参数化活动循环图及其在盾构隧道施工仿真中的应用

摘要：盾构法施工带来的地表沉降会对周边环境造成影响，施工参数的设定会影响沉降值。采用计算机仿真的方法能够预测施工造成的地表沉降，但尚不能自动优化施工参数。该文在传统活动循环图的基础上，提出了参数化活动循环图的仿真模型，建立施工活动-环境互动、施工活动之间互动的盾构隧道施工动态仿真系统，并将其应用于某穿江隧道工程。结果证明，参数化活动循环图模型具有反馈施工影响、自动优化施工参数的作用，能够指导盾构法施工。

关键词：盾构法；参数化活动循环图；施工仿真

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）01-0152-03

1 概述

盾构法施工会引起地层扰动，造成地层变形及地面沉降，特别是在软土盾构隧道中尤甚。当地层变形超过一定范围时，会危及临近建筑物和地下管网的安全，引起一系列的环境岩土问题[1]。利用计算机仿真方法可以为现场施工提供有价值的预测信息，从另一个角度对工程施工进行指导。

在隧道工程领域，根据仿真目的的不同，仿真可分为两种类型：力学仿真，施工过程仿真。力学仿真是针对施工对环境、结构的力学性能影响的仿真，施工过程仿真是针对施工生产、管理参数的仿真。两者的共同目标是通过预判施工行为带来的影响而降低工程风险。对这两种仿真，研究人员采用了不同的仿真方法。

对于力学仿真，于宁等采用三维有限元的方法对盾构隧道引起的地表沉降进行分析[2]，裴洪军通过有限元方法对盾构施工时开挖面的稳定性进行了研究[3]，李泽荣运用三维有限元方法对西安在建地铁线的地表沉降进行模拟和分析[4]，朱忠隆等使用变形智能模拟控制方法对盾构开挖造成的变形进行模拟分析[5]。现有的力学仿真方法能十分精确地得到给定条件的计算结果，但已经建立的模型无法通过与施工行为的互动改变施工参数，从而影响仿真结果，而改变一次参数往往意味着仿真重启甚至模型重建，会消耗大量时间。

该文针对盾构隧道现有力学仿真方法无法在仿真过程中动态改变施工参数的问题，以及现有施工过程仿真方法施工过程之间过分独立鲜有互动的问题，提出在施工过程仿真的活动循环图基础上，通过引入参数传递，使之与力学模型连接，实现了施工过程与力学模型的一体化。在本文的最后，以对某盾构隧道施工引起的地表沉降仿真为例，实现了施工过程中的地表沉降动态仿真，证实了采用该方法能够根据施工影响的参数反馈优化施工参数。

2 仿真模型

2.1 盾构隧道施工ACD图

活动循环图（ACD，Activity Cycle Diagram）是一种对于施工过程逻辑关系的直观表现形式。活动循环图包含以下三种节点元素：约束活动只需流程进行到此处就能执行，条件活动需要条件满足方能执行，资源的空闲或空闲程度会影响条件活动是否执行。通常，建立ACD图的方法是：1）分别画出与施工涉及资源相关的活动；2）将资源按照施工逻辑关系与活动连接，并建立网络图[6]（Halpin and Riggs 1992）。

将盾构施工过程中涉及的传送带、拼装机、管片、货车、一环空间、支座环、刀盘、运土设备定义为资源，将货车运管片、传送管片、拼装、顶进、切土、换刀、渣土外运定义为条件活动，将同步注浆、排土定义为约束活动。盾构施工的基本过程包括管片运送，管片拼装，顶进，切削土体。其基本循环关系是，拼装切削顶进拼装，其中切削和顶进同时进行。图1是一个典型盾构法施工的ACD图。

2.2 参数化ACD图

为了让施工活动之间能够互动，引入参数化ACD图。如图2，当仿真进行到活动一时，其相关参数作为输入参数输入力学模型，经过力学模型计算，解出输出参数，而后传递到活动二，活动二的属性参数因此被修改，这种改变将在仿真进行到活动二时生效。

力学模型是一个独立、封装的仿真模块，由输入参数、计算模型、输出参数组成。力学模型的基本运作方式为：当仿真进行到与力学模型互动的施工活动时，该活动输出与之相关的活动参数；随后这些参数作为输入参数传递给计算模型；结合同样作为输入参数的预设参数，计算模型解出输出参数。

参数化ACD图中，力学模型作为媒介，通过参数传递连接相关活动，成为活动间互动的桥梁，使活动之间能够相互反馈信息。作为仿真系统的逻辑模型，参数化ACD图实现了活动之间的互动。集成了力学模型的参数化ACD图，在此基础上增加了施工与环境互动。

3 工程实例

某穿江隧道采用盾构法施工，其中江西侧陆地暗埋段长579.12m，圆隧道横断面外径15m，内径13.7m，最深埋深达55m。盾构机外径15.43m。暗埋段地表有工业厂房、公路、民宅、高架路、轻轨、集运码头，部分区域对地面沉降控制十分严格。

根据某工程钻孔平面位置信息构建地表网格，通过网格加密算法加密网格，以此对地层面进行建模，并将网格节点记录到电子表格中用于沉降查询。

仿真的对象是由盾构开挖引起的地表沉降，采用Peck公式作为计算模型。Peck公式是一种基于高斯分布的盾构隧道施工地表沉降计算方法。

在这个盾构法施工过程中选取最具代表性的一个部分的活动循环作为研究对象，其中包括切土，顶进，拼装，排土四个活动。这部分的ACD图如图3所示。

仿真建模平台采用Virtools。Virtools是一套具备丰富的互动行为模块的实时3D环境虚拟实境编辑软件，可以通过行为模块编写程序脚本，制作出许多不同用途的3D产品，如网际网络、计算机游戏、多媒体、建筑设计、交互式电视、教育训练、仿真与产品展示等。

利用Virtools中预定义的行为模块以及二次开发行为模块，根据模块化建模思维，按照图3所示参数化ACD图的结构，将行为模块封装成图4所示Virtools脚本图。

图中Q：Ring for Support模块和Q： Space for a Ring模块是资源节点，Peck Formula是计算模型，其余都是施工活动。仿真启动后，切土、顶进、排土、拼装循环进行，顶进活动向力学模型输出盾构机位置参数和方向参数，排土活动向力学模型输出土体损失率η，初始土体损失率设定为7%。由图5，仿真进行到第30环时最大地面沉降为43.4mm，远远大于规范规定的30mm限值。力学模型将沉降值过大的信息通过参数传递反馈给排土活动，排土活动因此降低排土率至5.5%。施工到第40环时，最大沉降已经控制在了30mm以内，为27.5mm（图6）。

4 结论

盾构法施工会造成地表沉降，并因此影响周边环境。许多现有的仿真方法能够较好地计算出地表沉降，但是由于不能考虑施工参数的改变而得不到大量应用。传统的活动循环图作为逻辑模型在施工生产、管理仿真领域得到了大量应用，但是活动之间欠缺互动限制了其在工程领域发挥更大作用。

该文在传统活动循环图（ACD）的基础上，提出了集成力学模型的参数化活动循环图，并以此作为逻辑模型，在Virtools平台上搭建了施工-环境之间、活动之间能够互动的仿真系统，让通过仿真实现施工参数优化成为可能。最后通过一个工程实例验证了方法的可行性。

该文仅对土体损失率进行优化，而且在仿真中仅考虑了排土量对土体损失率的影响。藉由参数化活动循环图的方法，在以后的工作中可以更全面地考虑施工参数对地表沉降的影响。

参考文献：

[1] 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 于宁，朱合华.盾构隧道施工地表变形分析与三维有限元模拟[J].岩土力学， 2005，26（6）： 896-900.

[3] 裴洪军.城市隧道盾构法施工开挖面稳定性研究[D].南京： 河海大学，2005.

[4] 李泽荣.地铁盾构施工引起地表沉降的数值模拟研究[D]. 西安： 西安科技大学，2009.

[5] 朱忠隆，孙钧，张庆贺.盾构法隧道施工变形智能模糊控制方法研究[J]. 岩土力学，2005，26（6）： 896-900.

[6] J. C. Martinez and P. G. Ioannou. General-Purpose Systems For Effective Construction Simulation[J]. Journal Of Construction Engineering And Management，1999，125（4）：265-276.