盾构隧道通用管片虚拟拼装系统（论文） .pdf

第1 9 卷第9 期 2 0 0 7 年9 月 计算机辅助设计与图形学学报 j o u r n a i 。o fc o m p u t e r a i d e dd e s i g n c o m p u t e rg r a p h l c s v o i 1 9 n o 9 s e p ，2 0 0 7 盾构隧道通用管片虚拟拼装系统 赵志杰金先龙曹 源 沈建奇 杜新光 ( 上薄交通大学机械与动力工程学院l 海2 0 0 2 4 0 ) ( z h i j i e q t u e d uc n ) 摘要基于通用管片与盾构隧道设计轴线的几何特征，利用多环组合的方法选取通用管片的拼装点位、制定切向 纠偏线路，并基于u n i g r a p h i c s 开发了管片的虚拟拼装系统，实现了通用管片三维动态虚拟拼装及拼装偏差报告的输 出将该系统应用于正在施工中的上海某超大直径盾构隧道中，达到了预期的效果 美键词盾构隧道；通用管片；管片拼装；点位；纠偏 中固法分类号u 4 5 5 9 1 ；t p 3 9 1 av i r t u a le r e c t i o ns y s t e mo fu n i v e r s a lr i n g sf o rs h i e l dt u n n e l s z h a oz h i j i ej i nx i a n l o n gc a oy u a ns h e nj i a n q id ux i n g u a n g ( s c h r h j lo f m e r h a n i , le n g i n e a r i n g ，s h a h g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t y ，s h a h 卧a i2 0 0 2 4 0 a b s t r a c t t h ep a p e ra p p l i e sam e t h o do fn m l t i r i n g st od e t e r m i n ep o s i t i o n so fe r e c t i o np o i n t so ft h e u n i v e r s a lr i n g s ，a n dt od e c i d et h ec o r r e c t i o nl i n e sb a s e do nt h eg e o m e t r i cf e a t u r e so ft h er i n g sa n dt h e d e s i g n e dt u n n e l a x i si ns h i e l dt u n n e l s av i r t u a le r e c t i o ns y s t e mo ft h e r i n g si sd e v e l o p e db a s e do n u n i g r a p h i c s t h es y s t e n li s u s e dt os i m u l a t et h ed y n a m i ce r e c t i o n ，m a n a g ed a t ao fr i n ge r e c t i o na n d g e n e r a t et h er e p o r to ft h ee r e c t i o nd e v i a t i o n s t h i ss y s t e mh a sb e e na p p l i e di nas h i e l dt u n n e lw i t hg i a n t d i a m e t e ri ns h a n g h a it h er e s u l tv e r i f i e st h eu s a b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s s h i e l dt u n n e l ；u n i v e r s a lr i n g s ；r i n g se r e c t i o n ；k e yp o s i t i o n ；c o r r e c t i o n s 盾构隧道工法在城市隧道施工中普遍使用，而 通用管片以其较低的工程造价、方便施工等诸多优 点，逐渐成为盾构施工中使用的主流管片形式“j 但其单一的结构形式在拼装复杂曲线段时却常常遇 到管片选择的困难，不恰当的管片选取不仅无法满 足管片对设计轴线的拟合，而且会导致盾构机的跑 偏、管片的破碎等不良后果另外，在盾构施工中， 盾构机时常会偏离设计轴线，此时要给出恰当的纠 偏曲线并选取纠偏管片对拼装完成的管片则需要 考察其拼装质量及偏离设计轴线的程度，以便及时 调整施工方案l 2 本文对上述问题进行了讨论，基 于通用管片及设计轴线的几何特征，提供了管片点 位选取的方法，纠偏曲线的确定方法，并基于 u n i g r a p h i c s 的图形系统开发了管片的三维虚拟拼 装系统该系统动态地显示了通用管片的拼装过程 以及拼装偏差，为盾构施工中的管片拼装提供理论 依据与技术支持，同时也为地面技术人员了解拼装 进展、评估拼装质量提供了良好的途径 1 通用管片拟合隧道轴线原理 不同于普通管片，由通用管片组成的衬砌环呈 楔形，其点位可以表示为水平超前量与垂直超前量 的- - 5 组k ，= ( s i 。s ：。，) ，其中，k 。表示第i 个点 位，i = 0 ，( n 一1 ) ，n 为点位数；s l ，= 2 s c 。s ( 等i ) _ 2 ss i “等i ) 删对应i 点位时 衬砌环的水平超前量与垂直超前量，s 为最大超前 量的一半图1 所示为其点位分布示意图 收稿日期：2 0 0 61 2 1 2 ；修回日期：2 0 0 70 61 8 基金项目：国家自然科学基金重点项目( 9 0 6 1 2 0 1 7 ) 赵志杰，男，1 9 7 8 年生，博士，主要研究 方向为虚拟装配、网格计算、汽车安仝性设计，盒先龙，男，1 9 6 1 年生，教授，博士生导师，主要研究方向为集成化汽车c a e c e c a m 、p d m 、高性能 计算、科学计算可视化源，男，1 9 7 6 年生，博士，讲师主要研究方向为网格计算、汁算机( 分布) 仿真沈建奇，男，1 9 7 9 年生，博士，主要研究方 向为盾构隧道施工仿真、大规模复杂系统数值模拟仿真杜新光，男，1 9 7 8 年生，博士，主要研究方向为大型复杂结构的高性能数值仿真计算 万方数据 9 期赵志杰等：盾构隧道通用管片虚拟拼装系统 1 1 9 7 图1 村砌环点位分布( k o 为水平左) 隧道设计轴线可以通过投影分解为平面线形和 纵曲线平面线形通常由直线与圆弧构成在直线 段，通用管片易于选取【3o ；在圆弧段，通过几何关系 可得到拟合转弯半径为r 的圆弧曲线时，单个衬砌 环所需超前量为 s ：坐学b( 1 ) 儿 其中，b 为衬砌环的平均宽度；转弯外径r ”= r + 等；转弯内径r 自= r等；d 为衬砌环端面直径 z_。 同理可得拟合纵曲线圆弧时单个衬砌环垂直方向上 的超前量计算公式 施工中正是通过设计轴线的转弯半径获得所需 超前量，然后反推拼装点位，从而实现通用管片对隧 道三维轴线的拟合 对于坡度较缓的线路，可以只涉及对平面线形 的拟合，然而在某些需要考虑地层因素或地下障碍 物的地段，设计轴线坡度较大，按照盾构施工法规 定，当坡度大于1 时应插入纵曲线_ 4j 因此，复杂 曲线段需要选择合适的管片拼装点位，在满足容差 的情况下完成水平与垂直2 个方向上曲线的拟合， 其点位选择流程如图2 所示 图2 通用管片点位选择流程 2 管片选取及纠偏 2 1 管片选取 在复杂线路段，单个衬砌环所具有个点位远 远不能同时满足水平与垂直2 个方向上拟合的容差 要求，需要考虑使用组合环作为基本拼装单位，以解 决管片拟合的精度问题 从管片承载及防渗漏的角度考虑，禁止出现连 续三环通缝；从管片安装工艺考虑，尽量避免采用封 顶块在下的点位满足以上要求的以m 个衬砌环 为基本拼装单位的管片组可以实现的超前量的组合 数为 w n 7 ( n o1 ) ( n o2 ) ( n 。m + 1 ) ” m ! 、。7 0r 其中，n 7 ! # 为去除下部点位的可选点位数，m 4 根据隧道转弯半径，由式( 1 ) 获得每组需要满足 的水平与垂直方向上的超前量总和然后从式( 2 ) 所确定的种组合方案中，分别匹配各自的超前 量总和，确定一组方案，使其水平与垂直2 个方向上 的超前量满足容差要求 去除通缝点位的算法可描述如下：在一个局部 柱坐标系下，以4 个管片为一组由于隧道转弯半 径较大，因此短距离的隧道体可以近似认为是圆柱 体以圆柱体的轴线为z 轴，任一端面中心点为坐 标原点，提取每一环相邻2 个管片间接缝上一点在柱 坐标系下的角度值分量这些值组成一个 m q 的 二维数组，m 表示衬砌环数，q 表示衬砌环的管片 数考察此数组，如果存在任意3 个在给定容差范 围内取值相同的元素，则放弃此组配合方案；否则， 采用此组配合方案选择管片时要考虑预留足够的 盾尾间隙，以防管片的破碎选取流程通过控制拼 装容差驱动图3 右半部所示为其算法流程 ：匝匦圈匝巫要习； 图3 管片选取算法流程 2 2 纠偏 施工中盾构机常常偏离设计轴线，此时需要确 定圆弧形纠偏曲线以切向逼近设计轴线，得到的纠 偏半径可以作为输入条件获得纠偏环的点位选取， 如图3 所示 盾构导向系统实时测得施工数据，提取部分数 据，由图4 所示，d 为偏差、c 为纠偏距离( 由施工人 员指定，非测量数据) 短距离内可以将隧道设计 豁 k 万方数据 1 1 9 8 算机辅助设计与图形学学报 轴线视作直线，由于d 相对于c 小得多，因此可以认 为c 与一近似相等，存在几何关系 s i n 疗 t a n0 图4 纠偏半径 由式( 3 ) ，( 4 ) 可得纠偏半径的计算公式为 c d 72 丁“1 7 j 3 通用管片虚拟拼装的实现 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 管片拼装过程的仿真系统使用c + + 语言，在 v i s u a lc 十+ 6 0 的平台上基于a d o ，m f c ， u n i g r a p h i c s ，u g o p e na p i ，u g o p e nm e n u s c r i p t 和u 6 o p e nu 1s t y l e r 联合开发；后台数据库为m s a c c e s s ；运行环境为i n t e r n a l 3 1 几何建模 采用特征建模技术建立组成衬砌环的每一个管 片的三维几何模型，包括标准块、邻接块、封顶块模 型；建立衬砌环的模型空间，用于拼装时管片的定 位；根据勘测所得的特征点数据文件建立三次样条 曲线作为设计轴线虚拟拼装所用基本几何模型如 图5 所示 a 标准块模型b 邻接块模型c 封顶块模型 d 楔形环模喇c 设计轴线模型 固5 基本模型 3 2 虚拟拼装 将管片拼装为隧道体的过程分为2 个层次：1 ) 在衬砌环模型空间中，管片拼装成为衬砌环；2 ) 在设 计轴线模型中，由衬砌环拼装成为隧道体为了模 拟管片的真实拼装过程j ，我们使用多层嵌套的树 形拼装结构【6j ，并引人衬砌环模型空间作为桥梁， 先拼装模型空间，再完成管片在环模型空间中的拼 装，依次循环，图6 所示为p 个衬砌环的盾构隧道 拼装树结构 管片拼装过程就是其体坐标系定位到拼装位置 的过程几何体在空间的方位变换可以用4 4 转 移矩阵a 表示为 图6 多层嵌套拼装树 其中，左上角的3 3 矩阵表示体坐标系的o t ，v 和# 轴在拼装空间下的方向矢量；右上角的3 1 矢量表 示体坐标系原点在拼装空间下的值；右下角的t r 。 表示放大系数，将其取值为1 ；左下角的1 3 矢量 只是为了满足矩阵的完整性，暂时没有实际意义 1 ) 在设计轴线所处的全局坐标系下移动衬砌 环模型空间根据第2 1 节介绍的管片选取方法， 可获得当前衬砌环点位以及待拼装环点位定义枚 举型点位e n u mo r ia n g l e e k o ，k 】，k 2 ， k ( n 一 ，其成员由各点位的表示符号组成系统根 据当前环的点位及待拼装环的点位，计算出与待拼 装环0 点位线重合的当前环的点位线i 之后定义 如下约束：端面中心点重合；待拼装环0 点位线与当 前环的i 点位线重合；2 个配合环端面所在的辅助 面重合其数学模型为 p l = p2 ； l 1 l ，= 1 ； 删 邶 舢 舢 舢 艘 邶 舢一帆 = a 万方数据 9 期 赵忐杰等：盾构隧道通用管片虚拟拼装系统 n 1 n2 1 = 1 其中，p 和p 2 为端面中心点；l 。和l 2 为配合环 端面中心点与点位连线；n ，和n 2 为2 个配合环端 面法向量u n i g r a p h i c s 图形系统转化此数学模型为 转移矩阵a 2 ) 在衬砌环模型空间中拼装管片模拟真实拼 装顺序，先拼装标准环，然后是邻接环，最后插入封 顶块由于使用同一衬砌环模型空间，且各管片在 局部坐标系下的转移矩阵已知，因此这个过程只是 简单的调用转移矩阵a 的过程 管片拼装的过程就是对隧道轴心线拟合的过 程，不可避免地会出现相对于隧道轴心线的偏差，本 系统在拼装管片过程中用折线段将管片端面中点相 连近似作为实际轴心线，同时测量管片端面中点相 对与隧道轴心线的水平距离、垂直距离和三维空间 4 结 论 距离，将测量结果以文本方式显示，便于纠偏时参 考，或作为1 3 志文件来评估拼装质量， 3 3 应用 本系统是为目前国内最大、同时也是世界最大 直径的上海某盾构隧道的建设而开发的，该隧道现 已进入施工阶段应用此系统对本隧道初始段的管 片进行了虚拟拼装，从各项结果来看，达到了预期的 效果图7 为管片的动态拼装过程以及系统所产生 的偏差数据 衬砌环参数：n = 1 9 ，s = 2 0 m r i l ，b = 2 0 0 0 i 1 1 t i ， d = 1 5 0 0 0 m m 拼装段曲线参数：平面线形，转弯半径4 4 2 0 i n ； 纵曲线，坡度2 9 ，半径1 6 5 0 0 n 1 错缝拼装连续五环，点位序列：k 。一k 。一k 。一 k le k l - 图7 动态拼装过程及偏差显示( 局部放大图) 2 k 丑s h i m ay ，k o n d on ，l n o u emd e v e l 。p m e ma n da p p l i c a t i o n 本文基于通用管片与隧道轴线的几何特征，给 出了一种管片点位选取算法以及纠偏曲线的确定方 法，并基于u n i g r a p h i e s 图形系统开发了管片的虚拟 拼装系统，实现了通用管片动态的三维虚拟拼装以 及拼装过程中偏差的实时记录与显示将此系统应 用于上海某超大直径的盾构隧道施工中，结果显示 该系统可以为盾构隧道工法中的管片拼装提供理论 依据与技术支持，同时为地面技术人员了解拼装进 展、评估拼装质量提供了良好的工具，对指导施工具 有重要意义 参考文献 1 s w a r t zs ，t z o b e r ys ，h e m p h d lg ，e la 1 t r a p e z o i d a lt a p e r e d n n g k e yp o s i t i o ns e l e c t i o ni nc u r v e dt u n n e l s c p r o c e e d i n g s 。fr a p i de x c a v a t i o na n dt u n n e l i n gc o n f e r e n c e ，s e a t t l e ，2 0 0 5 ： 9 5 7 - 9 6 9 o f t h e d p l e xs h i e l d m e t h o d ：r e s u l t so fe x p e r i m e n t su s i n gs h i e l d a n ds e g m e n tm o d e la n da p p b c a f i o no ft h em e t h o di nt u n n e c o n s t r u c t i o n j t u n n d i n g a n d u n d e r g r o u n ds p a c e t e c h n o l o g y 1 9 9 6 ，1 1 ( 1 ) ：4 55 0 3 z h a og u o x u ，h ec h u a n d e s i g na n da p p l i c a t i o no fu n i v e m a s e g m e n t 如rs h i e l dd r i v e nt u n n e l s j r a i l w a yc o r i s t r u e t i o n t e c h n o l o g y 2 0 0 3 ( 2 ) ：58 ( i nc h i n e s e ) ( 赵国旭何川盾构隧道通用管川设计及应用 j 铁道 建筑技术，2 0 0 3 ( 2 ) ：5 8 ) 4 z h a n gf e n g x i a n g ，z h uh e h u a ，f ud e m i n gs h i e l dt u n n d l i n g m e t h o d m b e i j i n g ：c h i n ac o m m u n i c a t i o n sp r e s s ，2 0 0 4 ( i n c h i n e s e ) ( 张风祥，朱合华，傅德明盾构隧道 m 北京：人民变通出 版社，2 0 0 4 ) 5 w e d ama u t o m a t i cs e g m e n te r e c t i o ns y s t e mf o r s h i e l dt u n n d s j a d v a n c e d r o b o t i c s ，1 9 9 i ，5 ( 4 ) ：4 2 9 4 4 3 6 l ux i a o p i n gs t u d yo na s s e m b t ys e q u e n c ep l a n n i n g i nv i r t u a l a 啪m b l y j j o u r n a lo fs y s l e t ns i m u l a t i o n 2 0 0 3 ，1 5 ( i ) ：4 4 4 6 ( i nc h i n e s e ) ( 卢小平面向虚拟装配的装配顺序规划研究 j 系统仿真 学报，2 0 0 3 ，1 5 ( 1 ) ：4 44 6 ) 万方数据 盾构隧道通用管片虚拟拼装系统盾构隧道通用管片虚拟拼装系统 作者：赵志杰， 金先龙， 曹源， 沈建奇， 杜新光， zhao zhijie， jin xianlong， cao yuan ， shen jianqi， du xinguang 作者单位：上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240 刊名： 计算机辅助设计与图形学学报 英文刊名：journal of computer-aided design tzobery s;hemphill g trapezoidal tapered ring-key position selection in curved tunnels外 文会议 2005 2.kashima y;kondo n;inoue m development and application of the dplex shield method:results of experiments using shield and segment models and application of the method in tunnel construction 1996(01) 3.赵国旭;何川 盾构隧道通用管片设计及应用期刊论文-铁道建筑技术 2003(02) 4.张凤祥;朱合华;傅德明 盾构隧道 2004 5.wada m automatic segment erection system for shield tunnels 1991(04) 6.卢小平 面向虚拟装配的装配顺序规划研究期刊论文-系统仿真学报 2003(01) 本文读者也读过(9条)本文读者也读过(9条) 1. 李围.