論巖土三維勘察設計系統在地鐵工程中的運用

陳小軍 熊 偉

中國葛洲壩集團股份有限公司勘測設計院

前言

地鐵工程作為現階段我國社會基礎建設工作中重要的項目構成，其對于三維勘察設計這一技術的應用，可以對提升地鐵工程設計水平和施工建設質量提供極大的幫助。

1 系統組成架構

基于三維設計主平臺MicroStation 提供工程各類數據的三維可視化、動態展示、空間屬性計算、超限預警等分析手段，以及開發GeoStation 的成功經驗，2013 年啟動了系統研發，經過長期調研和開發，研制出巖土三維勘察設計系統——GeoStationforCity。該系統主要由數據管理、三維建模與分析、輔助繪圖、查詢統計、計算分析等模塊構成。

2 設計系統的應用功能

隨著計算機技術在各行業領域中應用范圍的擴大，融合了計算機輔助設計和地理信息系統、圖像處理、圖形學、計算機網絡、數據庫等相關技術于一身的三維技術也開始受到了各界人士的廣泛關注，開始從不同方面入手，對三維技術展開有效應用。

2.1 地層建設模型由剖面轉為三維

就三維設計系統來看，其是按照已經得到的巖土工程數據、建構筑物數據、地理數據、工程分析數據等，在研究區域內完成對多維數據的管理和柱狀圖顯示、三維空間中幾何與力學分析等其他系統功能的研究。因此，對三維設計系統的有效應用，可以在地鐵工程施工過程中實現三維鉆孔柱狀顯示和查詢、二維地質剖面圖生成、三維地質建模和剖切、人工交互編輯、實時推進等一些基本分析功能。此外，三維設計系統本身還能夠旋轉、放大觀察角度，對觀察角度的光源進行有效控制，這些圖形類功能，也是該系統的基礎性功能。

2.2 建筑物建模功能

伴隨地鐵工程項目逐漸朝著更深層的地下空間不斷發展，地質勘察行業在發展期間需要面對的淺層和深層地下環境也變得更加的復雜。因此，在施工建設的過程中如何對地下和地上已經建設完成、或者是正在建設和規劃過程中的各種類型的建筑物之間的關系進行有效的調節，已經成為當前勘察行業在發展過程中必須要提高發展日程之上的內容。三維設計系統具有的建筑物建模功能，可以幫助工程設計人員按照已有的工程設計文件和設計圖紙，生成包括地上和地下住宅、管線、基坑、隧道等所有建筑物的建構模型，是工程施工人員對整個工程項目建設設計的認知度得到極大的提升。

2.3 地下與地上的一體化建模

從本質上來看，地鐵工程的規劃、地質勘察、工程設計、施工建設、運營維護等工作是一項以地下與地上空間作為主要研究對象的系統性工程項目，所以，將項目中的相關工作有機融合到以期，對于地鐵工程在規劃施工過程中對資源的可持續利用可以起到極大的幫助。而三維設計系統的存在，不僅可以完善工程設計圖紙和文件中的各項內容，還可以在整個工程中作為一個承上啟下的節點，將工程的規劃和設計期間存在的相關信息數據，以一體化的方式表達出來，為后續相關工作的進行提供便利。

2.4 數據管理查詢和數值分析

設計系統在地鐵工程中的應用，可以為施工人員查詢鉆孔、地層、建筑物等信息提供一定的便利性，及時便捷的為負責地鐵工程施工工作的工程師提供有效的數據信息保障，以此來為相關人員管理地鐵工程提供便利性，方便相關人員建立相應的施工模式。與此同時，對地鐵工程項目來講，數值分析在工程施工建設期間應用的范圍相對較為廣泛，且分析期間部分軟件在處理復雜建模方面的功能比較弱，特別是在命令流驅動方式時，會讓工程師望而生畏。而三維設計系統的應用，不僅具備十分強大的軟件前期處理功能，完成有設計圖到構筑物的建模工作，還可以直接生成可以供工程師來計算的工程結構模型，為數值分析工作的進行奠定良好的基礎。

2.5 隧道開挖期間引發的三維沉降

地鐵工程中隧道環節的施工是一個動態的施工過程，不僅涉及建筑物布置、施工場地布置等信息，還會將施工期間實時管理、施工組織等動態的工程施工邏輯關系展現出來。此外，因為地鐵工程受到周邊建筑物沉降、施工現場地形變化等其他實時變量的影響，所以需要借助三維設計系統來構建能夠反映工程時空信息的三維數字模型。

3 巖土三維勘察設計系統在地鐵工程中的應用實例

在社會經濟不斷發展的今天，北京市地鐵隧道的建設數量和類型也在不斷的增多。就北京市來看，其大部分地鐵隧道深度都處在第四級沉積層可以影響的范圍之內，在施工期間，暗挖法、明挖法等施工方法的選擇、對整個施工過程的控制力度等，都需要全面考慮地鐵工程所在范圍內土性、地下水的埋深、密實度、富水條件、含水層的巖性等自然環境，以及工程建設現場周邊環境情況等，以此來確保工程設計方案能夠從因地制宜的角度出發，設計圖紙可以得到極大的優化，從而提升施工工作的安全性。擬建于北京地鐵的某段線路的施工環境處于北京市的西部，整體呈現出南北的走向，線路主要區域分布在海淀區和豐臺區，整體長度在十六點四千米。整個地鐵線路都屬于地下線，線路上共設有十四座車站，且全部都屬于地下車站。就該地鐵工程來看，因為其本身縱橫比例的差距較大，從整個研究區域上來看，該工程屬于線狀工程的類別，這使得其在表現方法上同小尺度的地鐵工程之間存在較大的差異性。因此，該項地鐵工程三維設計系統的構建側重于從宏觀上表現相對的空間位置、整體空間和局部空間之間的關系、構建三維工程對象、地下與地上關系匹配、地名、里程號、地鐵線路表示、區域位置等。

4 結束語

綜上所述，將三維勘察這種設計系統應用到現階段地鐵工程項目施工建設中，可以說是推動社會經濟發展的必經之路。因此，勘察設計單位在使用三維勘察設計時，需要根據以往生產習慣，在企業發展現狀和業務能力的基礎上，從設計系統系統中獲取到勘察數據和設計信息，以此來實現三維工程對象和三維地層間的耦合，從而達到的提升巖土工程設計水平和施工水平的目的。

[1]魏志云，王國光，卓勝豪，等.巖土三維勘察設計系統在地鐵工程中的應用[J].中國交通信息化，2016(07)：133－136.

[2]王國光，徐震，張春生.地質三維勘察設計系統中模型自動更新方法與實現[J].水力發電，2014，(8)：37-41.