三維GIS技術(shù)在三臺(tái)階七步開(kāi)挖法隧道工程進(jìn)度管理中的應(yīng)用

趙 龍 趙亮亮

(中鐵二院測(cè)繪工程設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610031)

1 概述

“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”是一種以弧形導(dǎo)坑開(kāi)挖預(yù)留核心土為基本模式，分上、中、下三個(gè)臺(tái)階，七個(gè)開(kāi)挖面，各部位的開(kāi)挖與支護(hù)沿隧道縱向錯(cuò)開(kāi)，平行推進(jìn)的隧道開(kāi)挖方法［1］。該方法對(duì)復(fù)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［2］。但施工過(guò)程中步驟復(fù)雜［3］，各個(gè)工序之間交叉干擾大［4］，增加了隧道進(jìn)度管理、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面的難度，使得施工單位和設(shè)計(jì)單位都難以接受。

為此，很多學(xué)者與專家也都提出了一些方法與建議，如湯憲高［5］提出以“專業(yè)化、機(jī)械化、工廠化、信息化”為手段，推行隧道標(biāo)準(zhǔn)化管理，突破隧道施工的管理瓶頸等方法，來(lái)促進(jìn)安全、質(zhì)量、效益滑坡等問(wèn)題的解決。董寧［6］等總結(jié)了各類開(kāi)挖方法適用的條件及其技術(shù)要點(diǎn)。張小明［7］則介紹了大斷面堆積體隧道進(jìn)洞的施工方案，分析了大斷面堆積體進(jìn)度的具體步驟，得出了隧道安全施工的方法。孫晉鋒［8］根據(jù)黃土的特質(zhì)，結(jié)合工程實(shí)例闡述了隧道開(kāi)工前與施工過(guò)程中重大風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別的方法。

以上方法從不同角度解決了隧道工程管理中的問(wèn)題，但對(duì)隧道施工過(guò)程中的綜合展示、管理、查詢與分析提及較少，對(duì)施工進(jìn)度的遠(yuǎn)程管理與動(dòng)態(tài)仿真預(yù)演并未提及。

提出一種基于三維GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)的隧道工程進(jìn)度管理方法，將GIS與隧道工程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和三維技術(shù)，將地質(zhì)、測(cè)繪、環(huán)評(píng)等多種數(shù)據(jù)有機(jī)地組合到一起，同時(shí)提供數(shù)據(jù)的分布存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和三維展示等功能，輔助地質(zhì)專家開(kāi)展隧道設(shè)計(jì)、調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面的工作。

2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

圖1展示了整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，它分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、三維GIS平臺(tái)與業(yè)務(wù)邏輯層等四個(gè)部分。其中數(shù)據(jù)層包括測(cè)繪、環(huán)評(píng)、地質(zhì)、隧道施工進(jìn)度和三維模型屬性數(shù)據(jù)等，測(cè)繪、環(huán)評(píng)和地質(zhì)數(shù)據(jù)用于三維GIS平臺(tái)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(jìn)度數(shù)據(jù)用于以動(dòng)畫(huà)的形式模擬或預(yù)演隧道施工進(jìn)度情況，3D模型屬性數(shù)據(jù)則用于數(shù)據(jù)的查詢，關(guān)聯(lián)與修改等功能。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層提供必要的網(wǎng)絡(luò)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;三維模型文件有數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)傳輸慢的問(wèn)題，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中會(huì)加重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，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(wù)器中，這種方法不僅可以減輕服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的負(fù)擔(dān)，對(duì)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(tái)，skyline平臺(tái)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控件可展示局部工區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)模擬和展示施工進(jìn)度。

業(yè)務(wù)邏輯層包含三維地質(zhì)展示、數(shù)據(jù)提交、量測(cè)功能、數(shù)據(jù)漫游功能、施工進(jìn)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)

3 施工進(jìn)度的展示與管理

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

3.1 數(shù)據(jù)的制作

在開(kāi)挖過(guò)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(jí)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?chē)牡刭|(zhì)調(diào)研數(shù)據(jù)和鉆孔構(gòu)建地質(zhì)模型，同時(shí)將地質(zhì)模型沿隧道挖開(kāi)，如圖2。

3.2 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(jìn)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2 地質(zhì)模型的制作

用戶表中設(shè)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(mén)，其他表中用戶的ID與此表中用戶ID對(duì)應(yīng)，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(dāng)模型上傳時(shí)，模型表中將自動(dòng)記錄模型的上傳時(shí)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(kāi)挖工序表記錄了“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”的七個(gè)工序，并把每個(gè)工序的截面信息記錄到開(kāi)挖面數(shù)據(jù)中(如圖4)，同時(shí)記錄截面數(shù)據(jù)的制作時(shí)間，更改時(shí)間及描述。工序開(kāi)挖時(shí)間表記錄隧道開(kāi)挖的工區(qū)，開(kāi)挖時(shí)間，該時(shí)間內(nèi)開(kāi)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(diǎn)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(hào)等。該表的信息量較大，對(duì)表單的列信息不再一一列舉。

圖3 錄入數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

圖4 “三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”截面數(shù)據(jù)

3.3 施工進(jìn)度模擬

施工進(jìn)度模擬則根據(jù)時(shí)間從表中依次取出每個(gè)工序的開(kāi)挖面數(shù)據(jù)、線位數(shù)據(jù)、開(kāi)挖起始里程和終止里程，根據(jù)這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)構(gòu)建三維模型并以動(dòng)畫(huà)的形式顯示到三維模型中，用戶可以設(shè)定一幀動(dòng)畫(huà)的時(shí)間跨度，系統(tǒng)則根據(jù)設(shè)定的時(shí)間跨度自動(dòng)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(shí)間段，由最小值和最大值兩個(gè)值組成，S表示一幀動(dòng)畫(huà)的時(shí)間跨度。

輸出:時(shí)間段R內(nèi)的施工進(jìn)度三維模擬

1．取R時(shí)間段的最小值，并賦值給變量Current-Time

2．while(CurrentTime在R范圍內(nèi))

3．then從工序開(kāi)挖時(shí)間表中取出符合T＞CurrentTime－S＆＆T＜=CurrentTime條件的表單項(xiàng)，其中T表示開(kāi)挖時(shí)間，并存放到D中;

4．for(I in D)//對(duì)于D中的每一項(xiàng)

5．do根據(jù)工序ID從開(kāi)挖工序表中取得開(kāi)挖面數(shù)據(jù);

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

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

8．替換原始模型并顯示到三維平臺(tái)中;

9．CurrentTime+=S;

10．程序結(jié)束。

3.4 三維模型下載策略

由于模型很大，在線下載的時(shí)候?qū)⒄加么罅康木W(wǎng)絡(luò)資源，嚴(yán)重影響用戶的體驗(yàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以通過(guò)以下策略:

①對(duì)模型下載的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行編號(hào)，先下載模型小的、重要的數(shù)據(jù)。

②啟用后臺(tái)多線程對(duì)模型下載。

③對(duì)模型分區(qū)下載，用戶可以通過(guò)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(lái)。

④利用空閑時(shí)間下載模型數(shù)據(jù)。

⑤采用本地緩存的形式下載，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(shí)間，提示用戶下載最新數(shù)據(jù)。

對(duì)于策略1，可在模型表中加入優(yōu)先級(jí)字段，在模型下載時(shí)候，先按優(yōu)先級(jí)排序，在從列表中依次取出優(yōu)先級(jí)從高到低的模型下載到客戶端。對(duì)于策略2，在程序啟動(dòng)的時(shí)候創(chuàng)建一個(gè)專門(mén)用于下載的線程，下載完畢后關(guān)閉該線程。對(duì)于策略3，記錄模型的地理坐標(biāo)，用該坐標(biāo)與用戶框選的坐標(biāo)范圍比較，如果模型的地理坐標(biāo)在范圍之內(nèi)則將模型加入下載隊(duì)列，否則不下載該模型。對(duì)于策略4，用戶可以自定義空閑時(shí)間，如晚上11點(diǎn)至次日凌晨5點(diǎn)為空閑時(shí)間，系統(tǒng)則在該時(shí)間段內(nèi)集中對(duì)模型進(jìn)行下載。對(duì)于策略5，當(dāng)將模型下載到本地的時(shí)候，將模型緩存到本地的某個(gè)文件夾中，并將模型的創(chuàng)建時(shí)間記錄到本地，當(dāng)系統(tǒng)再次打開(kāi)的時(shí)候，依據(jù)該時(shí)間來(lái)確定模型是否需要下載;如果本地時(shí)間與服務(wù)器時(shí)間不一致，則說(shuō)明該模型有改動(dòng)，提示用戶從服務(wù)器下載最新數(shù)據(jù)，這樣做可以避免重復(fù)下載同一個(gè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用三維GIS技術(shù)對(duì)隧道施工中常用的“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”進(jìn)行管理，避免了在施工過(guò)程中步驟繁多、步驟之間干擾大、施工組織麻煩等問(wèn)題。在施工進(jìn)度管理中，采用動(dòng)畫(huà)的形式形象地展示了“三臺(tái)階七步開(kāi)挖法”各個(gè)工序的施工進(jìn)度，施工人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)網(wǎng)絡(luò)快速反饋信息，設(shè)計(jì)人員能夠方便地根據(jù)GIS平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)及施工反饋信息進(jìn)行各種調(diào)整，簡(jiǎn)單而方便地設(shè)計(jì)各種施工方案。

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