CN116776422A - 一种盾构隧道三维正向设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种盾构隧道三维正向设计方法，包括以下步骤：1)获取地质勘探数据，建立带有周边环境数据的地质三维模型；2)根据地层分布和周边环境数据生成隧道三维线位；3)建立管片环，沿着所述隧道三维线位将管片环排版形成隧道三维数字模型，删除隧道范围内的地质区域，所述隧道三维数字模型集成有设计的管片结构设计参数；4)将所述隧道三维数字模型自动转换为数值计算模型；5)在所述数值计算模型上施加沿着隧道轴线的荷载分布，验证管片结构是否满足设计要求，若是，则保存并输出设计结果，若否，则重新设计管片结构设计参数，返回步骤3)。与现有技术相比，本发明具有提高设计效率和合理性、便于设计变更等优点。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道结构设计技术领域，尤其是涉及一种盾构隧道三维正向设计方法。
背景技术
BIM技术在地铁隧道工程中使用越来越广泛。但目前盾构隧道的设计与BIM建模相互割裂，无论是流程还是采用的工具(软件)均不相同，BIM模型仍然停留在先完成结构设计、再根据二维设计图纸翻模的阶段，属于“逆向设计”。目前常规采用的BIM逆向设计的基本设计流程如下：
(1)勘察设计单位进行地质勘查，绘制隧道场址地质纵剖面图；
(2)设计单位根据地质条件和周边环境的平面图进行盾构隧道线位设计和结构初步设计；
(3)选择不利断面，建立二维或三维的计算模型，对结构设计参数进行验算是否满足设计要求；
(4)若不满足设计要求则修改结构设计参数，重复第(3)步；若符合要求，按照设计方案绘制二维图纸(纵剖面图、横剖面图、配筋图等)；
(5)设计单位或其他单位根据上述二维设计图纸建立三维BIM模型。
上述方法会导致BIM模型与设计不同步、设计变更效率低，原因有以下几点：1)目前的设计分析软件不具备BIM建模功能，因此设计验算和BIM建模需要在两套软件中完成，计算模型通常在Midas等设计软件或有限元分析软件中，BIM模型则在Revit等BIM建模软件中，需要转换文件格式，导入导出过程中极易丢失数据，导致BIM模型中属性数据不全并且无法和设计计算同步更新，不符合BIM信息传递和共享的理念；或者设计人员直接按照图纸在BIM建模软件中建立模型，BIM模型只是设计图的翻模，先完成设计再建立BIM模型，一旦设计方案发生变更，需要重建BIM模型，费工费力，效率极低。2)即使设计软件采用三维计算模型，仍需要采用其他工具将设计软件的三维计算模型转化为BIM模型，一方面一旦发生设计变更，计算模型与BIM模型需要反复转换效率也不高，另一方面可能出现模型信息丢失等问题。3)设计单位根据图纸建立的BIM模型不一定可用于施工单位，目前常见的情况是设计单位和施工单位各自建立和使用一套BIM模型，数据并不相通，分别建立设计、施工两套BIM模型，不仅造成了工作量重复，更有违BIM协同设计的理念，BIM模型只起到了三维可视化和设计检查的作用。4)隧道线位与结构设计基于二维的地质剖面图和周边环境平面图，地质与结构的空间关系不够清晰，对于设计人员的空间想象力有一定的要求，也会降低设计效率。
结合相关设计软件和案例的调研，目前的盾构隧道设计和BIM建模的基本流程为二维参数设计、建立二维或三维的计算分析模型进行结构验算、根据二维设计图纸“翻模”得到BIM的三维模型，存在着需要建两次模型、不同软件之间数据转换、地层与隧道关系不直观等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高设计效率和合理性的、便于设计变更的盾构隧道三维正向设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种盾构隧道三维正向设计方法，包括以下步骤：
1)获取地质勘探数据，建立带有周边环境数据的地质三维模型；
2)根据地层分布和周边环境数据生成隧道三维线位；
3)建立管片环，沿着所述隧道三维线位将管片环排版形成隧道三维数字模型，删除隧道范围内的地质区域，所述隧道三维数字模型集成有设计的管片结构设计参数；
4)将所述隧道三维数字模型自动转换为数值计算模型；
5)在所述数值计算模型上施加沿着隧道轴线的荷载分布，验证管片结构是否满足设计要求，若是，则保存并输出设计结果，若否，则重新设计管片结构设计参数，返回步骤3)。
进一步地，所述地质三维模型的建立具体包括：
选取若干个点位进行钻孔，采集钻孔处的地质勘探数据；
采用空间插值结合模拟退火法生成所述钻孔之外的地质勘探数据；
基于所述地质勘探数据构建地质三维模型，并在所述地质三维模型中加载周边环境数据。
进一步地，所述地质勘探数据包括地层分布以及各地层的强度、弹性模量和高程。
进一步地，所述采用空间插值结合模拟退火法生成所述钻孔之外的地质勘探数据具体包括：
对每个钻孔处的地质勘探数据按照深度离散为多个点，每个离散点以一4阶张量表示该离散点的地层信息，所述4阶张量中，前3阶分量为该离散点的三维坐标，第4阶分量为地层编码；
设定地质模型区域范围，根据钻孔位置，通过空间插值法生成一空间坐标网格；
以所述钻孔的各离散点为样本点，采用空间插值法获得所述空间坐标网格中所有网格点的地层信息，样本点以外的网格点定义为插值点；
对每个插值点建立以该点的地层编码为平均值μ，用户指定标准差σ的正态分布并求取累积分布函数，基于所述累积分布函数随机赋予各插值点新的地层信息；
以样本点的地层信息张量集合S和当前插值点地层信息张量集合X0组成的集合[SX0]为初始解，以样本点的地层信息张量集合S和插值点地层信息张量集合X组成的集合[SX]中任意两点的变异函数的平方和为目标函数，通过模拟退火法优化各插值点的地层信息；
基于所述空间坐标网格所有网格点的地层信息，建立全区域的地质三维模型。
进一步地，建立全区域的地质三维模型时，对特殊地质位置进行模型修正。
进一步地，所述生成隧道三维线位具体包括：
在地质三维模型的平面投影上生成平曲线，沿着所述平曲线自动将地质三维模型剖切和展开得到地质纵剖面图；
在所述地质纵剖面图生成竖曲线，根据所述平曲线和竖曲线得到隧道三维线位；
基于设定的隧道内外直径和混凝土强度，生成隧道初步设计模型；
基于所述隧道三维线位和隧道初步设计模型的关系判断得到的隧道三维线位是否满足碰撞检查；
对满足碰撞检查的隧道三维线位进行单指标与多指标结合的隧道线位评价，判断是否满足控制要求；
保存满足碰撞检查、满足控制要求且收到人工检查合格反馈的隧道三维线位。
进一步地，所述单指标与多指标结合的隧道线位评价具体包括：
依次判断得到的隧道三维线位的各单指标是否满足控制要求，任一单指标不满足，则产生线位设计否决指令，所述单指标包括线位直线段的纵坡坡度、线位曲线段的平面曲率半径、隧道的抗浮安全系数和隧道的沉降变形；
对满足所有单指标的隧道三维线位进行多指标综合评分，判断得到的多指标综合评估分是否小于设定值，若是，则产生线位设计否决指令，若否，则判定满足控制要求，所述多指标综合评估分为沉降曲率半径分值、周边环境分值和建设成本分值的加权和。
进一步地，所述管片结构设计参数包括隧道横断面的管片形式、管片几何尺寸和材料性质。
进一步地，所述隧道三维数字模型的形成具体包括：
基于所述管片结构设计参数，构建管片模型、螺栓模型和钢筋模型；
将钢筋模型嵌入管片模型，形成管片组；
根据管片分块将各个管片组按各分块位置组合成管片环，将环向螺栓模型嵌入管片连接缝，形成管片环组；
将管片环组沿隧道轴线排列，并在环间缝嵌入纵向螺栓模型，组成隧道三维数字模型。
进一步地，将所述隧道三维数字模型自动转换为数值计算模型具体为：
将管片模型设为实体单元并划分网格，将钢筋模型设为杆单元并划分网格，以弹簧单元替代螺栓模型，形成数值计算模型，该数值计算模型的管片结构设计参数与隧道三维数字模型的管片结构设计参数相一致。
进一步地，所述沿着隧道轴线的荷载分布通过以下方式获得：
在隧道任意的一个断面，沿着垂直于隧道轴线的方向剖切，获得该断面的地质横剖面图；
根据地质横剖面图上的地层分布，以简化的二维数值计算模型取代地质横剖面图上的结构模型，所述二维数值计算模型中，将管片简化为梁单元，两个梁单元之间为弹性接触；
采用二维地层结构法提取地质模型与结构模型之间的作用力，作为当前隧道横断面上的荷载，所述作用力方向沿隧道径向指向隧道圆心，并沿着隧道外侧环向分布；
重复获得多个隧道横断面上的荷载，采用空间插值法获得沿着隧道轴线的荷载分布。
进一步地，所述设计结果包括二维设计图纸、计算报告和BIM模型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过三维正向设计，直接在三维地质模型上开展隧道结构设计计算，统一计算模型与数字模型，便于设计变更，提高设计效率，相比现有专利和常用技术手段具有创新性和优越性。
2、本发明在三维地质模型上开展隧道的线位和结构设计，可视化展示隧道与地质、环境空间位置关系，有助于设计人员合理选择隧道线位和结构形式、参数等。
3、一般文献采用的基于空间插值的三维地质建模方法，如克里金法，力图对待估点的未知值作出最优的、无偏的估计，对真实观测数据的离散性进行了平滑处理，但是容易忽略地质不确定性带来的细微变化；本发明中地质建模在空间插值的基础上结合了模拟退火法，进一步考虑了各点地质全局空间相关性，能更好地反映地质分布状态的波动情况，在保证的预测精度满足设计需要的前提下体现地质不确定性。
4、本发明在设计线位时即可进行线位和理性的评分，综合了建设风险、结构安全、建设成本等因素，可让设计人员提前对隧道建设环境、设计验算时可能发生的问题提前有清晰了解，起到了初步设计的作用。
5、本发明通过参数化设计直接建立结构三维数字和数值模型，既可以用于结构设计验算，也可以作为BIM模型集成各类属性数据，避免了不同建模格式、软件之间的反复转换，特别是结构验算不满足设计条件时，通过调整隧道结构设计参数自动更新三维模型重新验算，BIM模型也同步更新，大大提高设计效率。
6、在设计验算时，一般二维设计软件将地层简化为均质，三维设计软件多采用三维有限元模型加用户在模型上施加均布或线性变化的荷载，这两种方法均不是基于实际地质，计算结果和实际建设条件有一定差异导致计算结构不够准确。在三维有限元计算软件中可以建立三维地质与结构数值模型，精准计算结构受力，但地质模型与结构模型的接触复杂，建模时速度慢还很容易导致计算不收敛。而本发明将精细化的数字模型和数值计算结合起来，通过网格转化实现数字到数值模型的转变，并把基于二维地层结构法得到的真实应力分布进行空间插值、以连续分布方式施加给三维的荷载结构法计算模型，兼顾了建模计算的效率、稳定性和准确性，既能够反映实际地质情况、满足设计精度要求，避免了繁琐的建模和接触设定。
附图说明
图1为本发明正向设计流程示意图；
图2为本发明三维地质建模流程示意图；
图3为本发明平曲线要素示意图；
图4为本发明竖曲线要素示意图；
图5为本发明单指标与多指标线位结合的线位评价流程示意图；
图6为本发明实施例中沉降曲线与沉降曲率半径计算示意图；
图7为本发明实施例中沉降曲线与沉降曲率半径计算的简化数值计算模型；
图8为本发明实施例中剖面图荷载计算示意图；
图中，1——梁单元，2——接触弹性单元，3——均布荷载，4——地质模型，4-1～4-3表示不同土层，5——地质模型与结构模型间作用力。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
术语解释
BIM：Building Information Modeling，建筑信息模型，以三维图形为主、物件导向、建筑学有关的电脑辅助设计，可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全寿命周期的终结，各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作。
地质钻孔：用钻机从地表向下钻进，在地层中形成圆柱形钻孔，以鉴别和划分地层。可从钻孔中不同深度处取得岩心、矿样、土样进行分析研究，用以测定岩石和土层的物理、力学性质和指标，提供设计需要。
GIS：Geographic Information System，地理信息系统，在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
地质剖面：沿某一方向，显示地表或一定深度内地质构造情况的实际(或推断)切面。
模拟退火法：Simulate Anneal Arithmetic，SAA，是一种通用概率演算法，用来在一个大的搜寻空间内找寻命题的最优解。其原理和金属退火的原理近似：将热力学的理论套用到统计学上，将搜寻空间内每一点想像成空气内的分子；分子的能量，就是它本身的动能；而搜寻空间内的每一点，也像空气分子一样带有“能量”，以表示该点对命题的合适程度。演算法先以搜寻空间内一个任意点作起始：每一步先选择一个“邻居”，然后再计算从现有位置到达“邻居”的概率。
本发明提供一种盾构隧道三维正向设计方法，包括：获取地质勘探数据，建立带有周边环境数据的地质三维模型；根据地层分布和周边环境数据生成隧道三维线位；建立管片环，沿着所述隧道三维线位将管片环排版形成隧道三维数字模型，删除隧道范围内的地质区域，所述隧道三维数字模型集成有设计的管片结构设计参数；将所述隧道三维数字模型自动转换为数值计算模型；在所述数值计算模型上施加沿着隧道轴线的荷载分布，验证管片结构是否满足设计要求，若是，则保存并输出设计结果，若否，则重新设计管片结构设计参数。
上述盾构隧道三维正向设计方法，通过三维正向设计，在三维地质模型上进行盾构隧道的线位和结构设计，直接获得三维BIM模型和计算模型，在BIM模型中进行初步的设计检查，在计算模型中进行截面强度、配筋率等设计验算，当结构设计发生变更时BIM模型属性参数与计算模型参数一同变更，避免了不同模型之间的数据、格式转换，实现了从方案设计阶段就采用三维建模，地质、结构三维模型信息不断传递、延续、更新，有效提高协同设计效率，最终在BIM模型的基础上输出图纸。
如图1所示，上述盾构隧道三维正向设计方法具体包括以下步骤：
S1、选取若干个点位进行钻孔，采集钻孔处的地质勘探数据。
由勘察单位获取地质勘探数据，由于技术、成本限制，一个工程无法精确勘测每一个位置的地层参数，会选取若干个点位进行钻孔，得到地质钻孔中的地层分布和各地层强度、弹性模量、高程等性质参数。
S2、根据钻孔等地址数据，采用空间插值结合模拟退火法生成钻孔外其他位置的地层分布，建立各个地层的地质三维模型，并在地质三维模型中关联前述地层性质参数。
在具体实施方式中，空间插值法可以采用如克里金法、三角剖分法、距离倒数加权法、最小曲率法、最近邻点法等方法。
在具体实施方式中，如图2所示，采用空间插值结合模拟退火法生成钻孔外其他位置的地层分布具体包括如下步骤：
S201、将钻孔按照深度离散为多个点，地层类型采用数字编码，如001表示填土，002表示砂土等，钻孔中的每个离散点的地层信息用4阶张量表示，前3阶分量为该点三维坐标，第4阶分量为地层编码。
S202、设定地质模型区域范围，根据钻孔位置，通过克里金法等空间插值法自动选择其他区域的插值点，形成空间坐标网格。
S203、以钻孔位置的离散点为样本点，按照顺序采用空间插值法获得所有网格点的地层编码，从而获得所有网格点的地层信息张量。
S204、取空间网格中样本点以外的任意插值点，以该点的地层编码为平均值μ，用户指定标准差σ，建立正态分布X～N(μ,σ2)，其累积分布函数为：
对每个插值点均按上述方法建立正态分布并求取累积分布函数，一般插值点的标准差应取小于1的数值，当用户判断某处可能存在断层特特殊地质情况时，该处插值点正态分布的标准差可取大于1。
S205、取空间网格中样本点以外的任意插值点，取(0,1)范围内的随机数y，令该点的F(x)＝y，求得的x值作为该点新的地层编码；同样方法求得所有插值点新的地层编码并获得新的地层信息张量。
S206、以样本点的地层信息张量集合S和当前插值点地层信息张量集合X0组成的集合[S X0]为初始解，通过模拟退火法优化各插值点的地层信息，模拟退火法的目标函数为：
上式中γ(h)为样本点的地层信息张量集合S和插值点地层信息张量集合X组成的集合[S X]中任意两点的变异函数。即目标函数为上述集合中所有的点两两组合求得变异函数后的平方和。
以样本点的地层信息张量集合S和当前插值点地层信息张量集合X0组成的集合[SX0]为模拟退火法的初始解，带入公式(2)求得初始目标函数O0；由用户设定初始温度T0、退火系数η(0＜η＜1)、每个温度条件下的连续不接受新解次数上限mmax、降温次数上限nmax；当前连续不接受新解次数m＝0，降温次数n＝0。
S207、生成新解：在当前插值点地层信息张量集合Xk中任意选择两个点，将它们的地层编码交换，例如，下列3个张量集合：
点1：[x1,y1,z1,d1]；
点2：[x2,y2,z2,d2]；
点3：[x3,y3,z3,d3]。
随机选择了点1和点3交换地层编码，则新的张量集合为：
新点1：[x1,y1,z1,d3]；
点2：[x2,y2,z2,d2]；
新点3：[x3,y3,z3,d1]。
通过上述交换获得新的插值点地层信息张量集合Xk+1，并计算目标函数Ok+1。
S208、判断是否存在Ok+1≤Ok，若是，则接受上述新解，新集合[S Xk+1]取代[SXk]，并且令m＝0，若否，则执行步骤S209。
S209、按照Boltzman概率分布计算接受上述新解的概率：
随机生成(0,1)范围内的随机数p，若P{accept}＞p，则接受上述新解，新集合[SXk+1]取代[S Xk]，并且令m＝0；否则不接受新解，仍然采用[S Xk]集合并返回步骤S207，并且令m＝m+1。
S210、内循环：重复步骤S207至步骤S209直到m＝mmax。
S211、外循环：降低温度，令n＝n+1，Tn+1＝ηTn，重复步骤S207至步骤S211直到n＝nmax。
S212、根据最终获得的插值点地层信息张量集合，解码获得各个插值点的地层类型，建立全区域的地质模型。
S213、用户对可能存在特殊地质的位置进行模型人工修正，方法如下：
(13.1)设定修正的特殊地址类型，如断层、尖灭等；
(13.2)在三维地质模型中指定特殊地质的空间位置和范围；
(13.3)在三维地质模型中通过布尔运算删除原地质模型，并建立特殊地质模型，并标注特殊地质属性。
相比多数二维设计软件中简化为厚薄均匀分布的地层，本方法根据钻孔资料采用空间插值结合模拟退火法生成地质模型的方式更符合实际；相比一般文献采用的空间插值法，本方法进一步考虑了地质分布的不确定性。
S3、在地质三维模型上导入周边环境，如建筑、道路、管线的GIS数据，并标注在地质三维模型对应空间位置上。
S4、在三维地质模型上，根据地层的分布和周围的环境，选择隧道线位的控制点，通常应当规避不良地质和需避让的建构筑物，通过这些控制点自动生成隧道三维线位，并自动进行初步的碰撞检查和变形预测分析，当不满足条件时提示否决线位。
生成隧道三维线位具体包括：在地质三维模型的平面投影上生成平曲线，沿着所述平曲线自动将地质三维模型剖切和展开得到地质纵剖面图；在所述地质纵剖面图生成竖曲线，根据所述平曲线和竖曲线得到隧道三维线位；基于设定的隧道内外直径和混凝土强度，生成隧道初步设计模型；基于所述隧道三维线位和隧道初步设计模型的关系判断得到的隧道三维线位是否满足碰撞检查；对满足碰撞检查的隧道三维线位进行单指标与多指标结合的隧道线位评价，判断是否满足控制要求；保存满足碰撞检查、满足控制要求且收到人工检查合格反馈的隧道三维线位。
在具体实施方式中，隧道三维选线包括平曲线坐标解算、纵曲线坐标解算、线位检查，具体步骤如下：
(1)首先在地质模型的平面投影上进行平曲线设计，设计人员根据周边环境选择控制节点和平曲线要素，如图3所示，包括交点坐标、直缓点坐标、半径R、转角值α、缓和曲线长度Ls1、Ls2、切线长度T1、T2、外距E。
(2)将这些参数离散成一组首尾相接的线元，组成平曲线。
(3)沿着隧道平面曲线自动将三维地质模型剖切和展开得到地质纵剖面图。
(4)在地质纵剖面图上进行竖曲线设计，设计人员根据地层分布选择控制节点和竖曲线要素，如图4所示，设计内容包括交点坐标、前视坡度i1、后视坡度i2、曲率半径R、切线长度T、外距E。
(5)将这些参数离散成一组首尾相接的线元，组成竖曲线。
(6)根据平曲线和竖曲线得到隧道三维线位。
(7)用户设定隧道内外直径和混凝土强度，作为结构初步设计，生成隧道初步设计模型，并在三维地质模型中展示，通过半透明化三维地质模型及隧道模型高亮显示，实现线位与地质关系可视化展示。
(8)对隧道线位进行碰撞检查：由用户设定隧道结构与地质模型中的断层、尖灭等特殊地质、地下管线、建筑桩基的最小间距l，通过模型碰撞检查判断隧道初步设计模型与上述物体即其最小间距范围是否发生重叠，一旦发生重叠，提示用户否决当前线位设计方案，并将重叠区段以红色标注强调，由用户修改重新设计。
(9)对于碰撞检查满足要求的线位设计，进行单指标与多指标结合的隧道线位评价，不满足控制要求时，提示用户否决当前线位设计方案，并将不满足要求的区段以红色标注强调，由用户修改重新设计。
(10)当线位评估分较低时，由人工对线位进行检查：选择关键位置，如周围存在不良地质、其他建筑道路、差异沉降较大的位置，指定一条直线，沿此直线将三维地质剖切，用户在剖切面上人工查看地质分布、隧道位置、周围环境，并由用户自行修改。
(11)当碰撞检查、线位评估和人工检查均满足要求时，完成三维选线设计。
如图5所示，上述步骤(9)中，进行单指标与多指标结合的隧道线位评价具体包括：
901)依次判断得到的隧道三维线位的各单指标是否满足控制要求，任一单指标不满足，则产生线位设计否决指令，所述单指标包括线位直线段的纵坡坡度、线位曲线段的平面曲率半径、隧道的抗浮安全系数和隧道的沉降变形，各单指标的控制要求如下：
1)计算线位直线段的纵坡坡度，当任意段坡度小于0.3％或大于5％时，否决线路设计并将纵坡坡度不合理区段高亮显示。
2)计算线位曲线段的平面曲率半径，当任意段平面曲率半径小于40D(D为隧道外径)时，否决线路设计并将平面曲率半径不合理区段高亮显示。
3)计算隧道的抗浮安全系数，公式为：
式中γf为抗浮安全系数，G自和G覆分别表示隧道结构自重和隧道上覆土有效压重标准值，分别按式(5)、式(6)计算，F浮为浮力标准值，按式(7)计算。
F浮＝γwV (7)
其中γc、γs、γw分别表示混凝土材料重度、隧道上覆土体重度、水重度，D、d分别表示隧道外径和内径，H表示隧道覆土厚度，V表示计算水位以下隧道结构封闭外轮廓，即隧道的排水体积。
当隧道任意位置抗浮系数小于1.05时，否决线路设计并将抗浮系数不足位置高亮显示。
4)计算隧道的沉降变形，公式为：
式中s为总沉降量，σzi、Eei、Hi分别为第i层土的附加应力、压缩模量和土层厚度，ψs为沉降修正系数。
当隧道两点间的差异沉降大于0.04％Li(Li为两点间距)时，否决线路设计并将差异沉降超过限制值的区段高亮显示。
902)对满足所有单指标的隧道三维线位进行多指标综合评分，判断得到的多指标综合评估分是否小于设定值，若是，则产生线位设计否决指令，若否，则判定满足控制要求，所述多指标综合评估分为沉降曲率半径分值、周边环境分值和建设成本分值的加权和。在具体实施方式中，评估分小于60则否决该线位，评估分60～80线位评价良好，分数80～100线位评价优秀。
多指标综合评估分的具体计算过程包括：
1)沉降曲率半径分值
计算沉降曲率半径，如图6所示A、B、C为沉降曲线上连续3个点，坐标分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)，B点的沉降曲率半径按式(9)计算：
沉降曲率半径的控制值由简化数值计算模型获得，方法如下：
(1.1)用户设定管片环宽度和接头刚度(初步设计)。
(1.2)将管片环简化为梁单元，梁单元长度等于管片环宽度，梁单元截面刚度与管片环截面刚度一致：
式中Ec为混凝土弹性模量。
两个梁单元之间为弹性接触，接触弹性单元的弹性模量与设定的接头刚度一致，按此方式将多个梁单元连接，模型总长度等于图7中AC距离，左右侧铰支撑。
(1.3)在模型上施加均布荷载，逐渐增大均布荷载，直到B点位置接触弹性单元变形达到0.3mm，计算此时模型变形的曲率半径R1；以及直到接触弹性单元应力达到初步设计的螺栓屈服强度的曲率半径R2。
(1.4)按下表获得沉降曲率半径分值Vs。
表1曲率半径分值
| 曲率半径等级 | 曲率半径 | 曲率半径分值 |
| I | ρB＞9R1 | 100 |
| II | 6R1＜ρB≤9R1 | 80 |
| III | 3R1＜ρB≤6R1 | 60 |
| IV | R1＜ρB≤3R1 | 40 |
| V | R2＜ρB≤R1 | 20 |
当隧道划分为多个区段时，按公式(9)和表1获得各个区段的沉降曲率半径分值，删除首尾两端两个区段后计算其余区段平均值。一般建议区段划分越密评分越准，但计算量越大，可按每100m为一个区段。
(2)周边环境分值
上述步骤中已经设定了线位与周边环境(地质、建筑、管线等)的最小间距l，根据隧道外侧与周边环境距离Ld和设定的最小间距l的差值，按照下表获得周边环境分值Vd。
表2周边环境分值
| 周边环境等级 | Ld-l | 周边环境分值 |
| I | Ld-l＞4D | 100 |
| II | 3D＜Ld-l≤4D | 80 |
| III | 2D＜Ld-l≤3D | 60 |
| IV | D＜Ld-l≤2D | 40 |
| V | 0＜Ld-l≤D | 20 |
当周边环境较多时，按照每一个环境计算分值后取最小值。
(3)建设成本分值
用户设定每公里建造成本pkm及总建造预算P，公里建造成本建议按照下式计算：
式中pc为混凝土市价(元/立方米)，α建议取1.5～2.5。
由线位设计得到隧道设计长度Lz(公里)，按照下式计算建设成本分值Vp：
(4)综合评价
设定沉降曲率半径分值、周边环境分值和建设成本分值的权重系数ωs、ωd、ωp，设定方法可采用专家打分或模糊综合评价法，按照下式计算多指标综合评估分V：
本发明上述单指标多指标结合的隧道线位评分方式，充分考虑了施工风险、成本等因素，在线位设计阶段即快速定量评价线位设计合理性。
S5、设定隧道横断面的管片形式、管片几何尺寸、材料性质等结构设计参数，建立管片环模型。
隧道横断面的管片形式参数包括：普通衬砌环、标准衬砌环。其中普通衬砌环包括直线环、左转环和右转环。
管片几何设计参数包括：管片环尺寸参数、管片分块数和各块夹角，螺栓分布位置，螺栓标号、长度，配筋位置，钢筋尺寸。其中：
直线环尺寸参数包括：外环直径，内环直径，单环宽度。
左转环、右转环和标准衬砌环尺寸参数包括：外环直径、内环直径，单环宽度、楔形角或楔形量。
根据上述参数，自动建立盾构隧道管片结构的三维数字模型和计算模型，并自动划分三维计算模型的计算单元。
管片材料参数包括：混凝土、钢筋、螺栓。其中：
混凝土材料设计参数包括：轴心抗压强度标准值fck、轴心抗拉强度标准值ftk、轴心抗压强度设计值fc、轴心抗拉强度设计值ft、弹性模量Ec、剪切变形模量Gc、泊松比νc。
钢筋材料设计参数包括：屈服强度标准值fyk、极限强度标准值fstk、抗拉强度设计值fy、抗压强度设计值fy′、弹性模量Es。
螺栓材料设计参数包括：抗拉强度设计σb、屈服点σs或屈服强度σ0.2。
将上述材料参数赋予结构三维模型中。
S6、进行管片环三维排版设计。
S7、沿着隧道线位将管片环排版形成隧道三维数字模型，通过布尔运算删除隧道范围内的地质模型，隧道三维数字模型中集成前述的管片结构设计参数。通过半透明地质模型的方法实现隧道结构与地层分布的可视化展示。
在具体实施方式中，先删除隧道初步设计模型，再建立三维数字模型，具体流程如下：
(1)根据管片形式参数和管片环尺寸参数，形成每一块管片的平面展开图，设为管片平面；
(2)根据管片环内径弯曲管片平面；
(3)通过圆柱坐标径向拉伸运算将管片面向外侧拉伸，拉伸距离为外径减去内径，生成管片模型；
(4)根据螺栓标号生成圆形截面，沿着轴向拉伸螺栓长度形成螺栓模型；
(5)同理根据钢筋直径生成圆形截面，沿着轴向拉伸螺栓长度形成生成钢筋模型；
(6)钢筋位置将钢筋模型嵌入管片模型，通过布尔运算删除管片模型中与钢筋模型重叠的体积，管片模型与钢筋模型形成管片组；
(7)根据管片分块将各个管片组按各分块位置组合成管片环。
(8)根据螺栓位置将环向螺栓模型嵌入管片连接缝，通过布尔运算删除管片模型中与螺栓模型重叠的体积生成环向螺栓孔，管片组和环向螺栓模型形成管片环组。
(9)将管片环组沿隧道轴线排列，并在环间缝嵌入纵向螺栓模型，通过布尔运算删除管片模型中与螺栓模型重叠的体积生成纵向螺栓孔，管片环组和纵向螺栓模型组成隧道三维数字模型。
(10)将混凝土材料设计参数关联至管片模型，钢筋材料设计参数关联至钢筋模型，螺栓材料参数关联至螺栓模型。
S8、将隧道三维数字模型自动转换为数值计算模型，具体方法如下：
(1)对管片模型进行简化，将环向螺栓孔与纵向螺栓孔填充，管片模型设为实体单元并划分网格，管片单元的物理力学性质采用管片几何参数、混凝土材料设计参数按照材料力学计算；
(2)将钢筋模型设为杆单元并划分网格，钢筋单元与管片单元的接触方式为嵌入，钢筋单元的的物理力学性质采用钢筋几何参数、钢筋材料设计参数按照材料力学计算；
(3)将螺栓模型简化，在计算模型中，删除螺栓的实体模型，在管片接缝面上螺栓位置设置弹簧单元连接两个管片实体模型，弹簧单元无几何尺寸，其刚度采用螺栓的几何参数和材料设计参数按照材料力学计算；
(4)数值计算模型转换完成，每当数字模型的几何尺寸或关联的材料参数发生变化时都自动重现转换数值计算模型。
本发明上述将隧道三维数字模型自动转换和更新为数值计算模型的方法，有效解决了目前逆向设计需要分别建立数字模型和数值计算模型的低效率问题。
S9、通过地质模型中地层分布情况，自动计算沿着隧道的荷载分布并施加在隧道模型上，进行管片结构三维验算，具体步骤如下：
(1)在隧道任意的一个断面，沿着垂直于隧道轴线的方向剖切地质模型，获得该断面的地质横剖面图。
(2)根据横剖面图上的地层分布，与常规设计软件采用规范计算竖向土压力和侧向土压力不同，本方法采用简化的二维数值计算模型计算隧道所受荷载：
(2.1)将管片简化为梁单元，梁单元形状与管片横截面一致，梁单元截面单元刚度由混凝土截面和配筋情况按照规范计算：两个梁单元之间为弹性接触，接触弹性单元的弹性模量与环向螺栓刚度一致，按此方式将多个梁单元连接成环。
(2.2)以上述简化二维结构数值计算模型取代地质剖面上的结构模型。
(2.3)采用二维地层结构法计算上述地质加结构数值计算模型，提取地质模型与结构模型之间的作用力，如图8所示。
(2.4)上述作用力方向沿隧道径向指向隧道圆心，并沿着隧道外侧环向分布。
(3)按照上述方法每隔5～10m计算隧道横断面上的荷载，再有特殊地址、穿越地层变化较大、隧道曲率变化较大的位置，必须选取断面并计算荷载。
(4)以上述计算的多个断面为基准，采用空间插值法，计算隧道其他任意位置的受力状态，从而获得沿着隧道轴线的荷载分布并施加在隧道数值计算模型上。
(5)进行三维有限元计算分析，分析内容包括截面强度、管片接头强度、抗浮验算等规范要求的验算项目。
S10、若验算不满足设计要求，回到步骤S5重新设定管片设计参数，隧道模型自动更新、转换并重新验算直至满足设计要求，若满足设计要求，自动输出二维设计图纸、计算报告，将前述地质三维模型和隧道三维模型以及模型上集成的属性参数自动导出为BIM模型。
上述结构设计验算的荷载是基于三维地质模型计算分布在隧道纵向的荷载，由于三维地质模型比一般二维设计软件中简化为厚薄均匀分布的地层更符合实际工程，其计算的荷载也更为精准，同时在计算中采用二维计算后空间插值的方法将三维地质模型转化为荷载施加在结构模型上，也避免了三维有限元软件中地质模型与结构模型计算时接触方式很难设定、受力不明确的问题。
上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取地质勘探数据，建立带有周边环境数据的地质三维模型；
2)根据地层分布和周边环境数据生成隧道三维线位；
3)建立管片环，沿着所述隧道三维线位将管片环排版形成隧道三维数字模型，删除隧道范围内的地质区域，所述隧道三维数字模型集成有设计的管片结构设计参数；
4)将所述隧道三维数字模型自动转换为数值计算模型；
5)在所述数值计算模型上施加沿着隧道轴线的荷载分布，验证管片结构是否满足设计要求，若是，则保存并输出设计结果，若否，则重新设计管片结构设计参数，返回步骤3)。
2.根据权利要求1所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，所述地质三维模型的建立具体包括：
选取若干个点位进行钻孔，采集钻孔处的地质勘探数据；
采用空间插值结合模拟退火法生成所述钻孔之外的地质勘探数据；
基于所述地质勘探数据构建地质三维模型，并在所述地质三维模型中加载周边环境数据。
3.根据权利要求2所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，所述采用空间插值结合模拟退火法生成所述钻孔之外的地质勘探数据具体包括：
对每个钻孔处的地质勘探数据按照深度离散为多个点，每个离散点以一4阶张量表示该离散点的地层信息，所述4阶张量中，前3阶分量为该离散点的三维坐标，第4阶分量为地层编码；
设定地质模型区域范围，根据钻孔位置，通过空间插值法生成一空间坐标网格；
以所述钻孔的各离散点为样本点，采用空间插值法获得所述空间坐标网格中所有网格点的地层信息，样本点以外的网格点定义为插值点；
对每个插值点建立以该点的地层编码为平均值μ，用户指定标准差σ的正态分布并求取累积分布函数，基于所述累积分布函数随机赋予各插值点新的地层信息；
以样本点的地层信息张量集合S和当前插值点地层信息张量集合X0组成的集合[S X0]为初始解，以样本点的地层信息张量集合S和插值点地层信息张量集合X组成的集合[S X]中任意两点的变异函数的平方和为目标函数，通过模拟退火法优化各插值点的地层信息；
基于所述空间坐标网格所有网格点的地层信息，建立全区域的地质三维模型。
4.根据权利要求3所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，建立全区域的地质三维模型时，对特殊地质位置进行模型修正。
5.根据权利要求1所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，所述生成隧道三维线位具体包括：
在地质三维模型的平面投影上生成平曲线，沿着所述平曲线自动将地质三维模型剖切和展开得到地质纵剖面图；
在所述地质纵剖面图生成竖曲线，根据所述平曲线和竖曲线得到隧道三维线位；
基于设定的隧道内外直径和混凝土强度，生成隧道初步设计模型；
基于所述隧道三维线位和隧道初步设计模型的关系判断得到的隧道三维线位是否满足碰撞检查；
对满足碰撞检查的隧道三维线位进行单指标与多指标结合的隧道线位评价，判断是否满足控制要求；
保存满足碰撞检查、满足控制要求且收到人工检查合格反馈的隧道三维线位。
6.根据权利要求5所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，所述单指标与多指标结合的隧道线位评价具体包括：
依次判断得到的隧道三维线位的各单指标是否满足控制要求，任一单指标不满足，则产生线位设计否决指令，所述单指标包括线位直线段的纵坡坡度、线位曲线段的平面曲率半径、隧道的抗浮安全系数和隧道的沉降变形；
对满足所有单指标的隧道三维线位进行多指标综合评分，判断得到的多指标综合评估分是否小于设定值，若是，则产生线位设计否决指令，若否，则判定满足控制要求，所述多指标综合评估分为沉降曲率半径分值、周边环境分值和建设成本分值的加权和。
7.根据权利要求1所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，所述隧道三维数字模型的形成具体包括：
基于所述管片结构设计参数，构建管片模型、螺栓模型和钢筋模型；
将钢筋模型嵌入管片模型，形成管片组；
根据管片分块将各个管片组按各分块位置组合成管片环，将环向螺栓模型嵌入管片连接缝，形成管片环组；
将管片环组沿隧道轴线排列，并在环间缝嵌入纵向螺栓模型，组成隧道三维数字模型。
8.根据权利要求7所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，将所述隧道三维数字模型自动转换为数值计算模型具体为：
将管片模型设为实体单元并划分网格，将钢筋模型设为杆单元并划分网格，以弹簧单元替代螺栓模型，形成数值计算模型，该数值计算模型的管片结构设计参数与隧道三维数字模型的管片结构设计参数相一致。
9.根据权利要求1所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，所述沿着隧道轴线的荷载分布通过以下方式获得：
在隧道任意的一个断面，沿着垂直于隧道轴线的方向剖切，获得该断面的地质横剖面图；
根据地质横剖面图上的地层分布，以简化的二维数值计算模型取代地质横剖面图上的结构模型，所述二维数值计算模型中，将管片简化为梁单元，两个梁单元之间为弹性接触；
采用二维地层结构法提取地质模型与结构模型之间的作用力，作为当前隧道横断面上的荷载，所述作用力方向沿隧道径向指向隧道圆心，并沿着隧道外侧环向分布；
重复获得多个隧道横断面上的荷载，采用空间插值法获得沿着隧道轴线的荷载分布。
10.根据权利要求1所述的盾构隧道三维正向设计方法，其特征在于，所述设计结果包括二维设计图纸、计算报告和BIM模型。
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