鐵路隧道洞口三維設計系統研究與實現

何守旺

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

近年來，隨著我國鐵路建設的快速發展，隧道工程也在快速增加，已成為鐵路工程建設的重中之重。隧道洞口工程是隧道工程的重要組成部分，屬于主體工程。隧道洞口段一般埋深淺、風化程度深、巖體破碎、穩定性差等，易誘發滑坡、偏壓、坍塌等事故，施工難度和風險較大，是整個隧道的薄弱環節，直接關系到隧道的安全進洞及今后運營安全，故隧道洞口工程設計在隧道設計中就顯得尤為重要[1]。隧道洞口工程設計內容主要包括：洞口位置確定、洞門類型選擇、洞口開挖土石方計算、洞門設計[2]。目前，西寧至成都鐵路、蘭州至合作鐵路等項目隧道工程占比高，且長大隧道多、海拔高、施工條件差、地質條件復雜。對于隧道洞口工程設計，若采用人工分析、CAD繪圖、綜合判識的傳統設計方式，需耗費大量工作時間與精力，專業設計人員勞動強度非常大。隨著鐵路勘察設計任務的大量增加，隧道專業設計人員工作任務超負荷，迫切希望能有新手段或新方法來提高隧道洞口工程的設計效率和設計質量。

在隧道洞口設計軟件研發方面，國內已有設計院和科研院校開展了相關研發工作。王新林等[3]研發鐵路隧道工程輔助設計系統包含洞門設計子系統，實現端墻式、翼墻式、臺階式及新型切削式隧道洞門設計，能夠生成二維圖紙；李懷鑒等[4]研發隧道結構輔助設計系統通過與CAD地形圖形交互計算洞口主要工程數量，最終形成隧道工點圖；李進貴[5]開展了公路隧道端墻式洞門輔助設計研究，以參數化的技術進行了端墻式隧道洞門輔助設計；胡煒等[6]基于Visual Basic平臺，開發了基于極限狀態法的隧道洞門結構計算軟件，實現了洞門結構5種極限狀態的可靠度指標和承載力極限狀態的快速計算功能；閆智[7]在Microstation平臺上，利用BIM技術對隧道洞門輔助設計方法進行了探究，在三維地模的基礎上，完成端墻式隧道洞門參數化設計與仰坡設計；黃琦茗等[8]研究了帽檐斜切式洞門參數化建模，并利用MicroStation的開發工具MVBA進行二次開發，研發創建帽檐斜切式洞門模型的程序。上述研究多是針對洞口工程的單一設計內容進行研發，涉及洞口地模創建、洞門二維參數化出圖、端墻式隧道洞門三維設計、洞口仿真模擬等，尚未有覆蓋洞口位置確定、洞門類型選擇、洞門設計等內容的系統性、集成性軟件研發。目前，隨著BIM技術在鐵路工程中的廣泛應用，利用BIM技術進行隧道洞口工程設計與研發已是行業共識[9-12]。

AutoCAD Civil 3D是Autodesk針對土木工程行業的BIM設計平臺，它可以創建精確的三維數字地形模型，設計各種路線及縱斷面，生成道路模型并計算土方量等，且具有開放的體系結構，提供COM API、.NET API和CustomDraw API，允許用戶根據自己的專業特點，進行定制開發。根據隧道專業的業務需求，提出利用BIM技術，通過對構建系統的關鍵技術進行研究，并對系統進行整體架構設計和關鍵模塊設計，在AutoCAD Civil 3D平臺上，利用其.NET API二次開發接口，開發鐵路隧道洞口三維設計系統。

1 關鍵技術研究

1.1 三維數字地形建立技術

三維數字地形模型的建立是開展洞口三維設計的基礎，在AutoCAD Civil 3D中，將三維數字地形稱之為“曲面”，包括三角網曲面、柵格曲面、三角網體量曲面、柵格體量曲面，其中，三角網曲面使用不規則分布的采樣數據來映射復雜多變的曲面，以表示河流、道路和湖泊的影響，較適合隧道洞口設計的應用。在設計過程中，洞口處地形數據一般是航測專業提供的1∶500或1∶1 000的dwg地形圖，包含主次等高線、道路、標簽、地質、地物、管網、隧道中心線等一系列信息。利用洞口處dwg地形圖創建三維地形曲面，需對dwg地形圖進行預處理與識別處理，包括：①清除掉圖形中的重復項、短對象、零長度對象等；②將表示等高線的樣條曲線轉換為多段線；③圖層過濾，把無用的圖層關閉，一般情況下只保留主等高線圖層、次等高線圖層，陡坎土層、隧道中線圖層等；④等高線三維坐標提取，通過把曲線化后的等高線進行等距分段，然后將分段點坐標提取出來作為高程點；⑤對測量點及其他帶有高程信息的AutoCAD圖形對象進行識別，以基于基點進行解析，為曲面添加特定點數據；⑥對地形特征線(如山脊線、山谷線、垂直的陡壁等)的識別，通過過濾，為曲面添加“特征線”類別。圖1為洞口處由dwg地形圖生成三維地形曲面模型。

圖1 洞口處dwg地形圖生成三維地形曲面

1.2 隧道洞門參數化建模技術

傳統鐵路隧道洞門形式包括端墻式、翼墻式、耳墻式、臺階式、柱式，為實現隧道洞門參數化建模，需根據各洞門形式的結構特點，進行組成構件的分析與拆分，并對各個組成構件進行參數化設計，以此完成洞門的參數化建模。在AutoCAD Civil 3D中，“廊道”是其核心概念，指具有路線水平幾何特性、縱斷面垂直幾何特性及橫斷面幾何特性的三維帶狀模型，且橫斷面是裝配式的，利用這種裝配式原理，可根據實際工程的需要，設計出任何土木工程中的帶狀物，如鐵路、公路、城市道路、地鐵、橋梁、隧道、擋土墻、水渠、大壩、管線、護坡、綠化帶等。為此，可利用“廊道”功能來實現隧道洞門參數化建模，包括：①根據不同的洞門形式，分析與拆分其組成構件，形成最小的設計部件，并以參數化方式對部件幾何造型進行設計；②定義或計算這些構件的邏輯對象，包括基準線、定位線及縱斷面；③設計裝配與部件附著方式，并根據洞門形式的組成約束，組裝各個構件，構建出隧道洞門的三維實體。如翼墻式隧道洞門，其組成構件包括：洞口襯砌、端墻、端墻頂水溝、翼墻墻身、翼墻基礎、翼墻頂水溝、頂帽。根據每個構件的幾何造型進行參數化設計，需考慮以下屬性：基本屬性(圖層、顏色、樣式等)、幾何屬性、材料屬性，表1為最終的翼墻式隧道洞門設計參數。根據工程實際，定義構件的邏輯對象，翼墻需考慮與路塹邊坡、端墻、頂帽的關聯，因此，邏輯對象包括端墻頂水溝高度、基礎高度和定位線偏移。最后，以洞口位置為基點，將各個構件組裝到一起，完成翼墻式隧道洞門三維設計，如圖2所示。

表1 翼墻式隧道洞門設計參數

圖2 翼墻式隧道洞門模型

1.3 自定義部件

部件是構成“廊道”橫斷面的基本單元，有“點”、“連接”、“造型”3種幾何單元組成，通過幾何單元生成“廊道”的線、曲面和結構體，即沿著中心線進行縱向延伸，“點”生成要素線，“連接”生成曲面，“造型”生成縱向空間結構體。在AutoCAD Civil 3D 中，自定義部件的方式包括：①從polyline線直接創建部件；②使用部件編輯器以可視化方式創建部件；③使用C#語言編程設計部件。其中，第一種方式是無法實現參數化，適用于形狀固定的對象，后兩種方式可實現參數化，適用于形狀需要參數驅動的對象，其中，部件編輯器以可視化、圖形交互方式定義部件，使用直觀，但該方式在邏輯判斷中無法支撐循環條件，如無法處理多級邊坡，而C#語言編程設計部件可處理各種情況，但對設計者要求過高，需會編程。為實現隧道洞門形式的參數化設計，在系統研發中，采用部件編輯器與C#語言編程設計部件相結合的方式來實現自定義部件。一般按照以下步驟自定義部件：①規劃與分析，對部件幾何造型、應用目的及設計操作中如何使用部件進行規劃與分析；②創建設計文檔，主要描述部件的附著方式、參數、運行時邏輯指定、行為、代碼方案等；③以部件編輯器或者編程的方式實現。圖3、圖4為部件編輯器定義的翼墻部件與翼墻部件裝配圖。

圖3 部件編輯器定義的翼墻部件

圖4 翼墻裝配示意

1.4 洞口位置確定

隧道洞口位置的確定直接關系到隧道走向、長度和地層好壞等，因此，必須通過對地形、工程地質和水文地質的勘探與調繪，綜合考慮環境保護要求、施工安全、洞口相關工程的技術要求等因素，并通過工程經驗和工程類比來確定[13]。在洞口位置確定過程中，對于常規地形，最重要的一項工作就是計算邊坡、仰坡的開挖最大高度。通常情況下，需經過以下幾步：①初步假定一個洞口位置，包括進口或出口里程、高程；②拾取或設定洞門相關信息，如邊坡坡率、仰坡坡率、仰坡起坡位置、洞門頂水溝底面線等；③設置斷面間距、邊坡仰坡拐角斷面數量等參數，布設批量控制斷面；④創建采樣線，計算采樣線與地形交點，從而提取地形斷面數據，并繪制地形斷面；⑤計算邊坡與仰坡的開挖高度，確定最大開挖高度；⑥判斷計算結果是否符合規范規定和滿足設計要求，若不符合，需前移或后退一定距離。重復上述步驟，直到符合規范規定和滿足設計要求為止[14-16]。洞口位置確定是一個反復迭代的過程，這個迭代過程的直接影響就是洞口位置的假定值變化，布設的控制斷面、采樣線、地形斷面、邊坡與仰坡開挖高度計算、開挖輪廓繪制工作都需重新來做。鐵路隧道洞口位置確定流程見圖5。

圖5 鐵路隧道洞口位置確定流程

2 鐵路隧道洞口三維設計系統設計與實現

2.1 系統研發目標

根據鐵路隧道洞口工程設計的業務需求，在AutoCAD Civil 3D平臺上，應用BIM技術，建立隧道洞口處三維地形模型和洞門參數化設計模型，采用三維動態設計，通過對隧道線路中線與選擇的等高線集相對關系判斷、洞口邊仰坡計算、邊仰坡最大開挖高度計算，判定洞口地形類型，實現洞門類型選擇和洞口位置確定，從而實現隧道洞口工程設計流程化、程序化，以此提高設計效率與質量。

2.2 系統架構設計

根據用戶特點和業務需求，系統采用分層架構設計，其體系結構由數據層、業務邏輯層和表示層組成，如圖6所示。

(1)表示層：為用戶提供操作界面，呈現形式包括菜單、工具條、對話框、面板等，使得用戶與系統更好地交互。

(2)業務邏輯層：主要實現業務規則的制定與業務流程的實現，對應系統的各個核心功能模塊，如洞門類型選擇、洞口位置確定、洞門設計等。一些業務實體操作可直接調用Civil 3D API來實現，對于不能調用Civil 3D直接操作的實體，可調用底層AutoCAD.NET API來實現。

(3)數據層：支持專業工程數據庫、文本文件、INI文件、dwg圖形文件及Excel格式文件，提供永久數據支持，其功能主要是實現對SQL Server數據庫的訪問，以及對dwg、Excel等文件的讀寫操作。

圖6 系統架構

2.3 系統模塊設計

采用模塊化、面向對象的設計方法，通過合理劃分模塊與設計對象粒度大小，將系統分成多個相對獨立的功能模塊[17]。鐵路隧道洞口三維設計系統主要有隧道洞口數字地形創建、洞門類型選擇、洞口位置確定、隧道洞門三維設計等模塊組成，系統組成如圖7所示。

圖7 鐵路隧道洞口三維設計系統組成

系統的主要功能如下。

①項目管理及初始化：完成建設項目創建、洞門工程創建、選擇洞口進出口、指定洞口航測地形平面圖文件及打開洞口工程。②洞口數字地形建立：在航測洞口地形平面圖基礎上，通過對地形文件進行識別分析，獲取主要等高線與次要等高線信息，使用創建曲面命令，設置曲面名稱、描述及樣式，并最終建立隧道洞口數字地形。③洞門類型選擇：依據隧道洞門類型確定約束條件，完成對選擇的等高線集與線路中心線相對關系判斷、洞門處左右特定距離點的邊坡，洞門處前后特定距離點的仰坡計算，同時按照預定參數判斷洞門處地形類型，最終根據常見洞門類型適用條件，推薦符合隧道洞口處實際情況的洞門類型。④洞口位置確定：設置邊坡坡率、仰坡坡率及洞口允許開挖高度等設計信息，在隧道洞口處三維地形模型的基礎上，通過構建洞口位置迭代約束模型，完成隧道洞口位置的確定。⑤洞門三維設計：完成傳統形式的隧道洞門三維設計，包括組成構件設計、組裝、三維模型生成、模型瀏覽、計算體積、輸出結果、生成設計圖、模型更新、模型刪除、模擬駕駛。⑥洞身構筑物識別：實現洞身構筑物的三維模型生成，包括對內外輪廓、洞身溝槽身、水溝電纜槽、蓋板、仰拱填充、道床底板等組成構件的識別生成、組裝及三維模型生成。

2.4 系統實現

在AutoCAD Civil 3D平臺上，采用Visual Studio作為開發工具，利用AutoCAD Civil 3D.NET二次開發接口[18-20]，用C#語言進行系統開發，后臺數據庫采用SQL Server2008。

3 系統主要特點

鐵路隧道洞口三維設計系統用于現行鐵路隧道規范下的鐵路隧道洞口工程設計，該系統具有以下優勢與特點。

①在AutoCAD Civil 3D平臺上，應用BIM技術，通過.NET API二次開發接口，構建鐵路隧道洞口三維設計系統。②通過對隧道線路中線與選擇的等高線集相對關系判斷、洞口邊坡仰坡計算，判定洞口地形類型，按確定的約束關系，實現洞門類型選擇。通過設置批量斷面，在洞口位置迭代約束模型的基礎上，完成邊坡仰坡最大開挖高度計算和洞口位置確定。③利用AutoCAD Civil 3D中的“廊道”功能，采用部件編輯器與C#語言編程設計部件相結合的方式來實現自定義部件，實現了隧道洞門參數化設計。

4 系統應用

系統完成后，進行了用戶測試，并根據專業測試反饋意見優化與完善系統，并在西寧至成都鐵路、蘭州至合作鐵路的郎木寺隧道、隆務三號隧道、瓦勒塔隧道、大鹽溝隧道、黃家嶺隧道等工點設計中進行了應用，以大鹽溝隧道合作端洞口為例闡述系統的使用過程。①利用1:500洞口處dwg地形圖文件，通過識別處理，獲取主要等高線與次要等高線信息，創建隧道洞口處數字地形模型。②根據線路平、豎曲線要素信息，創建線路對象，然后通過布置批量控制斷面(圖8)，計算地面自然坡面與設計刷坡面的交線，形成控制縱斷面，并獲取邊仰坡的開挖高度(圖9)，多次迭代，最終確定洞口位置。③設置洞門類型判斷設計參數(圖10)，系統可完成洞口處地形判斷、對選擇的等高線集與線路中心線相對關系判斷、洞門處左右特定距離點的邊坡，洞門處前后特定距離點的仰坡計算，根據洞門類型適用條件，推薦洞門類型為翼墻式。④輸入翼墻式隧道洞門設計參數，生成三維模型與設計圖(圖11)。使用過程中，運行穩定、使用方便、成果滿足規范要求，提高了設計效率和質量。

圖8 布置斷面輸入界面

圖9 邊仰坡開挖高度計算結果

圖10 洞門類型判斷設計參數

圖11 翼墻式隧道洞門三維設計

5 結語

根據工程實際與業務需求，在AutoCAD Civil 3D平臺上，研發鐵路隧道洞口三維設計系統，實現了三維設計環境下隧道洞口數字地形建立、洞門結構形式選擇、洞口位置確定以及隧道洞門三維設計。通過在西寧至成都鐵路、蘭州至合作鐵路等項目隧道設計中的使用，檢驗了系統的正確性與適用性。工程應用表明，該系統符合隧道專業設計需求，能夠提高隧道洞口工程設計效率和質量。

目前，該系統對涉及的一些復雜、特殊工況尚不能處理，系統自動化程度仍有提升空間。下一步擴展斜切式、倒切式等洞門形式的三維設計，對于復雜地形、洞口位置不能依據單一的開挖高度進行確定的情形進行深入研究，不斷完善與優化系統，進一步提高系統的適用性。