隧道施工4D可視化監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

王國欣，馬榮全，肖龍鴿

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，大力開發(fā)利用城市地下空間資源，拓展城市地下空間顯得越來越重要，城市空間的立體化將成為現(xiàn)代城市發(fā)展的必由之路。目前我國許多城市在進(jìn)行地下空間開發(fā)時出現(xiàn)了越來越多的大斷面隧道，如重慶軌道交通三號線與六號線的換乘車站——紅旗河溝車站。此車站隧道采用了地下暗挖法施工，隧道開挖空間最大高度約33 m，跨度約26 m，總開挖面積最大約760 m2，且埋深最淺處巖層厚度只有9 m，為典型的超淺埋、超大斷面隧道，斷面尺寸為一般雙線公路隧道的10倍。

在開挖大斷面隧道過程中，受城市環(huán)境的特殊性和施工過程的不確定性等因素影響，使得隧道設(shè)計和施工存在很大風(fēng)險。目前修建此類大斷面隧道普遍采用的是分步開挖法，一個斷面最多有分成十幾步開挖的，所以開挖過程中的隧道監(jiān)測技術(shù)已成為反饋圍巖和結(jié)構(gòu)動態(tài)變化、優(yōu)化支護參數(shù)、保證施工安全的重要手段。如何對監(jiān)測得到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行及時快速地直觀顯示和處理分析是進(jìn)行工程決策的前提，是數(shù)據(jù)庫在監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的一個發(fā)展方向［1］。

目前在我國隧道工程監(jiān)測中，對于數(shù)據(jù)與監(jiān)測點的結(jié)合通常采用二維(2D)圖形的表達(dá)方式，即一個監(jiān)測剖面圖對應(yīng)相應(yīng)監(jiān)測點的數(shù)據(jù)歷時曲線。近年來，有開發(fā)出三維(3D)圖形表達(dá)監(jiān)測點，并結(jié)合相應(yīng)監(jiān)測點的歷時曲線反映監(jiān)測點的變化情況，從而能更直觀地表達(dá)各監(jiān)測點在空間中的分布，以利于工程的動態(tài)管理與決策［2-5］。以上三維圖形均是“靜態(tài)”的，沒有體現(xiàn)出施工過程的“動態(tài)”三維圖形。眾所周知，地下工程的施工存在時空效應(yīng)，如果按上述方法進(jìn)行監(jiān)測，只能體現(xiàn)出監(jiān)測點位移或應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律，而未能體現(xiàn)監(jiān)測點位移或應(yīng)力隨空間的變化情況，即不能體現(xiàn)監(jiān)測的時空效應(yīng)。因而，對于采用分步開挖的大斷面隧道，如果監(jiān)測點的顯示不能體現(xiàn)空間效應(yīng)，將無法通過對監(jiān)測點的顯示與數(shù)據(jù)表達(dá)直觀體現(xiàn)出監(jiān)測點位移或應(yīng)力變化的時空效應(yīng)，從而不利于隧道監(jiān)測對施工的反饋作用。

因此，有必要結(jié)合相關(guān)工程開發(fā)隧道4D監(jiān)測系統(tǒng)，即與施工工況相結(jié)合的隧道三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)，從而體現(xiàn)監(jiān)測的時空效應(yīng)。結(jié)合紅旗河溝車站隧道工程，開發(fā)的4D監(jiān)測系統(tǒng)可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工工況結(jié)合起來，能快速、直觀、可視化地表達(dá)施工工況與監(jiān)測點的歷時數(shù)據(jù)，從而有利于工程的動態(tài)管理與決策。

1 隧道4D監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 4D理論

4D最初是由美國斯坦福大學(xué)實施集成工程研究中心(CIFE)于1996年提出的，在CIFE的研究中，將3D計算機模型與施工進(jìn)度關(guān)聯(lián)在一起，實現(xiàn)了一種可視化的施工順序表現(xiàn)方法，10多年來，其研究與應(yīng)用得到了較快的發(fā)展［6-10］。4D監(jiān)測技術(shù)就是在建設(shè)工程結(jié)構(gòu)物及監(jiān)測點的計算機三維空間模型上附加時間因素，并將該結(jié)構(gòu)物及監(jiān)測點的計算機三維空間模型隨時間的變化過程以動態(tài)形式表現(xiàn)出來。

1.2 隧道4D監(jiān)測系統(tǒng)

隧道4D監(jiān)測技術(shù)是與隧道開挖工況相結(jié)合的三維模型顯示監(jiān)測技術(shù)，通過計算機技術(shù)(采用OpenGL技術(shù))，實現(xiàn)隧道開挖工況的參數(shù)化模擬。能通過此圖形直觀地表達(dá)出隧道及周邊環(huán)境各監(jiān)測點隨開挖工況變化的數(shù)據(jù)歷時情況，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的時空效應(yīng)，方便了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)而判定與反饋隧道的安全狀態(tài)，從而指導(dǎo)隧道施工。

隧道4D監(jiān)測系統(tǒng)是基于Visual Studio 2008和Open CASCADE平臺開發(fā)的一套監(jiān)測系統(tǒng)。Open CASCADE是法國MDTV(Matra Datavision)公司開發(fā)的開源CAD/CAM軟件平臺。Open CASCADE提供二維和三維幾何體的創(chuàng)建、顯示和分析，主要用來開發(fā)二維和三維幾何建模，包括通用的或?qū)Ｓ玫腃AD系統(tǒng)、制造或分析領(lǐng)域的應(yīng)用軟件、仿真軟件或圖形演示工具。

開發(fā)的隧道4D監(jiān)測系統(tǒng)主要有4個功能:1)隧道及周圍環(huán)境三維模型的建立;2)隧道三維可視化開挖及襯砌模擬;3)隧道及周圍環(huán)境監(jiān)測點的建立;4)監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入、預(yù)警及預(yù)測分析。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成

以重慶軌道交通三號線紅旗河溝車站隧道為例，說明整個隧道4D監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成。

2.1 隧道及周圍環(huán)境三維模型的建立

根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件及圖紙，通過系統(tǒng)輸入隧道的相關(guān)參數(shù)，如隧道起止里程、走向、坡度、曲率、高程、斷面形態(tài)(通過CAD的DXF文件導(dǎo)入)等，如圖1所示。通過輸入相關(guān)紅旗河溝車站隧道的參數(shù)，建立了紅旗河溝車站隧道三維模型，如圖2所示。

在隧道模型建立的基礎(chǔ)上輸入周邊環(huán)境的相關(guān)信息，如相對位置關(guān)系、建筑物大小等，如圖3所示。由此建立隧道及周邊環(huán)境的三維模型，如圖4所示。

2.2 隧道三維可視化開挖及襯砌模擬

在建立了隧道及周圍環(huán)境三維模型后，就可以進(jìn)行隧道的開挖模擬。首先，導(dǎo)入隧道開挖斷面分塊CAD圖(DXF文件)，如圖5(a)所示，形成紅旗河溝車站隧道最大斷面B斷面分塊圖，在此基礎(chǔ)上定義開挖塊及開挖里程，如在圖 5(b)中分塊由 20，34，31，4，3，30，19組成，開挖里程為SK13+409～+448，開挖后的三維模型如圖6所示。

圖6 紅旗河溝車站隧道B斷面下導(dǎo)坑開挖三維模型Fig.6 3D model of excavation of pilot of B cross-section of tunnel of Hongqihegou station

其次，依此進(jìn)行各斷面分塊的定義與操作，對整個紅旗河溝車站隧道的開挖進(jìn)行模擬，可得到如圖7所示的分步開挖三維模型圖。

圖7 紅旗河溝車站隧道開挖三維模型Fig.7 3D model of excavation of tunnel of Hongqihegou station

最后，加入二次襯砌模型，形成如圖8所示的紅旗河溝車站隧道開挖及襯砌三維模型。

圖8 紅旗河溝車站隧道開挖及襯砌三維模型Fig.8 3D model of excavation and lining of tunnel of Hongqihegou station

2.3 隧道及周圍環(huán)境監(jiān)測點的建立

2.3.1 隧道監(jiān)測點三維模型的建立

在建立隧道開挖三維模型后，對隧道中實際監(jiān)測斷面進(jìn)行監(jiān)測點的三維模型顯示。首先導(dǎo)入隧道某一里程的監(jiān)測斷面CAD圖(DXF文件)，如圖9所示，由此得到隧道在各里程下的監(jiān)測點三維模型，如圖10所示。

2.3.2 隧道周邊環(huán)境監(jiān)測點三維模型的建立

在地面及建筑物上布置相關(guān)測點，布置對話框如圖11所示，得到的測點三維模型如圖12所示。

圖12中監(jiān)測點的累計值數(shù)據(jù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)實時查詢，方便用戶的查看與分析，登陸遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫就可以對任一測點進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，如圖13所示。

2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)的錄入、預(yù)警及預(yù)測分析

該模塊實現(xiàn)測點與基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫連接。通過輸入正確的賬戶名和密碼登陸數(shù)據(jù)庫，可讀取監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù)從而形成歷時曲線，并通過相關(guān)數(shù)學(xué)方法(動態(tài)方程、時間序列或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)進(jìn)行測點數(shù)據(jù)的預(yù)測，從而預(yù)警隧道施工中的安全問題，最后反饋和指導(dǎo)施工。圖14為紅旗河溝車站隧道SK13+420斷面拱頂下沉曲線圖，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了數(shù)據(jù)的預(yù)測。

圖14 車站隧道SK13+420斷面拱頂下沉曲線預(yù)測圖Fig.14 Predicted crown settlement curves at SK13+420 of tunnel of Hongqihegou station

3 結(jié)論與討論

4D監(jiān)測技術(shù)在建設(shè)領(lǐng)域是現(xiàn)今的前沿技術(shù)，本文通過對重慶軌道交通三號線紅旗河溝車站隧道進(jìn)行4D監(jiān)測技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)與施工工況的結(jié)合，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的時空效應(yīng)，方便了監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)而反饋數(shù)據(jù)和指導(dǎo)施工。整個系統(tǒng)是基于Visual Studio 2008和Open CASCADE平臺開發(fā)的，實現(xiàn)了隧道工況與監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維可視化動態(tài)表達(dá)，并結(jié)合了互聯(lián)網(wǎng)的測量數(shù)據(jù)管理與分析技術(shù)，是全新的4D隧道監(jiān)測系統(tǒng)。

目前本系統(tǒng)只能通過人工進(jìn)行各監(jiān)測點數(shù)據(jù)的輸入，還達(dá)不到自動化監(jiān)測的要求。今后須在測點數(shù)據(jù)自動化采集的基礎(chǔ)上與本系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，開發(fā)出具有監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳和更新功能的系統(tǒng)，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化隧道4D監(jiān)測。

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