盾构隧道管片结构参数化设计研究

 刘涛

 (上海黄浦江越江设施投资建设发展有限公司，上海200335)

摘要：盾构隧道管片结构形式复杂，采用传统的方法进行模板图设计费时费力。利用Visual Lisp语言对AutoCAD进行二次开发，编制盾构隧道管片参数化设计程序。该程序极大提高盾构隧道管片的设计效率和质量。以上海市虹梅南路越江隧道管片结构设计为例，介绍一个成功应用的案例。

关键词：盾构隧道；管片；参数化

中图分类号：U455.43  文章编号：1004-4655( 2016) 03-0117-03

 盾构施工法以其机械化程度高，施工速度快，对环境影响小，技术成熟等优势成为软土地区隧道建设最重要的施工方法。盾构隧道采用预制管片拼装而成，盾构管片空间形式复杂，需要通过多个角度的投影和剖面图进行表达，空间想象较为困难，采用传统的设计方法费时费力；同时，决定管片形式的独立参数极多，少量参数的变化可能引起管片结构图纸的巨变，从而导致图纸的重新设计。

 为了解决上述问题，本文采用Visual Lisp语言对AutoCAD进行二次开发，编制盾构隧道管片参数化设计程序。程序允许用户输入决定管片形式的60多个独立参数，自动生成管片的3D模型，再利用AutoCAD自带的投影和剖切功能，自动生成2D图纸并进行尺寸标注。该程序成功应用在上海市虹梅南路隧道管片结构的设计中，大大提高管片设计的效率和质量，也为其他地下工程结构参数化设计提供新的思路和参考。

1工程概况

 虹梅南路-金海路通道越江段工程位于上海市闵行区和奉贤区的交界处，北起虹梅路、永德路交叉口，先后穿越多条城市干道及黄浦江，终点至西闸路以南约500 m，全长约5 260 m。其中盾构段采用东西线2条平行隧道，长度均为3 390 m。盾构段隧道外径14.5 m，管片厚度0.6 m，环宽2.0 m。管片混凝土强度等级为C60，抗渗标准P12。盾构段最大覆土为43 m，设计最大水压达到5.8 kg/cm2，穿越的主要地层有粉质黏土、淤泥质黏土、黏质粉土、砂质粉土、粉砂层等。

2管片3D模型设计

 盾构隧道管片形式复杂，2D图纸反映3D模型的投影和剖面。相比2D图纸，3D模型反而更容易想象和理解。因此，首先创建管片结构的3D模型。以标准块为例（见图1），在AutoCAD中创建管片3D模型的步骤如下。

 1)创建整体管片轮廓。创建管片的矩形截面以及沿着内弧面一个完整的圆环。在AutoCAD中通过旋转拉伸生成整体圆环。

 2)对整环管片进行分块。以x轴、y轴形成的平面切割整体圆环。将半个圆环绕z轴旋转标准块管片的分块角度，再以x轴、y轴形成的平面切割圆环即可得到相应管片的分块实体。

 3)对分块管片挖孔。管片上游手孔、螺栓孔、剪力销孔、注浆孔等需要准确表达。同时沿管片四周还设有防水条槽、当砂条槽等。对这些槽孔先独建模，通过旋转和平移等手段，形成真实的3D管片模型。

3管片2D图纸设计

 盾构隧道管片钢模的放样和定位仍需2D设计图纸的表达。以往的管片图纸设计需要设计人员拥有极强的空间想象能力。即便如此，由于管片结构多呈非直线状，图纸中许多地方无法准确绘制，只能示意性表达。

3.1自动生成平面图纸

 由于已经得到3D管片模型，利用AutoCAD自带的3D投影功能自动生成平面图纸。其步骤如下。

 1)进入图纸（布局）空间，生成一个视口，在视区中调整视口大小至合适。

 2)激活视口，调用solprof命令，拾取3D模型作为目标选择，对以后的提示均用回车响应，即可得到3D模型在当前XY平面上的投影图。与3D模型重叠在一起，但所处图层不同，投影的可见轮廓在PV图层，不可见轮廓在PH图层，并分别以块的形式存在。

 3)关闭3D模型所在的图层，将PV、PH图层上的块用explode命令炸开。修改相应的线形、颜色、图层等，使其符合制图要求。

 4)重新打开3D模型所在的图层，根据下一张图纸投影角度的需求将3D模型旋转至相应位置。重复上述过程，生成新的2D投影图纸。

3.2自动生成相应位置的剖面2D图纸

 同理基于管片3D模型，利用AutoCAD自带的剖切功能自动生成相应位置的2D剖面。2D剖面图位于XY平面上，因此3D模型的剖切面选择为XY平面，具体步骤如下。

 1)调整3D模型角度，使得模型在XY平面上的剖面正好是需要的剖面。

 2)调用section命令，拾取3D模型作为目标选择，指定剖切截面为XY，即可得到3D模型在当前XY平面上的剖面图。

 3)上述得到的剖面图为一面域，采用explode命令炸开。修改相应的线形、颜色、图层等，使其符合制图要求。

 4)根据下一张剖面图纸角度的需求，将3D模型旋转至相应位置。重复上述过程，生成新的2D剖面图。

4参数化程序编制

 决定盾构隧道管片形状的参数众多，某些参数的改变将极大改变结构的形式，导致新的设计。现把这些参数视为待定变量，通过编写程序以最通用的方式实现管片图纸的设计。

 Lisp(List Processing Language)语言是人工智能领域中广泛采用的一种程序设计语言，是一种计算机表处理语言。Visual Lisp语言嵌套于AutoCAD内部，是Lisp语言与AutoCAD有机结合的产物。Visual Lisp是为二次开发AutoCAD而专门设计的编程语言。Visual Lisp可以调用AutoCAD所有的命令，同时也拥有极为丰富的函数，使得AutoCAD不再是交互式的CAD软件，实现最通用的参数化设计。

 根据通过管片3D模型自动生成2D图纸的思路，将决定管片形状的60多个参数视为待定未知变量，采用Visual Lisp编制相应的程序。盾构隧道管片参数化设计程序界面如图2所示。同时采用DCL语言编写程序界面，使得程序使用更友好。在相应界面中输入合理的管片尺寸参数，即可快速生成相应管片的2D和3D图纸。

5工程应用

 虹梅南路越江隧道盾构段外径14.5 m，管片厚度0.6 m，环宽2.0 m。管片分块数为10块，由7块标准块(S1～S7)、2块邻接块(S8、S9)和1块封顶(S10)块组成，采用错缝拼装的形式。其中7块标准块形式相同，分块面为径向；封顶块的两侧分块面设有楔形量；邻接块与封顶块相连端采用相同的楔形量。工程管片结构设计采用参数化设计程序。选择需要设计的管片类型，并输入相关设计参数，在短短几秒内即可得到相应的3D模型和2D图纸。其中主要的2D投影和剖面见图3~图5。

6结语

 本文突破常规的管片2D制图方法，提出先建立3D模型再自动生成2D图纸的全新思路，并采用Visual Lisp对AutoCAD进行二次开发，编制管片参数化设计程序。使用该程序可以在几秒钟内生成管片的3D和2D图纸，即使输入参数发生变化，也能在第一时间内生成全新的图纸，极大提高管片结构设计效率和质量。该程序成功应用于虹梅南路盾构隧道管片结构图纸的设计中，同时也为其他地下工程结构图纸的参数化设计提供极强的参考价值。