三維GIS在三臺階七步開挖法隧道工程進度管理中的應用

前言

“三臺階七步開挖法”是一種以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階七個開挖面，

各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進的隧道開挖方法。該方法對復雜多變的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，不同跨度和多種斷面形式的隧道都具有很好的兼容性。但由于在施工過程中步驟復雜，各個工序之間交叉干擾大，增加了隧道進度管理、風險評估等方面的難度，使得施工單位和設計單位都難以接受方法。為此，很多學者與專家也都提出了一些方法與建議，如湯憲高提出以“專業(yè)化、機械化、工廠化、信息化”為手段，推行隧道標準化管理，突破隧道施工的管理瓶頸等方法，來促進安全、質(zhì)量、效益滑坡等問題的解決。董寧等總結(jié)了各類開挖方法適用的條件及其技術(shù)要點。張小明則介紹了大斷面堆積體隧道進洞的施工方案，分析了大斷面堆積體進度的具體步驟，得出了隧道安全施工的方法。以上方法從不同角度解決了隧道工程管理中的問題，但對隧道施工過程中的綜合展示、管理、查詢與分析提及較少，對施工進度的遠程管理與動態(tài)仿真預演并未提及。本文提出了一種基于三維GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)的隧道工程進度管理方法，該方法將GIS與隧道工程有機的結(jié)合起來，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和三維技術(shù)將地質(zhì)、測繪、環(huán)評等多種數(shù)據(jù)有機地組合到一起，同時提供數(shù)據(jù)的分布存儲、數(shù)據(jù)分析和三維展示等功能，輔助地質(zhì)專家開展隧道設計、調(diào)查與風險評估等方面的工作。

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

圖1展示了整個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，它分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡服務層、三維GIS平臺與業(yè)務邏輯層等四個部分。其中數(shù)據(jù)層包括測繪、環(huán)評、地質(zhì)、隧道施工進度和三維模型屬性數(shù)據(jù)等，測繪、環(huán)評和地質(zhì)數(shù)據(jù)用于三維GIS平臺的展示，用更加直觀的方式展示施工周邊三維地理環(huán)境，隧道施工進度數(shù)據(jù)用于以動畫的形式模擬或預演隧道施工進度情況，3D模型屬性數(shù)據(jù)則用于數(shù)據(jù)的查詢，關聯(lián)與修改等功能。網(wǎng)絡服務層提供必要的網(wǎng)絡傳輸、數(shù)據(jù)權(quán)限管理、數(shù)據(jù)編碼管理、數(shù)據(jù)狀態(tài)管理和資料互提等功能，資料互提功能用于三維、二維或文檔數(shù)據(jù)的上傳與下載功能，由于三維模型文件有數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡傳輸慢的問題，存儲到數(shù)據(jù)庫中會加重數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡的負擔，用資料互提的方法可以將三維模型以文件的形式上傳到服務器中，這種方法不僅可以減輕服務器數(shù)據(jù)庫的負擔，對后續(xù)模型的緩沖處理與傳輸也起到了一定的作用。系統(tǒng)采用skyline和DMap控件作為三維GIS的展示平臺，skyline平臺用于數(shù)據(jù)的展示、管理、查詢和漫游等功能，從全局和整體上展示隧道施工區(qū)域的地形、地貌、水系等地理環(huán)境，DMap控件在展示局部工區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、動態(tài)地模擬和展示施工進度等功能。業(yè)務邏輯層包含三維地質(zhì)展示、數(shù)據(jù)提交、量測功能、數(shù)據(jù)漫游功能、施工進度展示及三維數(shù)據(jù)管理都能功能。

圖1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

施工進度的展示與管理

施工進度的展示與管理分為三個步驟和一個下載策略，第一個步驟為數(shù)據(jù)的制作，第二個步驟為數(shù)據(jù)的錄入，第三個步驟為施工進度的模擬，下載策略則是專門針對海量三維模型批量下載的。

2.1 數(shù)據(jù)的制作

在開挖過程中，調(diào)查隧道周邊地質(zhì)是十分有必要的，施工方可根據(jù)地質(zhì)情況和圍巖等級調(diào)整施工步驟。為了全方位并直觀地了解隧道周邊地質(zhì)情況，系統(tǒng)利用地質(zhì)體建模軟件并根據(jù)隧道周圍的地質(zhì)調(diào)研數(shù)據(jù)和鉆孔構(gòu)建地質(zhì)模型，同時將地質(zhì)模型沿隧道挖開，如圖2。

圖2 地質(zhì)模型的制作

2.2 數(shù)據(jù)的錄入

數(shù)據(jù)的錄入包括地質(zhì)模型的錄入，隧道模型的錄入，施工進度的錄入，隧道中線線位的錄入等，這些數(shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 錄入數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

用戶表中設定了表的權(quán)限控制，定義了用戶的權(quán)限及用戶所在的部門，其他表中用戶的ID與此表中用戶ID對應，用于記錄表修改表的用戶信息。模型表用于存放錄入的模型信息，模型信息包括地質(zhì)模型、隧道模型或其他三維模型，當模型上傳時，模型表中將自動記錄模型的上傳時間，上傳人信息等，上傳人也可以添加模型的描述信息及備注信息。開挖工序表記錄了“三臺階七步開挖法”的七個工序，并把每個工序的截面信息記錄到開挖面數(shù)據(jù)中，如圖4，同時記錄截面數(shù)據(jù)的制作時間，更改時間及描述。工序開挖時間表記錄隧道開挖的工區(qū)，開挖時間，該時間內(nèi)開挖的起始里程和終止里程，線位信息和用戶信息等。線位表記錄了線位的起始里程和終止里程及線位上點的三維信息。模型屬性表配合模型表用于查詢模型的屬性信息，如三維地質(zhì)模型的地質(zhì)年代、某段隧道模型所用的鋼筋型號等，由于該表的信息量大，對表單的列信息不再一一列舉。

圖4 “三臺階七步開挖法”截面數(shù)據(jù)

2.3 施工進度模擬

施工進度模擬則根據(jù)時間從表中依次取出每個工序的開挖面數(shù)據(jù)、線位數(shù)據(jù)、開挖起始里程和終止里程，根據(jù)這些數(shù)據(jù)實時構(gòu)建三維模型并以動畫的形式顯示到三維模型中，用戶可以設定一幀動畫的時間跨度，系統(tǒng)則根據(jù)設定的時間跨度自動取數(shù)據(jù)并生成三維模型。其算法如下：

算法: SCHEDULE_SIMULATION(R,S)

輸入: R表示需要模擬的時間段，由最小值和最大值兩個值組成，S表示一幀動畫的時間跨度。

輸出:時間段R內(nèi)的施工進度三維模擬

取R時間段的最小值，并賦值給變量CurrentTime

while(CurrentTime在R范圍內(nèi))

then 從工序開挖時間表中取出符合T＞CurrentTime-S&&T<=CurrentTime條件的表單項，其中T表示開挖時

間，并存放到D中；

for(I in D) //對于D中的每一項

do 根據(jù)工序ID從開挖工序表中取得開挖面數(shù)據(jù)；

根據(jù)線位ID、開挖起始里程和開挖終止里程從線位表中取得線位數(shù)據(jù)；

根據(jù)線位數(shù)據(jù)和開挖面數(shù)據(jù)放樣三維模型；

替換原始模型并顯示到三維平臺中；

CurrentTime += S；

程序結(jié)束。

2.4 三維模型下載策略

在對三維地質(zhì)模型或隧道模型下載的時候，由于模型大、在線下載的時候?qū)⒄加么罅康木W(wǎng)絡資源，這將嚴重影響用戶的體驗。為了解決這個問題，可以通過以下策略。

對模型下載的優(yōu)先級進行編號，先下載模型小的、重要的數(shù)據(jù)。

啟用后臺多線程對模型下載。

對模型分區(qū)下載，用戶可以通過框選的形式選擇感興趣的區(qū)域，將該區(qū)域的三維模型下載下來。

利用空閑時間下載模型數(shù)據(jù)。

采用本地緩存的形式對模型下載，將已經(jīng)下載的數(shù)據(jù)緩沖到本地，并記錄模型創(chuàng)建時間，提示用戶下載最新數(shù)據(jù)。

對于策略1，可在模型表中加入優(yōu)先級字段，在模型下載時候，先按優(yōu)先級排序，在從列表中依次取出優(yōu)先級從高到低的模型下載到客戶端。對于策略2，在程序啟動的時候創(chuàng)建一個專門用于下載的線程，下載完畢后關閉該線程。對于策略3，記錄模型的地理坐標，用該坐標與用戶框選的坐標范圍比較，如果模型的地理坐標在范圍之內(nèi)則將模型加入下載隊列，否則不下載該模型。對于策略4，用戶可以自定義空閑時間，如晚上11點至次日凌晨5點為空閑時間，系統(tǒng)則在該時間段內(nèi)集中對模型進行下載。對于策略5，當將模型下載到本地的時候，將模型緩存到本地的某個文件夾中，并將模型的創(chuàng)建時間記錄到本地，當系統(tǒng)再次打開的時候，依據(jù)該時間來確定模型是否需要下載，如果本地時間與服務器時間不一致，則說明該模型有改動，提示用戶從服務器下載最新數(shù)據(jù)，這樣做可以避免重復下載同一個數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

本文利用三維GIS技術(shù)對隧道施工中常用的“三臺階七步開挖法”進行管理，避免了在施工過程中步驟繁多、步驟之間干擾大，施工組織麻煩等問題。在施工進度管理中，采用動畫的形式形象地展示了“三臺階七步開挖法”各個工序的施工進度。施工人員可根據(jù)現(xiàn)場情況通過網(wǎng)絡快速反饋信息，設計人員能夠方便地根據(jù)GIS平臺提供的數(shù)據(jù)及施工反饋信息進行各種調(diào)整，簡單而方便地設計各種施工方案。