壳式应力中空注浆锚杆（图3（c））、套管式预应力中空注浆锚杆（图3（d））和分段式预应力中空注浆锚杆模型（图3（e）），并根据铁路隧道锚杆支护设计通图实现了铁路隧锚杆沿空间线的参数化分布建模，包括直墙式隧道截面锚杆布置模型（图4），曲墙式隧道截面锚杆布置模型（图5）。
本发明方法与传统的建模方法相比，克服了模型精度、模型可动性和模型轻量化难以兼顾的难点，通过对锚杆的实际装配结构进行分析，对锚杆的各个结构进行分类和细化并总结出其中的空间位置关系，提取出实际生活中可以进行变化的参数，并将其融入各个结构的位置定义中，进而实现了锚杆模型的精细化和参数化建模。从参数化灵活程度来讲，本发明方法中的五种不同的锚杆模型的可变参数数量在6~13个，几乎完全覆盖了实际施工中锚杆的可变需求，相较于现有技术仅能调整锚杆长度和直径的两个可变参数，其可变参数数量提高了3~6倍。从模型精细化程度来讲，传统的隧道模型中锚杆模型通常仅为杆体、垫板和螺母的简单叠加，构件数量在1~4个，本发明方法中的构建数量在6~10个，模型精细化程度提高了约2倍。从模型轻量化程度来讲，基于例如3Ds Max专业的3D建模软件技术实现的锚杆模型精细，模型面顶点数据多，模型数据量大，适用于单个锚杆模型的展示，但无法适用于同时出现大量的锚杆模型的BIM工程场景；本发明方法通过圆柱体等基础几何体的应用，以及通过数学方法生成的螺纹、分段式阻浆器等细节，使锚杆模型在足够精细的基础上最大化减少了模型面的顶点数量，实现了模型的轻量化，满足了同时出现大量的锚杆模型的BIM工程场景的需求。综上所述，本发明方法使得锚杆模型兼顾了模型的精度、可动性和轻量化，对于隧道BIM技术的发展具有一定的实用价值。

Claims (6)

1.一种铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，其特征在于包括如下步骤：
S1. 根据现行锚杆的技术规范，将铁路隧道锚杆进行分类；
S2. 根据各个类别锚杆的组件的几何特征，对各个类别锚杆进行精细化建模；具体为将各类别锚杆划分为若干个基本构件，并针对每个基本构件，采用开放式图形引擎进行参数化建模和组装，从而实现对各个类别锚杆的精细化建模
S3. 基于铁路隧道锚杆支护设计通图，根据隧道所在线路的空间线数据和隧道衬砌断面类型，确定隧道采用的锚杆类型，并实现铁路隧锚杆沿空间线的参数化分布建模。
2.根据权利要求1所述的铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，其特征在于所述的步骤S1，具体为将铁路隧道锚杆分为普通中空注浆锚杆、组合中空注浆锚杆、涨壳式应力中空注浆锚杆、套管式预应力中空注浆锚杆和分段式预应力中空注浆锚杆。
3.根据权利要求2所述的铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，其特征在于对五种锚杆，采用如下步骤分别进行建模：
对五中锚杆，均以锚杆杆体中轴线为y轴，垫板底面所在面为x平面，两者的交点O作为原点，建立锚杆参考坐标系，规定向右、向上方向为正；
对普通中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将普通中空注浆锚杆划分为8种基本构件：中空注浆锚杆杆体，堵头，螺母，垫板，止浆塞，锚头；以锚杆杆体的长度 l 1 ，锚杆杆体直径 d 1 ，锚杆端部伸出长度l 0 ，螺纹高度d 2 ，螺距h，垫板边长d 3 ，垫板厚度h 2 为参数，绘制普通中空注浆锚杆的精细化模型；
对组合中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将组合中空注浆锚杆划分为10种基本构件：中空注浆锚杆杆体，一号排气管，堵头，螺母，垫板，止浆塞，连接套，钢筋，二号排气管，锚头；以锚杆端部伸出长度l 0，锚杆杆体的长度 l 1，钢筋长度l 2，一号排气管长度l 3，连接套长度l 4，锚杆杆体的直径 d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，螺距h，垫板厚度h 2为参数，绘制组合中空注浆锚杆的精细化模型；
对涨壳式应力中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将涨壳式预应力中空锚杆划分为6种基本构件：涨壳锚固头，中空杆体，注浆排气管，垫板，垫圈，螺母；以锚杆端部伸出长度l 0 ，锚杆杆体的长度 l 1 ，涨壳锚固头长度l 2，涨壳夹片长度l 3，锚杆杆体直径 d 1 ，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，螺距h，垫板厚度h 2 为参数，绘制涨壳式预应力中空锚杆的精细化模型；
对套管式预应力中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将套管式预应力中空锚杆划分为9种基本构件：注浆端头，对中器，中空杆体，端头扣件，自由段套管，注浆排气管，垫板，垫圈，螺母；以锚杆端部伸出长度l 0 ，中空杆体的长度 l 1 ，套筒长度l 2，注浆排气管长度l 3，连接套长度l 4，注浆孔长度l 5，端头长度l 6，中空杆体的直径 d 1 ，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，注浆孔高度d 4，螺距h，垫板厚度h 2 为参数，绘制套管式预应力中空锚杆的精细化模型；
对分段式预应力中空注浆锚杆，采用如下步骤进行精细化建模：
将分段式预应力中空注浆锚杆划分为8种基本构件：实心杆体，阻浆器，连接套，中空杆体，注浆排气管，垫板，垫圈和螺母；以锚杆端部伸出长度l 0，中空杆体的长度l 1，实心杆体长度l 2，注浆排气管长度l 3，连接套长度l 4，阻浆器长度l 5，阻浆器定位l 6，中空杆体的直径d 1，螺纹高度d 2，垫板边长d 3，阻浆器直径d 4，螺距h 1 ，垫板厚度h 2为参数，绘制分段式预应力中空锚杆的精细化模型。
4.根据权利要求3所述的铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，其特征在于所述的步骤S3，具体包括如下步骤：
A. 根据线路参数，生成空间线模型，并获取任意里程对应的空间点三维坐标和切向量；
B. 根据隧道断面变化点和隧道地质条件变化分界点对隧道进行分段，确定每一段隧道所对应的围岩级别以及断面轮廓的各项设计参数；
C. 根据隧道锚杆支护设计通图中各项参数之间的关系，参数化生成隧道截面锚杆分布标准模型，并设定隧道截面锚杆分布标准模型的参数；
D. 根据隧道分段所在空间线及纵向上锚杆的布置方式，生成最终的隧道锚杆空间分布模型。
5.根据权利要求4所述的铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，其特征在于所述的步骤C，具体包括如下步骤：
根据锚杆在隧道断面的分布位置，将锚杆分为拱部锚杆、墙部锚杆和仰拱部锚杆三类；根据隧道分段的围岩级别确定锚杆的布置方案：Ⅲ级围岩以下采用局部布置锚杆方案，Ⅲ级围岩采用拱部布置锚杆方案，Ⅳ级围岩及以上采用拱部+墙部布置锚杆方案；软弱围岩采用拱部+墙部+仰拱部布置锚杆方案；
以隧道中线为y轴，内轨顶面为x轴，两者的交点O作为原点，过交点O且与y轴和x轴垂直的方向为z轴，建立隧道参数坐标系，且规定向右、向上、向屏幕外的方向为正方向；隧道为轴对称，隧道中线为对称轴，隧道断面轮廓左右两侧完全对称；
定义隧道锚杆分布标准模型的可变参数：单截面锚杆的数量num；锚杆环向间距c 1；初期支护的厚度t 1；拱部初期支护内侧圆弧半径R 1；拱部圆心O 1到原点O的高度h O1；拱部锚杆分布弧度
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；直边墙高度h 3；直边墙顶部至原点水平距离s 1；直边墙顶部至原点垂直距离h 4；曲边墙初期支护内侧圆弧半径R 2；曲边墙圆心O 2坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；曲边墙锚杆分布弧度
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；仰拱缓冲区初期支护内侧圆弧半径R 3；仰拱缓冲区圆心O 3坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；仰拱缓冲区锚杆分布弧度
Figure DEST_PATH_IMAGE010
；仰拱初期支护内侧圆弧半径R 4；仰拱部圆心O 4到原点的高度h O4；定义隧道锚杆分布标准模型计算过程的中间参数：拱部环向锚杆间弧度
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；曲墙部环向锚杆间弧度
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；仰拱缓冲部环向锚杆间弧度
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；仰拱部环向锚杆间弧度
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；弧度累加变量
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；高度累加变量h；
计算拱部锚杆的分布规律：令
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；从拱部顶部位置开始，逆时针绕着拱部圆心O 1每隔
Figure DEST_PATH_IMAGE024
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 362407DEST_PATH_IMAGE020
的值增加
Figure 375362DEST_PATH_IMAGE012
，直至
Figure 992288DEST_PATH_IMAGE020
的值不超过
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
计算直边墙部锚杆的分布规律：令h=0；从直边墙顶部位置开始，沿着y轴负方向每隔c 1放置一根锚杆，然后num增加1，h的值增加c 1，直至h的值不超过h 3；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE034
；t 1为初期支护的厚度；
计算曲边墙部锚杆的分布规律：令
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着曲边墙圆心O 2每隔
Figure DEST_PATH_IMAGE038
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 33188DEST_PATH_IMAGE020
的值增加
Figure 772473DEST_PATH_IMAGE014
，直至
Figure 944829DEST_PATH_IMAGE020
的值不超过
Figure DEST_PATH_IMAGE040
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；x O2为曲墙部圆心O 2的水平坐标；y O2为曲墙部圆心O 2的垂直坐标；
计算仰拱缓冲部锚杆的分布规律：令
Figure DEST_PATH_IMAGE046
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着仰拱缓冲区圆心O 3每隔
Figure DEST_PATH_IMAGE048
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 991544DEST_PATH_IMAGE020
的值增加
Figure DEST_PATH_IMAGE049
，直至
Figure 995273DEST_PATH_IMAGE020
的值不超过
Figure DEST_PATH_IMAGE051
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE053
，纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE055
；x O3为仰拱缓冲区圆心O 3的水平坐标；y O3为仰拱缓冲区圆心O 3的垂直坐标；
计算仰拱部锚杆的分布规律：令
Figure DEST_PATH_IMAGE057
；从曲边墙左侧顶部开始位置，逆时针绕着仰拱部圆心O 4每隔
Figure DEST_PATH_IMAGE059
弧度放置一根锚杆，然后num增加1，
Figure 967777DEST_PATH_IMAGE020
的值增加
Figure 191210DEST_PATH_IMAGE018
，直至
Figure 149939DEST_PATH_IMAGE020
的值不超过
Figure DEST_PATH_IMAGE061
；计算任意锚杆在xy平面的分布位置，其中水平坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE063
，纵坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE065
。
6.根据权利要求5所述的铁路隧道锚杆精细化模型的建立方法，其特征在于所述的步骤D，具体包括如下步骤：
定义空间线上某一里程n对应的空间点坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，切向量坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE069
；锚杆纵向间距为C 2；每延米锚杆数量为num p ；
隧道锚杆在纵向上的布置方式分为矩型布置方式和梅花型布置方式；对于矩形布置方式，在沿空间线的方向上每隔C 2布置一圈相同的截面锚杆分布标准模型，其中截面模型的原点坐标设置为
Figure DEST_PATH_IMAGE070
，并将断面模型绕y轴旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，绕x轴旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE073
；对于梅花型布置方式，在沿空间线的方向上每隔C 2布置截面锚杆分布标准模型，其中对于从空间线起点开始的第偶数个截面模型，将拱部锚杆分布的初始值改为
Figure DEST_PATH_IMAGE075
；将直边墙部锚杆的初始值改为
Figure DEST_PATH_IMAGE077
；将曲边墙部锚杆分布的初始值改为
Figure DEST_PATH_IMAGE079
；将仰拱缓冲部锚杆分布的初始值改为
Figure DEST_PATH_IMAGE081
；将仰拱部锚杆分布的初始值改为
Figure DEST_PATH_IMAGE083
；并将截面模型的原点坐标设置为
Figure 12766DEST_PATH_IMAGE067
，并将断面模型绕y轴旋转
Figure DEST_PATH_IMAGE085
，绕x轴旋转
Figure 828275DEST_PATH_IMAGE073
；
计算每延米锚杆数量num p 为
Figure DEST_PATH_IMAGE087
。
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