基于高性能计算的CAE技术在大型盾构施工仿真中的应用
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摘 要：为加强盾构施工的风险提示及防范措施，在总结近几年研究成果的基础上，建立大规模三维数值模型，对泥水盾构施工的各种复杂施工步骤和环境因素进行拟实和简化模拟.在模拟过程中使用“曙光”超级计算机和ANSYS并行求解器，保证大量计算工况的前、后处理及求解分析.2条长江隧道的盾构施工数值仿真表明，该方法能有效预测盾构推进引起的土层沉降、衬砌变形和盾构姿态等.
关键词：盾构机； 隧道施工； 仿真； 并行计算； ANSYS
中图分类号：U455.43；TB115 文献标志码：A
Application of CAE technology based on high performance computing in large-scale shield construction process
DING Junhong1, LI Genguo1, JIN Xianlong2, CAO Yuan2
（1. Shanghai Supercomputer Center, Shanghai 201203, China;
2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)
Abstract： To improve the risk warning and preventive measures in shield construction, based on the research achievements in recent years, a large-scale 3D numerical model is established to simulate virtually the various complicated steps and environmental factors in slurry shield tunneling construction with simplified method. The Dawning supercomputer and ANSYS parallel solvers are used to guarantee the pre/post treatment and solving of a great number of calculating cases. This method is applied to the shield construction of the two tunnels across the Yangtze River, and the results show that it can predict effectively the soil layer settlement, lining distortion, shield machine posture, and so on, during the shield tunneling process.
Key words： shield machine; tunneling construction; simulation; parallel computing; ANSYS
0 引 言
进入21世纪后的头10年，我国以世界经济领头羊的身份持续保持蓬勃发展的趋势，目前正处于工业化和城镇化的社会快速转型期.与此同时，城市建设持续升温、城市规模不断扩大，大量人口向城市聚集，机动车数量不断攀升，给居住和出行带来与日俱增的压力.对此，倡导地下空间资源的开发、利用，在改变城市布局、改善交通压力和减轻环境污染等方面起着不可或缺的重要作用.以上海为例，2010年轨道交通总里程已超过420 km，居世界第一.
包括地铁和越江隧道在内的工程建设离不开盾构法施工.［1］这种施工法避免明挖，减少弃土处理，不仅有利于城市环境保护，而且节省工程投资，成为城市隧道工程的一种主要施工方法.
由于地下工程地质环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中灾害事故的突发性以及对环境影响的控制难度，在进行盾构地下施工时，建设质量、安全性的控制和管理的难度比地上工程高得多，容易引发不同程度的地层变形，且地层变形与盾构设备性能及盾构施工工艺等诸多因素直接相关.如何预测和避免隧道施工可能遇到的问题并提出解决方案，具有重大的经济价值和重要的指导意义.
当前，数值仿真CAE技术正被广泛应用于科学研究、工程与生产领域，以解决各种复杂问题.在隧道施工仿真方面，专业计算机软、硬件性能持续提升，也引领着CAE技术在应用深度和广度上的不断突破，越来越多地用于解决复杂的大规模工程实际问题.［2-5］
本文基于曙光5000A(“魔方”超级计算机)，首先描述泥水平衡盾构施工的特点，数值模拟的基本思路、方法以及为提高计算效率采用的分布式并行算法；然后以上海和南京的超大直径越江盾构隧道作为施工仿真的应用对象，介绍在高性能计算平台上建立的大规模精细仿真模型和计算结果以及对工程实际的指导作用.
1 原理与方法
1.1 泥水盾构施工特点
在长江中下游地区建设越江隧道，开挖难度较大，问题突出反映在水压高、埋深浅、地层透水和其他地质水文条件等风险上.越江隧道施工一般选用泥水盾构机穿越江底覆土层，泥水盾构施工示意见图1.它通过加压泥水来稳定开挖面，其刀盘后有个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满经过处理后的外来有压泥浆；开挖土料与泥浆的混合物由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆可以重复使用.这种盾构机适用于隧道面可被泥水加压所支撑的土质，能有效应对各种复杂地层和控制地表沉降.注：1―切削面； 2―泥水/土体； 3―空气； 4―推进千斤顶； 5―管片； 6―盾尾密封； 7―泥水输入； 8―泥水/土体输出； 9―注浆.
1.2 精细施工仿真策略
隧道结构及岩土介质的高度非线性决定地下工程开挖问题亦具有非线性的路径相关性，即随着盾构机的不断推进或变化，结构的形状也不断发生变化，作用在结构上的外载荷也随之改变.盾构隧道的推进本质上仍是个三维问题.
在施工仿真策略的制定上，施工过程细节考虑得越多，越有利于准确反映隧道施工过程中围岩和结构的变形与受力状态，从而更准确地预测地表的移动和变形.本文的精细施工仿真策略主要包括以下要点.
(1)仿真策略在整体上充分体现盾构实际施工推进过程的三维空间特征和时序特性.盾构机三维掘进过程模拟示意见图2，随着盾构机的逐步推进，力学模拟对象也逐步体现出土体开挖、盾构推进、衬砌安装和壁后注浆等主要施工步骤，拟实表现环环推进的施工效果.在细节上还要模拟地应力场、盾构超挖、泥室压力、注浆硬化和拖车前行等多个施工┫附.
图 2 盾构机三维掘进过程模拟示意
Fig.2 Simulation on 3D tunneling process of
shield machine
盾构机掘进过程模拟细节描述见图3.盾构机与土体接触模型采用无厚度接触单元，单元法向与切向接触均采用罚函数方式描述.除土体采用Drucker-Prager弹塑性本构模型外，其他施工参与对象可采用不同的弹性本构模型进行模拟.
（a）(b)(c)(d)(e)
图 3 掘进过程模拟细节描述
Fig.3 Detailed illustration of tunneling process simulation
(2)对于图2和3中诸多仿真细节及其技术实现手段，可从以下方面展开描述：
①地质模型中的地应力场可单独通过由重力场计算得到的单元初应力文件进行转化施加.
②土体开挖、盾构前行和衬砌施加等可通过单元刚度迁移法实现.
③盾构机机头直径大于机尾直径，因此盾构机机身普遍具有一定坡度.盾构超挖及机身坡度通过施加径向位移
1.3 并行仿真求解
采用ANSYS进行盾构施工仿真的模拟，其自带的APDL能让用户灵活、快捷地使用各项软件功能，模拟盾构施工的力学行为.
本文建立的大规模仿真模型可模拟数百米长的盾构施工复杂过程，计算模型自由度达百万数量级以上.使用并行计算将大大减少计算时间.一般可选用共享内存式(Shared Multi-Processing,SMP)或分布内存式(Distributed Memory Parallel,DMP)的并行方式.2种并行模式及体系结构示意见图4.
(a)SMP
(b)DMP
图 4 2种并行模式及体系结构示意
Fig.4 Illustration of two parallel modes and architectures
在ANSYS中，具有代表性的SMP求解器是稀疏矩阵求解器SPARSE，具有代表性的DMP求解器是分布式预条件求解器DPCG.SPARSE使用以消元法为基础的直接求解法，计算稳健性最好，可支持所有软件功能，适合多载荷步求解，但并行扩展性能有限；DPCG适合更大的模型，能减少I/O开销，并行扩展性更好，但求解稳定性难以保证，软件功能并行有限制.
除此之外，ANSYS还有其他一些求解器，如AMG和DSPARSE等.实际计算时可结合计算平台特点，通过对比不同求解算法得到的加速并行效果，选用最适合的并行仿真策略.
2 应用实例
2.1 上海长江隧道盾构施工仿真
上海长江隧道濒临东海长江口，盾构直径达15.3 m，复杂的地质条件和工程环境给隧道盾构推进施工带来不少难题.借助高性能计算平台进行施工仿真，可建立规模更大、更细致的三维仿真模型，充分体现实际隧道轴线曲折起伏特性以及土层分布的非均匀性.盾构隧道三维施工仿真模型见图5.针对某施工标段建立的计算模型，利用HyperMesh创建的六面体网格能从构形和网格质量上提高计算精度.模型三维尺寸为250 m×150 m×80 m，能模拟构建多达125环衬砌的施工步骤，单元和节点数目都超过30万.
图 5 盾构隧道三维施工仿真模型
Fig.5 3D shield tunneling simulation model
利用该计算模型可进行单线或双线盾构施工的模拟，考察对象包括沉降槽、地表沉降和衬砌变形等.图6描述隧道上方地表沉降曲线，图中横轴0刻度表示开挖面当前所在位置.
图 6 隧道上方地表沉降曲线
Fig.6 Settlement curve of ground surface above the
tunnel
此外，还可考察不同施工参数对施工质量的影响，以便优选施工工序.图7为在不同开挖面泥水压力作用下开挖面前地表最大沉降槽竖向位移对比，计算结果给出明确的影响区域及程度.
图 7 地表沉降槽竖向位移随开挖面泥水压力变化曲线
Fig.7 Vertical dispacement curves of ground surface settlement trough due to slurry pressure change
2.2 南京长江盾构隧道施工仿真
已通车的南京长江隧道在设计建设开始时也遇到诸多难点，隧道开挖直径近15 m，工程地下穿越段地质结构复杂、建设条件差，也没有可借鉴的成功经验.用本文描述的数值模拟方法对封门拆除、进出洞、穿越大堤和复合土层等多个关键施工区域的施工方案进行模拟和优化，并对工程中可能出现的各种风险进行系统分析，为提高防范能力和科学决策提供依据.［6-7］
在结果评判上，除对地表沉降和衬砌变形进行预测外，还可掌握盾构机姿态的变化.以盾构机离开始发井进洞计算分析为例，图8中盾构机首尾竖向位移差表述盾尾与盾首的垂直偏差.当按照设计方案实施推进，盾构机位于满堂加固区时，盾构机前后位移差较小，最大值在9 mm左右，在此区域盾构机“磕头”的风险尚可控制；当盾构机开始进入顶篷加固区时，盾构机前后位移差瞬时增加到最大，达12.8 mm；此后，随着盾构机逐渐进入该区域，数值趋于减小和稳定；再度进入原状土区时，盾构机姿态变化相对比较平稳.由于有针对性地采取有效措施，可提前消除盾构机推进时可能出现的“头重脚轻”的隐患.
图 8 推进过程中盾构机首尾竖向位移差
Fig.8 Vertical displacement difference between head
and tail of shield machine during tunneling
3 高性能计算平台上的并行求解
盾构隧道施工的仿真，曾在“曙光4000A”超级计算机上完成大量计算工况.以该机单计算节点为例，包括4个CPU，可最大共用8 GB内存.曾经完成的并行计算策略比较［5，8］和后续的改进完善工作都表明：对于这样一个复杂模型，构建一环衬砌所需单载荷步计算，SPARSE求解器最多需要将近3 h，但是DPCG等分布式迭代求解器可缩短到2 h以内，如果总计开挖100环，就可节省约4 d时间.但分布式求解器计算稳定性值得关注，在长时间求解时会偶发如MPI异常等原因引起的计算中断，带来重复性计算消耗.总之，由于计算量大，若无高性能计算平台的支撑，很难实现多计算工况和施工参数优化.
计算机软、硬件的发展给仿真求解带来新的思路，ANSYS的前、后处理模块也逐渐支持并行处理.对于目前上海超级计算中心使用的“魔方”超级计算机来说，单节点内可使用8 CPU共32核，最大可使用内存128 GB，完全能够满足超大规模盾构施工仿真计算模型选用SPARSE in-core求解模式时所需的高内存需求.此时基本不需要磁盘的输入与输出，能大幅提高求解速度，在保证计算稳定性的同时，取得与以往相比提升不少的并行计算效率.
4 结 论
以目前在各地兴起的盾构隧道建设为研究对象，结合近年来的课题和项目经验，详细阐述在高性能计算平台基础上如何创建复杂的大规模泥水盾构施工精细仿真计算模型.该仿真方法已在沪、宁2条盾构越江隧道的设计建设中得到很好的应用.最后结合不同发展阶段的HPC计算平台，指出如何在兼顾计算稳定性和并行求解效率时需注意的要点.实践表明：虽然有一些实现难度，但利用全三维大规模计算模型模拟复杂地层中盾构的长距离推进施工过程，能充分弥补二维计算分析的不足，并得到更为精确和丰富的关于施工质量与沉降控制的评价.
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