基于参数化建模的隧道快速安全评价方法及装置

摘要

本发明提供基于参数化建模的隧道快速安全评价方法及装置，能够准确、快速、全面地反映隧道单元安全性能，方法包括：步骤1.离散化；步骤2.确定基本参数；步骤3.确定用于参数化建模的n心圆隧道断面包含圆弧半径和角度的关键参数变量，并确定隧道断面位置；步骤4.确定单元类型、材料参数、实常数；步骤5.绘制隧道断面；步骤6.约束以及荷载施加；步骤7.结果提取以及安全系数云图显示：将所得安全系数结果记录进已提前设好数组中，将记录安全系数数值大小的数组对记录弯矩大小数组进行替换，将各单元的安全系数按弯矩图的形式展示出来。

说明书

技术领域

本发明属于隧道结构设计领域，具体涉及基于参数化建模的隧道快速安全评价方法及装置。

背景技术

安全系数(factor of safety)是工程结构设计方法中用以反映结构安全程度的系数。铁路隧道结构设计过程中，复合式衬砌结构安全系数的大小决定了结构的安全性，在不同状态下的同一结构，安全系数越大，结构的稳定性越好越安全。因此为确定结构安全能力，现有研究遵从了铁路隧道衬砌单元安全系数运算的基本流程，即通过先利用有限元软件建模，然后提取结构内力，最后利用计算软件或人工运算的方式得到隧道衬砌单元安全系数。

现有的安全系数确定方法的不足包括以下几个方面。

1.对于某一隧道，其建模过程不能用于其他隧道断面，即命令流只能一对一，因此在对不同隧道结构设计时，只能手动调整隧道尺寸，分别编写命令流，耗时较久容易出错；

2.需要导出弯矩、轴力和剪力大小，人为判断混凝土抗拉抗压状态以及钢筋混凝土大小偏心状态，再导入计算公式中得到结果，过程繁琐，效率低；

3.对钢筋混凝土衬砌单元，需要根据结果进行配筋验算；

4.不能直观反应结构安全性能。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于参数化建模的隧道快速安全评价方法及装置，能够准确、快速得到全面反映隧道单元安全性能的安全系数云图。

如图1所示，为了实现以上目的，本发明采用了以下方案：

<方法>

步骤1.离散化：

将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散化为有限个衬砌单元和弹簧单元所组成；

步骤2.确定基本参数：

根据待评价的隧道的实测资料，确定基本参数数值，作为模型输入参数；

步骤3.确定用于参数化建模的n心圆隧道断面包含圆弧半径和角度的关键参数变量，n≥1，并确定隧道断面位置。例如，设n＝4，将四心圆隧道各个圆弧的半径和角度作为基本参数，并按照实际铁路隧道断面尺寸对圆弧半径和角度进行参数赋值，根据多心圆隧道圆弧中的三角关系，确定其他重要参数，在有限元软件中建立图2所示的四心圆铁路隧道断面模型。

步骤4.确定单元类型、材料参数、实常数：

确定反应隧道断面复合式衬砌结构的梁单元(Beam3)以及模拟周围围岩作用的杆单元(Link10)，并且根据实际尺寸的大小定义特定的实常数；

步骤5.绘制隧道断面，包括如下子步骤：

步骤5-1.按照图2所示圆心O

步骤5-2.利用“circle”命令，以上一步生成的1类关键点为圆心，r为半径，α为圆心依次做出n心圆隧道断面对应的圆弧，并且根据ANSYS工作界面关键点编号不断累加的特性，在每一步生成圆弧结束后用“get”命令记录编号最大的点为第2类关键点，在每一次绘制圆弧的过程中以该第2类关键点为起始点画弧；

步骤5-3.利用“circle”命令，做第1类关键点的圆心，r为半径，α/2为角依次对应的圆弧，重复步骤5-2的操作，在每一次圆弧结束后生成关键点，作为第3类关键点，把每段圆弧线都平划分成两段，同时记录了这几段圆弧的中点位置，从而获得了n心圆断面半侧每一段圆弧的起始点、中点和终止点；

步骤5-4.利用“ldele”命令删除线，再利用“larc”命令以第2类关键点和拱顶位置关键点为圆弧的两个端点，以第3类关键点为圆弧经过的重要点做圆弧，连接之后的圆弧利用“lcomb”命令依次连接起来作为圆弧线1，结果如图3所示；

步骤5-5.利用“lsymm”命令沿y轴对称，生成完整隧道轮廓图；

步骤5-6.“lsel”选择所有的线，“lesize”命令将弧线划分出想要的单元数量，“lmesh”命令进行单元划分，然后“nummrg”命令进行节点整合，避免在同一位置上出现编号重复；

步骤5-7.“nsel”选择纵坐标为0的点即坐标系原点，“get”将此点作为起始点，“nsel”选中左侧生成的节点；

步骤5-8.为避免荷载施加过程中，因为节点编号紊乱而出现循环命令无法作用，或者施加荷载过于繁琐，采用数组来定义各节点，定义数组a为隧道衬砌单元节点储存数组，a(1)为仰拱底部起始点单元编号；

步骤5-9.利用循环命令“do”，执行对左侧节点的循环操作，从a(1)点起，利用“nnear”命令不断选择离节点最近位置的节点作为下一个编号顺序的节点，为避免已定义的节点被重复选择，“nsel”命令将每一步已定义的节点排除掉；

步骤5-10.再选择隧道断面右侧的节点，同步骤5-9一样，将拱顶位置的节点作为起始点，循环利用“nnear”命令按顺序将节点记录在数组a中，成功让节点有序化，其标号示意图如图4所示；

步骤5-11.选择数组a中的所有节点，利用“get”命令得到横坐标最大节点，带入塌方公式中计算出深浅埋隧道的塌方高度；

步骤5-12.利用循环程序，选择梁单元(Beam3)通过“e”命令逐次连接数组所代表的各个节点，并同时进行参数赋值；

步骤5-13.进入前处理模块，利用“lclear”命令消除多余线的影响；

步骤5-14.设置模拟围岩作用的外圈杆单元端点的节点，由于结构特性，认为杆单元的长度对结果无影响，可以将外圈半径l设置为l＝r+1,重复上述操作步骤5-2至步骤5-10，将杆单元端点部分节点设置为数组b，数组b的分布位置可参照图4与数组a的顺序一致且位于衬砌单元的外圈，得到图5所示的隧道模型轮廓图，图中内圈对应数组a，外圈对应数组b；

步骤5-15.选择杆单元，利用循环程序，依次通过“e”命令对应连接数组a与数组b所代表的各个节点，并同时进行参数赋值，结果如图6所示，完成参数化建模；

步骤6.约束以及荷载施加，包括如下子步骤：

步骤6-1.进入后处理模块，首先利用“d”命令，通过循环程序，选择数组b代表的杆单元端点约束固定，将其等效为“弹簧”结构，如图7所示；

步骤6-2.采用循环命令“do”，对衬砌节点施加等效荷载，对左半侧结构施加正向横向荷载，对右半侧结构施加负向横向荷载，作对称结构对称荷载的施加；

步骤6-3.利用循环命令，选出数组a代表的各节点中横坐标等于上述过程中步骤5-11中出现横坐标出现最大数值的点的编号，一旦挑选出就退出循环，以此来得到此点是隧道轮廓的最左端节点以及最右端节点编号；

步骤6-4.根据步骤6-3得到的数组编号利用循环命令，对结构上部分作负向的竖向荷载施加，完成模型的载荷约束及施加，结果如图8所示；

步骤7：结果提取以及安全系数云图显示，包括如下子步骤：

步骤7-1.通过有限元软件ANSYS APDL完成对结构的求解，得到各单元的弯矩和轴力，并提取到数组中；

步骤7-2.选择目标单元即衬砌单元，利用“etable”命令提取各单元的弯矩、轴力和剪力，并利用“get”命令将弯矩和轴力导入提前设计好的数组“mm”和“nn”中；

步骤7-3.利用循环命令“do”以及选择命令“if”对单元进行大小偏心判断以及数值运算，得到各单元对应的安全系数；

式中：F

步骤7-4.将所得安全系数结果记录进已提前设好数组中，在上述过程的步骤7-2中已经获得了关于弯矩大小的数组，将记录安全系数数值大小的数组对记录弯矩大小数组进行替换，用“plls”命令将各单元的安全系数按弯矩图的形式展示出来。

基于以上内容，在基于参数化建模的铁路隧道快速安全评价方法过程，仅需要更改决定隧道断面尺寸的多心圆的半径以及角度即可完成快速衬砌单元安全系数的标定以及直观展示。

优选地，本发明提供的基于强度折减法的基于参数化建模的隧道快速安全评价方法，还可以具有这样的特征：在步骤2中，确定的基本参数包括：衬砌单元厚度，钢筋混凝土衬砌中钢筋的直径、排列方式、弹性模量、泊松比、重度和抗拉强度标准值，混凝土的抗压强度标准值、弹性模量和保护层厚度，围岩环境参数。

优选地，本发明提供的基于强度折减法的基于参数化建模的隧道快速安全评价方法，还可以具有这样的特征：在步骤3中，对于四心圆隧道断面，四段圆弧r

隧道仰拱底部位置设置为坐标系原点位置，确定各圆心坐标如下：

O

O

O

O

其他n心圆同理。

优选地，本发明提供的基于强度折减法的基于参数化建模的隧道快速安全评价方法，还可以具有这样的特征：在步骤7-3中，对混凝土衬砌计算单元安全系数方程中，作用效应如式(1)所示，结构抗力如式(2)式(3)所示：

S＝N (1)

a)当偏心距e

b)当偏心距e

R＝αf

式中，S-作用效应；R-承载能力；M-弯矩；N-轴力；b-截面宽度，b＝1；h-截面高度；f

对钢筋混凝土衬砌计算安全系数中结构抗力如式(4)所示，作用效应如式(5)所示：

式中，α

<装置>

进一步，本发明还提供了一种基于参数化建模的隧道快速安全评价装置，其特征在于，包括：

离散部，将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散化为有限个衬砌单元和弹簧单元所组成；

基本参数确定部，根据待评价的隧道的实测资料，确定基本参数数值，作为模型输入参数；

隧道断面变量及位置确定部，确定用于参数化建模的n心圆隧道断面包含圆弧半径和角度的关键参数变量，n≥1，并确定隧道断面位置；

单元确定部，确定反应隧道断面复合式衬砌结构的梁单元以及模拟周围围岩作用的杆单元，并且根据实际尺寸的大小定义特定的实常数；

隧道断面绘制部，按照下列步骤5-1至5-15绘制隧道断面；

步骤5-1.让操作员依次输入各圆弧圆心位置，将各圆弧圆心坐标生成为第1类关键点，并在拱顶位置同样生成关键点；

步骤5-2.以上一步生成的1类关键点为圆心，r为半径，α为圆心依次做出n心圆隧道断面对应的圆弧，并且根据ANSYS工作界面关键点编号不断累加的特性，在每一步生成圆弧结束后用“get”命令记录编号最大的点为第2类关键点，在每一次绘制圆弧的过程中以该第2类关键点为起始点画弧；

步骤5-3.做第1类关键点的圆心，r为半径，α/2为角依次对应的圆弧，重复步骤5-2的操作，在每一次圆弧结束后生成关键点，作为第3类关键点，把每段圆弧线都平划分成两段，同时记录了这几段圆弧的中点位置，从而获得了n心圆断面半侧每一段圆弧的起始点、中点和终止点；

步骤5-4.利用“ldele”命令删除线，再利用“larc”命令以第2类关键点和拱顶位置关键点为圆弧的两个端点，以第3类关键点为圆弧经过的重要点做圆弧，连接之后的圆弧利用“lcomb”命令依次连接起来作为圆弧线1；

步骤5-5.利用“lsymm”命令沿y轴对称，生成完整隧道轮廓图；

步骤5-6.“lsel”选择所有的线，“lesize”命令将弧线划分出想要的单元数量，“lmesh”命令进行单元划分，然后“nummrg”命令进行节点整合；

步骤5-7.“nsel”选择纵坐标为0的点即坐标系原点，“get”将此点作为起始点，“nsel”选中左侧生成的节点；

步骤5-8.采用数组定义各节点，定义数组a为隧道衬砌单元节点储存数组，a(1)为仰拱底部起始点单元编号；

步骤5-9.利用循环命令“do”，执行对左侧节点的循环操作，从a(1)点起，利用“nnear”命令不断选择离节点最近位置的节点作为下一个编号顺序的节点，为避免已定义的节点被重复选择，“nsel”命令将每一步已定义的节点排除掉；

步骤5-10.再选择隧道断面右侧的节点，同步骤5-9一样，将拱顶位置的节点作为起始点，循环利用“nnear”命令按顺序将节点记录在数组a中，让节点有序化；

步骤5-11.选择数组a中的所有节点，利用“get”命令得到横坐标最大节点，带入塌方公式中计算出深浅埋隧道的塌方高度；

步骤5-12.利用循环程序，选择梁单元通过“e”命令逐次连接数组所代表的各个节点，并同时进行参数赋值；

步骤5-13.进入前处理模块，利用“lclear”命令消除多余线的影响；

步骤5-14.设置模拟围岩作用的外圈杆单元端点的节点，将外圈半径l设置为l＝r+1,重复上述操作步骤5-2至步骤5-10，将杆单元端点部分节点设置为数组b，数组b与数组a的顺序一致且数组b位于衬砌单元的外圈；

步骤5-15.选择杆单元，利用循环程序，依次通过“e”命令对应连接数组a与数组b所代表的各个节点，并同时进行参数赋值，完成参数化建模；

约束以及荷载施加部，按照下列步骤6-1至6-4在隧道断面结构上施加载荷；

步骤6-1.进入后处理模块，首先利用“d”命令，通过循环程序，选择数组b代表的杆单元端点约束固定，将其等效为“弹簧”结构；

步骤6-2.采用循环命令“do”，对衬砌节点施加等效荷载，对左半侧结构施加正向横向荷载，对右半侧结构施加负向横向荷载，作对称结构对称荷载的施加；

步骤6-3.利用循环命令，选出数组a代表的各节点中横坐标等于上述过程中步骤5-11中出现横坐标出现最大数值的点的编号，一旦挑选出就退出循环，以此来得到此点是隧道轮廓的最左端节点以及最右端节点编号；

步骤6-4.根据步骤6-3得到的数组编号利用循环命令，对结构上部分作负向的竖向荷载施加，完成模型的载荷约束及施加；

结果提取部，按照下列步骤7-1至7-3得到各单元对应的安全系数；

步骤7-1.通过有限元软件ANSYSAPDL完成对结构的求解，得到各单元的弯矩和轴力，并提取到数组中；

步骤7-2.选择衬砌单元，利用“etable”命令提取各单元的弯矩、轴力和剪力，并利用“get”命令将弯矩和轴力导入提前设计好的数组“mm”和“nn”中，获得弯矩大小的数组；

步骤7-3.利用循环命令“do”以及选择命令“if”对单元进行大小偏心判断以及数值运算；

安全系数云图生成部，将所得安全系数结果记录进已提前设好数组中，将记录安全系数数值大小的数组对记录弯矩大小数组进行替换，用“plls”命令将各单元的安全系数按弯矩图的形式展示出来，得到安全系数云图；

输入显示部，用于让用户输入操作指令，并进行相应显示；

控制部，与离散部、基本参数确定部、隧道断面变量及位置确定部、单元确定部、隧道断面绘制部、约束以及荷载施加部、结果提取部、安全系数云图生成部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。

优选地，本发明提供的基于参数化建模的隧道快速安全评价装置，还可以包括：在基本参数确定部中，让操作员根据待评价的隧道的实测资料，输入衬砌单元厚度，钢筋混凝土衬砌中钢筋的直径、排列方式、弹性模量、泊松比、重度和抗拉强度标准值，混凝土的抗压强度标准值、弹性模量和保护层厚度，围岩环境参数，作为模型输入参数。

优选地，本发明提供的基于参数化建模的隧道快速安全评价装置，还可以具有这样的特征：输入显示部对安全系数云图生成部生成的安全系数云图进行显示，将具体安全系数按照数值范围大小以不同颜色显示在隧道断面结构的相应位置处。

发明的作用与效果

本发明所提供的基于参数化建模的隧道快速安全评价方法及装置，用数组替代传统节点位置，并且实现了一键参数化建模，使建模与有限元计算和安全系数计算相互协同配合，在隧道截面设计中能够缩短大量时间，且不需要将内力数据导入计算软件，减少了出错的概率，极大提高设计效率，通过安全系数云图展示安全系数有利于操作员快速、直观、全面地获取隧道安全系数信息，真正做到了方便快捷，直观精炼，准确高效。

附图说明

图1为本发明涉及的基于参数化建模的铁路隧道快速安全评价方法流程图；

图2为本发明涉及的多心圆隧道断面图；

图3为本发明涉及的隧道断面一半轮廓；

图4为本发明涉及的节点编号用数组表示示意图；

图5为本发明涉及的隧道模型轮廓图；

图6为本发明涉及的隧道断面模型绘制图；

图7为本发明涉及的模型的约束效果图；

图8为本发明涉及的结构施加荷载图；

图9为本发明涉及的衬砌结构单元建模图；

图10为本发明涉及的约束以及施加荷载图；

图11为本发明涉及的安全系数展示结果图；

图12为对比例中采用现有技术方法CAD生成的断面样式图；

图13为对比例中采用现有技术方法划分后的节点编号图；

图14为对比例中采用本发明方法得到的衬砌结构单元建模图；

图15为对比例中采用本发明方法得到的安全系数展示结果图；

图16为对比例中采用本发明方法得到的不同厚度衬砌的安全系数结果云图：图16(a)衬砌0.45m；图16(b)衬砌0.46m；图16(c)衬砌0.47m；图16(d)衬砌0.48m；图16(e)衬砌0.49m；图16(f)衬砌0.50m；图16(g)衬砌0.51m；图16(h)衬砌0.52m；图16(i)衬砌0.53m；图16(j)衬砌0.54m；图16(k)衬砌0.55m；图16(l)衬砌0.56m。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于参数化建模的隧道快速安全评价方法及装置的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例一>

本实施例中，采用以上本发明的基于参数化建模的隧道快速安全评价方法，以时速200km双线铁路标准隧道断面为例，计算其在Ⅴ级围岩环境深埋情况下各单元的安全系数。

1.确定基本参数并赋值

该示例隧道采用现行规范中推荐的数值进行结构设计，二次衬砌采用C35强度混凝土，内外侧均采用HRB335强度钢筋，其设计参数如表1所示，Ⅴ级围岩各项参数如表2所示，承受荷载比例取0.7，HRB335强度钢筋各项参数如表3所示，C35强度混凝土各项参数如表4所示，为保证计算精度，确定衬砌单元数量为90个。

表1时速200km客货共线铁路双线隧道标准图配筋参数

表2 Ⅴ级围岩各项参数

表3 HRB335钢筋各项参数

表4 C35混凝土各项参数

2.输入关键参数进行参数化建模

根据铁路隧道规范中推荐的断面图，确定时速200km铁路双线隧道多心圆各圆弧半径分别为r

3.设置约束施加荷载

对上一步完成的模型，利用循环命令在数组b代表的杆单元节点上施加横向以及纵向的约束，并利用循环命令在数组a代表的衬砌单元节点上施加水平以及竖向的荷载，结果如图10所示。

4.求解并提取结果

利用有限元软件ANSYSAPDL完成对结构的求解，得到各单元的弯矩和轴力，并提取到数组中。

5.判断衬砌类型

此结构为钢筋混凝土结构，所以采用式(3)以及式(4)进行计算，在程序中完成大小偏心判断以及钢筋混凝土衬砌单元安全系数的计算。

若为混凝土衬砌(无钢筋)是按照式(1)至(3)进行计算。

6.结果直观展示

将计算得到的结果导入统计弯矩数据的数组中，利用“plls”命令显示各单元安全系数如图11所示，不仅展示结果数据，还能显示结构中的薄弱位置及分布；得到钢筋混凝土衬砌单元的控制截面在拱顶部分，安全系数最小值为2.15734，最大值为12.5839，各单元的安全系数数值可直接由数组给出。

由于不同环境下对安全系数的要求不同，可以通过该流程不断调整隧道基本参数，如混凝土强度，钢筋直径等，来达到工程要求。

以上实施例是基于四心圆建模，对于任意n心圆，可以将其中的圆弧部分拆解成半径相同，圆心相同，圆心角相加满足该圆弧的多段圆弧形式，再带入程序中完成隧道衬砌单元安全系数标定，而且图中所出现的选择、判断和计算都是利用ANSYSAPDL即可完成。

<实施例二>

本实施例二提供基于参数化建模的隧道快速安全评价方法快速确定断面安全系数情况的装置，该装置包括离散部、基本参数确定部、隧道断面变量及位置确定部、单元确定部、隧道断面绘制部、约束以及荷载施加部、结果提取部、安全系数云图生成部、输入显示部以及控制部。

离散部将衬砌与围岩所组成的隧道结构体系离散化为有限个衬砌单元和弹簧单元所组成。

基本参数确定部根据待评价的隧道的实测资料，确定基本参数数值，作为模型输入参数；，在基本参数确定部中，让操作员根据待评价的隧道的实测资料，输入衬砌单元厚度，钢筋混凝土衬砌中钢筋的直径、排列方式、弹性模量、泊松比、重度和抗拉强度标准值，混凝土的抗压强度标准值、弹性模量和保护层厚度，围岩环境参数，作为模型输入参数。

隧道断面变量及位置确定部确定用于参数化建模的n心圆隧道断面包含圆弧半径和角度的关键参数变量，n≥1，并确定隧道断面位置。

单元确定部，确定反应隧道断面复合式衬砌结构的梁单元以及模拟周围围岩作用的杆单元，并且根据实际尺寸的大小定义特定的实常数。

隧道断面绘制部按照下列步骤5-1至5-15绘制隧道断面：

步骤5-1.依次输入各圆弧圆心位置，将各圆弧圆心坐标生成为第1类关键点，并在拱顶位置同样生成关键点；

步骤5-2.以上一步生成的1类关键点为圆心，r为半径，α为圆心依次做出n心圆隧道断面对应的圆弧，并且根据ANSYS工作界面关键点编号不断累加的特性，在每一步生成圆弧结束后用“get”命令记录编号最大的点为第2类关键点，在每一次绘制圆弧的过程中以该第2类关键点为起始点画弧；

步骤5-3.做第1类关键点的圆心，r为半径，α/2为角依次对应的圆弧，重复步骤5-2的操作，在每一次圆弧结束后生成关键点，作为第3类关键点，把每段圆弧线都平划分成两段，同时记录了这几段圆弧的中点位置，从而获得了n心圆断面半侧每一段圆弧的起始点、中点和终止点；

步骤5-4.利用“ldele”命令删除线，再利用“larc”命令以第2类关键点和拱顶位置关键点为圆弧的两个端点，以第3类关键点为圆弧经过的重要点做圆弧，连接之后的圆弧利用“lcomb”命令依次连接起来作为圆弧线1；

步骤5-5.利用“lsymm”命令沿y轴对称，生成完整隧道轮廓图；

步骤5-6.“lsel”选择所有的线，“lesize”命令将弧线划分出想要的单元数量，“lmesh”命令进行单元划分，然后“nummrg”命令进行节点整合；

步骤5-7.“nsel”选择纵坐标为0的点即坐标系原点，“get”将此点作为起始点，“nsel”选中左侧生成的节点；

步骤5-8.采用数组定义各节点，定义数组a为隧道衬砌单元节点储存数组，a(1)为仰拱底部起始点单元编号；

步骤5-9.利用循环命令“do”，执行对左侧节点的循环操作，从a(1)点起，利用“nnear”命令不断选择离节点最近位置的节点作为下一个编号顺序的节点，为避免已定义的节点被重复选择，“nsel”命令将每一步已定义的节点排除掉；

步骤5-10.再选择隧道断面右侧的节点，同步骤5-9一样，将拱顶位置的节点作为起始点，循环利用“nnear”命令按顺序将节点记录在数组a中，让节点有序化；

步骤5-11.选择数组a中的所有节点，利用“get”命令得到横坐标最大节点，带入塌方公式中计算出深浅埋隧道的塌方高度；

步骤5-12.利用循环程序，选择梁单元通过“e”命令逐次连接数组所代表的各个节点，并同时进行参数赋值；

步骤5-13.进入前处理模块，利用“lclear”命令消除多余线的影响；

步骤5-14.设置模拟围岩作用的外圈杆单元端点的节点，将外圈半径l设置为l＝r+1,重复上述操作步骤5-2至步骤5-10，将杆单元端点部分节点设置为数组b，数组b与数组a的顺序一致且数组b位于衬砌单元的外圈；

步骤5-15.选择杆单元，利用循环程序，依次通过“e”命令对应连接数组a与数组b所代表的各个节点，并同时进行参数赋值，完成参数化建模。

约束以及荷载施加部按照下列步骤6-1至6-4在隧道断面结构上施加载荷：

步骤6-1.进入后处理模块，首先利用“d”命令，通过循环程序，选择数组b代表的杆单元端点约束固定，将其等效为“弹簧”结构；

步骤6-2.采用循环命令“do”，对衬砌节点施加等效荷载，对左半侧结构施加正向横向荷载，对右半侧结构施加负向横向荷载，作对称结构对称荷载的施加；

步骤6-3.利用循环命令，选出数组a代表的各节点中横坐标等于上述过程中步骤5-11中出现横坐标出现最大数值的点的编号，一旦挑选出就退出循环，以此来得到此点是隧道轮廓的最左端节点以及最右端节点编号；

步骤6-4.根据步骤6-3得到的数组编号利用循环命令，对结构上部分作负向的竖向荷载施加，完成模型的载荷约束及施加。

结果提取部按照下列步骤7-1至7-3得到各单元对应的安全系数：

步骤7-1.通过有限元软件ANSYSAPDL完成对结构的求解，得到各单元的弯矩和轴力，并提取到数组中；

步骤7-2.选择衬砌单元，利用“etable”命令提取各单元的弯矩、轴力和剪力，并利用“get”命令将弯矩和轴力导入提前设计好的数组“mm”和“nn”中，获得弯矩大小的数组；

步骤7-3.利用循环命令“do”以及选择命令“if”对单元进行大小偏心判断以及数值运算。

安全系数云图生成部将所得安全系数结果记录进已提前设好数组中，将记录安全系数数值大小的数组对记录弯矩大小数组进行替换，用“plls”命令将各单元的安全系数按弯矩图的形式展示出来，得到安全系数云图。

输入显示部用于让用户输入操作指令，并进行相应显示；具体地，输入显示部能够对基本参数确定部中待输入参数进行显示，让操作员输入实测参数值；输入显示部还能根据指令对隧道断面变量及位置确定部确定的隧道断面的圆心个数、坐标、圆弧半径和角度进行显示；输入显示部还能够根据指令对隧道断面绘制部绘制的隧道断面图进行显示，并根据指令显示约束以及荷载施加部完成模型的载荷约束及施加后隧道断面图，而且能够根据指令显示结果提取部获取的各单元的安全系数，并对安全系数云图生成部生成的安全系数云图进行显示，将具体安全系数按照数值范围大小以不同颜色显示在隧道断面结构的相应位置处。

控制部与离散部、基本参数确定部、隧道断面变量及位置确定部、单元确定部、隧道断面绘制部、约束以及荷载施加部、结果提取部、安全系数云图生成部、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。

<对比例>

采用现有技术方法获取安全系数：

选用实施例一中第1步给出的参数，利用传统方法进行安全系数运算。

1.绘制断面图

在CAD中构建隧道标准断面图，将其作为面域输出，生成SAT文件。

2.确定节点位置

将sat文件导入ANSYSAPDL中，删除中间多余的线，将圆弧连接起来，再利用对称命令将完整的隧道建模衬砌节点以及模拟围岩作用的杆单元节点的轮廓图显现出来，任意设置单元类型并进行编号，然后利用“lesize”命令对这四条圆弧进行单元划分，生成想要的节点数，点击List>nodes>coordinatesonly，获得各节点编号以及坐标。

3.节点整理

为使荷载施加过程中能够使用循环命令节约时间，将对应节点编号以及坐标导入excel中，参考图13中节点编号的位置，在excel中按顺序调整节点。

4.建模

按照正常建模顺序，通过“n”命令，逐步输入节点编号以及节点的坐标，然后通过“e”命令，逐步连接衬砌节点以及杆单元节点，生成单元并赋值。

5.求解

约束杆单元节点的位移，再施加荷载，并通过有限元软件的求解功能获得结构内力。

6.安全系数计算

由于模型对称，只需要计算一半模型单元，提取出结构各单元的内力，如表5所示。

表5各单元内力

将弯矩和轴力带入上式求解安全系数的方程中，得到各单元安全系数，如表6所示。

表6各单元安全系数

得到钢筋混凝土衬砌单元的控制截面在拱顶部分，安全系数最小值为2.2648，最大值为12.6008，对比实施例一中本发明基于参数化建模的铁路隧道快速安全评价方法，在安全系数上差距并不大，精确性相当，这是因为实施例一和现有技术方法中都是针对最简单的标准断面进行计算，若涉及实际工程计算，由于现有技术方法操作、计算繁琐，不仅耗时长，而且非常容易引入错误数据，导致与实际情况相差较大，无法保证精确性。而本发明方法，可以一键参数化建模，并且集建模与有限元计算和安全系数计算于一体，还能够生成安全系数云图直观展示隧道断面不同位置处的安全系数，因此不仅大大节省了处理时间，而且有效避免了因繁琐处理引入的错误数据，确保了结果的精确性。

对于不同地质条件或者工程需要情况下的隧道设计，其衬砌单元安全系数需要满足不同的取值，若需要更改衬砌厚度，则结构的自重会对内力产生影响，因此采用现有技术方法需要重新建模计算，并导出内力带入计算软件中进行计算，多次计算后达到最佳设计效果，繁杂冗余，效率低且容易出错。

本发明方法则可以直接在命令内更改需要改变的参数数值，在基本变量输入阶段更改衬砌厚度、钢筋直径、配筋率等数值，快速准确的获得结果。

对于不同时速铁路隧道的断面设计，也可采用本发明完成，如在相同设计环境下时速160km铁路多心圆各圆弧半径分别为r

对于配筋验算中的截面设计过程，由于衬砌截面厚度的变化，导致有限元计算过程中结构自重发生变化，在现有技术方法建模过程中需要重新进行建模和实常数的赋值。例如设置某段隧道截面衬砌单元的安全系数为2.20，采用示例中所给的环境参数，将衬砌单元的初始衬砌厚度设置为0.45m，保持钢筋直径不变。

依据现有技术方法进行设计时，需要依照示例中的方法建立模型，然后导出内力进行安全系数计算：

(1)当衬砌厚度为0.45m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.092，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.46m。

(2)当衬砌厚度为0.46m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.100，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.47m。

(3)当衬砌厚度为0.47m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.117，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.48m。

(4)当衬砌厚度为0.48m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.132，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.49m。

(5)当衬砌厚度为0.49m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.145，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.50m。

(6)当衬砌厚度为0.50m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.157，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.51m。

(7)当衬砌厚度为0.51m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.168，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.52m。

(8)当衬砌厚度为0.52m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.177，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.53m。

(9)当衬砌厚度为0.53m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.184，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.54m。

(10)当衬砌厚度为0.54m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.190，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.55m。

(11)当衬砌厚度为0.55m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.194，不满足设计要求，需要增加截面厚度，将厚度调整为0.55m。

(12)当衬砌厚度为0.56m时，重复上述步骤，重新建立有限元模型，导出内力，在计算软件中得到衬砌单元的安全系数最小值为2.206，满足设计要求。可以得到衬砌厚度为0.56m时满足该工程的安全系数要求。

而对于本发明方法，仅需要调整衬砌厚度的参数即可改变模型，直接重新进行安全系数计算，极大简化计算步骤，当锁定衬砌厚度时，直接一键输出安全系数云图，得到衬砌单元最小安全系数值，如图16所示。

在此过程中，改变衬砌厚度的同时如果需要改变钢筋直径也可随之不断调整，本发明方法在截面设计中能够缩短大量时间，且不需要将内力数据导入计算软件，减少了出错的概率，极大提高设计效率。上述12个断面，采用现有技术方法得到安全系数需要花费2个多小时，而采用本发明方法不到20分钟即可生成图16所示的12张安全系数云图。

综上，本发明的优势在于用数组替代了传统节点位置，只需要几个参数就可以一键参数化建模，并且集建模与有限元计算和安全系数计算于一体，并且编写了安全系数直观展示程序，真正做到方便快捷，直观精炼，准确高效。同时在不同形状的断面设计过程中，能够快速通过特定参数进行建模，抛弃传统方案建模复杂用时过长的问题，在截面设计过程中，传统方案改变衬砌厚度带来的对结构受力的影响需要不断重复建模过程，而本方案仅通过改变控制衬砌厚度的参数即可完成截面设计，也可以通过改变控制各项变量的参数完成配筋，在程序内实现目标结果计算。相较于现有技术，在时间、操作性、避免失误率上面有很大提升。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于参数化建模的隧道快速安全评价方法及装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。