CAD 在隧道變形監測中的應用

張瑞鵬 ZHANG Rui-peng；吳夢瑤 WU Meng-yao

（①西安鐵路職業技術學院，西安 710600；②陜西鐵路工程職業技術學院，渭南 714000）

0 引言

隨著我國交通事業的迅速發展，各類交通基礎施設建設日新月異，公路、鐵路等重大工程向西部地區延伸，由于西部地區地勢原因，隧道工程的數量呈持續上升狀態。在隧道工程施工過程中，隧道變形監測是確保隧道施工質量的重要手段。三維激光掃描技術近幾年的迅速發展，以及其所具有的測量速度快，精度高，可三維表達被測物體，抗干擾強等特點，被廣泛應用于實際工程中，包括橋梁工程、隧道工程、邊坡工程等。羅朗[1]等人通過VBA 建立CAD 與Excel 的聯系，實現快速繪制縱斷面，并將Excel 表轉換為CAD 表；武研[2]等人開發基于VBA 的火車軸自動繪圖系統，推動了火車軸標準化的進一步發展；武偉剛[3]等人開發了基于CAD 的既有鐵路線路縱斷面改建設計系統，實現了交互式縱斷面修改設計；牟航等[4]人利用VBA 語言對CAD 進行二次開發，研發了無縫線路配軌系統，提高了鐵路內業檢算和配軌的效率，具有很大的實用價值；李穎[5]等人通過對礦山繪圖相關要素進行研究，開發基于CAD 的礦山輔助繪圖和成圖系統。

本文基于CAD 為平臺，以三維激光掃描儀采集的點云數據為基礎，設計開發適用于隧道變形監測的信息提取系統。實現了隧道斷面生成及提取、斷面擬合、監測點信息坐標提取等功能，為隧道變形監測提供了數據支撐，從而提高了變形監測效率，提高施工質量，節約工程成本。

1 系統設計

1.1 系統框架

根據隧道施工監測的內容，本文在設計系統功能時從隧道點云數據轉換和隧道斷面分析兩個方面入手，對隧道點云數據進行整理和分析。通過VBA 語言進行編譯在CAD 菜單中形成如圖1 所示菜單選項。

圖1 CAD 菜單功能

1.2 隧道變形信息提取

①隧道斷面生成及提取。

對于任意里程的斷面，點云是離散的一系列點組成的，這時候需要確定閾值d，即斷面切片的厚度。切片的厚度d 的斷面包含Ya±（d/2）范圍內，將這些點投影到Y=Ya的XOZ 面上即可對斷面進行擬合分析[6]。

值得注意的是斷面截取厚度d 的選取，如果斷面切片厚度d 取值比較小，則會造成斷面包含數據量較小，對斷面信息提取不全；如果厚度d 選取過大的話，運算量會變大，噪點會增多，去噪效果不理想，影響斷面信息的提取。所以斷面厚度d 的確定非常關鍵。本文選擇d 為5cm。坐標轉換后的數據需要存儲于已經在指定文件夾建好的Excel 數據庫中，以便后期進行斷面的提取和分析。

②隧道斷面擬合。

對于隧道的變形情況，隧道的曲線部分一般都是設計成圓形，采用圓曲線和橢圓曲線擬合隧道的每個斷面點云數據比較合理，模型簡單計算量小，能很好地反應隧道的整體變形信息。但是從具體的斷面來看，隧道在各方向上是不均勻變形的，這時如果用圓曲線和橢圓曲線擬合不能分析出斷面上具體的變形位置，也不能體現出局部的變形差異，因此采用別的曲線模型來擬合斷面數據是有必要的[7]。

CAD 中有自己的三次樣條曲線擬合命令[8]，可以直接調用CAD 三次樣條曲線命令進行曲線擬合。在調用命令之前需要提取斷面數據，選擇點作為曲線擬合基礎數據。基礎點的多少決定了曲線擬合的精度，如果基礎點少，曲線擬合效果不佳。如果基礎點多，擬合曲線會出現凸點，影響曲線光滑性[9]。斷面圖為變形監測提供了依據，并且觀察不同時期的隧道斷面變形比單一點的位移特征更加直觀。

③特征點信息提取。

在數據轉換完成后，數據庫中不僅存放著隧道斷面的點云坐標數據，還有計算得到的各點與擬合斷面中心點的方位角數據。指定方位角便可獲得相應位置的點坐標或者鄰近位置的點坐標，以此便可通過方位角獲得隧道斷面的各特征點坐標數據，為監測報表提供數據支撐[10]。每期監測點都以固定方位角進行選擇，保證每期數據提取的監測點位置相同。

2 工程應用

2.1 工程概況

研究區域為中蘭客運專線后溝梁隧道，該隧道位于甘肅省蘭州市蘭州新區中川鎮境內，是中蘭客專蘭州新區聯絡線右線關鍵工程。隧道起訖里程為LDyK241+056～LDyK241+350，全長294m，為單線隧道，設計時速160 公里/小時，但為滿足過梁需要，采用時速250 公里/小時標準設計。全隧位于R=1600m 的右轉曲線上，洞內縱坡為-25‰/294m 的單面下坡[11]。

2.2 斷面提取

點擊斷面分析中的斷面提取選項，程序彈出“請輸入數據庫文件：”指令，輸入經過數據轉換模塊處理的點云數據庫文件名，其格式為Excel 文件，后綴為.xlsx；系統打開輸入的數據庫，后臺計算斷面總數，然后詢問“是否展繪所有斷面（是/否）：”如圖2 所示。

圖2 是否展繪所有斷面提示圖

輸入“是”，系統將讀遍Excel 數據庫中所有斷面，并展繪在CAD 當前圖紙中。如圖3 所示，為提取的隧道所有連續斷面。

圖3 全隧道斷面提取提示圖

如果輸入“否”，系統將彈出“請輸入斷面序號：”指令，輸入斷面序號，系統將在CAD 當前圖紙展繪該斷面數據點，如圖4 所示；并提示斷面提取完畢，然后結束程序，完成該選項操作。

圖4 提取斷面圖

2.3 斷面曲線擬合

點擊斷面曲線擬合選項。同上節一樣，首先輸入數據庫文件名，與CAD 進行鏈接，而后輸入斷面序號，系統將提取該斷面展繪于CAD 圖紙中，接著系統將提示“指定點：”，選擇點后，系統將提示“輸入點號：”，如圖5 所示。點號按數字升序輸入，共選擇20 個點作為斷面曲線擬合的基礎點，當輸入點號為“end”時，系統將停止指定點，所有指定點保存在Excel 數據庫中。

圖5 指定點示意圖

選點結束后，系統將自動擬合曲線，擬合完成后將彈出“斷面擬合完畢！”對話框，點擊確定可以看到CAD 當前圖紙中的斷面曲線，如圖6 所示。

圖6 斷面曲線擬合圖

2.4 監測點提取

點擊監測點提取選項，同之前幾節相同，先輸入數據庫文件，然后輸入正確的斷面序號，系統將打開Excel 數據庫進行特征點提取。提取完畢后彈出“特征點提取完畢！”對話框，特征點數據保存在Excel 數據庫中，如圖7所示。

圖7 Excel 特征點存儲示意圖

3 總結

本文以三維激光掃描儀獲取的點云數據作為數據來源，針對隧道施工過程中，隧道監測的實際問題，以CAD為平臺，運用VBA 語言開發隧道變形監測信息提取方法。實現隧道斷面生成及提取、隧道斷面擬合、監測點信息提取等功能，為隧道變形監測提供了新方法，并在實際工程中得到檢驗，提高了隧道測量工作效率，節省了施工成本。