隧道施工4D可視化監測系統的開發

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

隨著我國城市化進程的快速推進，大力開發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代城市發展的必由之路。目前我國許多城市在進行地下空間開發時出現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，使得隧道設計和施工存在很大風險。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測技術已成為反饋圍巖和結構動態變化、優化支護參數、保證施工安全的重要手段。如何對監測得到的大量數據進行及時快速地直觀顯示和處理分析是進行工程決策的前提，是數據庫在監測領域應用的一個發展方向［1］。

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

因此，有必要結合相關工程開發隧道4D監測系統，即與施工工況相結合的隧道三維可視化監測系統，從而體現監測的時空效應。結合紅旗河溝車站隧道工程，開發的4D監測系統可以將監測數據與施工工況結合起來，能快速、直觀、可視化地表達施工工況與監測點的歷時數據，從而有利于工程的動態管理與決策。

1 隧道4D監測系統

1.1 4D理論

4D最初是由美國斯坦福大學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度關聯在一起，實現了一種可視化的施工順序表現方法，10多年來，其研究與應用得到了較快的發展［6-10］。4D監測技術就是在建設工程結構物及監測點的計算機三維空間模型上附加時間因素，并將該結構物及監測點的計算機三維空間模型隨時間的變化過程以動態形式表現出來。

1.2 隧道4D監測系統

隧道4D監測技術是與隧道開挖工況相結合的三維模型顯示監測技術，通過計算機技術(采用OpenGL技術)，實現隧道開挖工況的參數化模擬。能通過此圖形直觀地表達出隧道及周邊環境各監測點隨開挖工況變化的數據歷時情況，體現了數據的時空效應，方便了對監測數據的分析，進而判定與反饋隧道的安全狀態，從而指導隧道施工。

隧道4D監測系統是基于Visual Studio 2008和Open CASCADE平臺開發的一套監測系統。Open CASCADE是法國MDTV(Matra Datavision)公司開發的開源CAD/CAM軟件平臺。Open CASCADE提供二維和三維幾何體的創建、顯示和分析，主要用來開發二維和三維幾何建模，包括通用的或專用的CAD系統、制造或分析領域的應用軟件、仿真軟件或圖形演示工具。

開發的隧道4D監測系統主要有4個功能:1)隧道及周圍環境三維模型的建立;2)隧道三維可視化開挖及襯砌模擬;3)隧道及周圍環境監測點的建立;4)監測數據的錄入、預警及預測分析。

2 監測系統的構成

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監測系統的構成。

2.1 隧道及周圍環境三維模型的建立

根據相關設計文件及圖紙，通過系統輸入隧道的相關參數，如隧道起止里程、走向、坡度、曲率、高程、斷面形態(通過CAD的DXF文件導入)等，如圖1所示。通過輸入相關紅旗河溝車站隧道的參數，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上輸入周邊環境的相關信息，如相對位置關系、建筑物大小等，如圖3所示。由此建立隧道及周邊環境的三維模型，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境三維模型后，就可以進行隧道的開挖模擬。首先，導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 隧道及周圍環境監測點的建立

2.3.1 隧道監測點三維模型的建立

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

2.3.2 隧道周邊環境監測點三維模型的建立

在地面及建筑物上布置相關測點，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中監測點的累計值數據可以通過互聯網與遠程數據庫連接，實現實時查詢，方便用戶的查看與分析，登陸遠程數據庫就可以對任一測點進行監測數據查詢，如圖13所示。

2.4 監測數據的錄入、預警及預測分析

該模塊實現測點與基于互聯網的遠程數據庫連接。通過輸入正確的賬戶名和密碼登陸數據庫，可讀取監測點的測量數據從而形成歷時曲線，并通過相關數學方法(動態方程、時間序列或神經網絡等)進行測點數據的預測，從而預警隧道施工中的安全問題，最后反饋和指導施工。圖14為紅旗河溝車站隧道SK13+420斷面拱頂下沉曲線圖，并采用神經網絡進行了數據的預測。

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

3 結論與討論

4D監測技術在建設領域是現今的前沿技術，本文通過對重慶軌道交通三號線紅旗河溝車站隧道進行4D監測技術的開發與應用，實現了監測數據與施工工況的結合，體現了數據的時空效應，方便了監測數據的分析，進而反饋數據和指導施工。整個系統是基于Visual Studio 2008和Open CASCADE平臺開發的，實現了隧道工況與監測數據的三維可視化動態表達，并結合了互聯網的測量數據管理與分析技術，是全新的4D隧道監測系統。

目前本系統只能通過人工進行各監測點數據的輸入，還達不到自動化監測的要求。今后須在測點數據自動化采集的基礎上與本系統相關聯，開發出具有監測數據自動上傳和更新功能的系統，以實現遠程自動化隧道4D監測。

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