鐵路路基巖溶動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張東卿 薛 元 肖朝乾

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

鐵路路基巖溶動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張東卿 薛 元 肖朝乾

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

巖溶發(fā)育具有隱蔽性、復(fù)雜性的特點(diǎn)，有限的地質(zhì)勘探難以準(zhǔn)確、完整的揭示其發(fā)育特征。目前高速鐵路項(xiàng)目為確保整治效果及運(yùn)營(yíng)安全，一般采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)整治方案，利用施工鉆孔，探灌結(jié)合，進(jìn)一步更全面的驗(yàn)證、揭示巖溶特征。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)通常采用交互式繪圖平臺(tái)AutoCAD，其功能強(qiáng)大，易于操作，但其功能具有普適性，不能很好得滿足巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的特定需求，故導(dǎo)致了設(shè)計(jì)工作量大、效率低、繁瑣易出錯(cuò)的難題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文作者以C#.net為開(kāi)發(fā)工具對(duì)AutoCAD進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)入路基斷面數(shù)據(jù)、定義整治原則、先期工程平斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)、后期工程平斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)、數(shù)量計(jì)算、生成設(shè)計(jì)說(shuō)明及圖面布置等功能。軟件已應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)，大幅提高了設(shè)計(jì)效率，同時(shí)提高了設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性。

路基； 巖溶整治； 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)； C#.net； AutoCAD

路基巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是指根據(jù)地質(zhì)勘察資料進(jìn)行先期巖溶整治設(shè)計(jì)及施工，根據(jù)先期施工中鉆孔和注漿反饋的信息和資料，對(duì)地質(zhì)結(jié)論、設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行再驗(yàn)證，如確認(rèn)原設(shè)計(jì)條件有較大變化，則及時(shí)進(jìn)行方案調(diào)整，完成后續(xù)整治的方法。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)能夠最大限度彌補(bǔ)因巖溶的隱蔽性、復(fù)雜性導(dǎo)致的地質(zhì)勘探的局限性，減小注漿工程處理隱患，將安全風(fēng)險(xiǎn)消滅在過(guò)程中。但同時(shí)帶來(lái)了設(shè)計(jì)工作量大、設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣、工期緊張的難題，要求設(shè)計(jì)單位投入較多的人力資源參與設(shè)計(jì)。

路基巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的是AutoCAD軟件，其基本功能強(qiáng)大，易于操作，設(shè)計(jì)人員認(rèn)同度高，但其功能具有普適性，在專業(yè)性較強(qiáng)的領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)具有局限性，因而不能很好地滿足巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的特定需求，導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率較低，需要對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。基于此需求開(kāi)發(fā)了路基巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了巖溶整治平、斷面圖的自動(dòng)設(shè)計(jì)和數(shù)量統(tǒng)計(jì)、圖面布置等功能，大幅提高了設(shè)計(jì)效率。

AutoCAD常用的二次開(kāi)發(fā)方式有ObjectARX，VBA，AutoLisp/Visual Lisp以及AutoCAD.net。其中AutoCAD.net完全面向?qū)ο螅瑩碛袕?qiáng)大功能，并采用了垃圾回收機(jī)制，由.net框架自行判斷內(nèi)存回收的時(shí)機(jī)并實(shí)行回收，解決了令C++程序員頭痛的內(nèi)存泄露問(wèn)題，此外還具有支持混合語(yǔ)言開(kāi)發(fā)和高級(jí)API訪問(wèn)等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，故選用其作為二次開(kāi)發(fā)工具。

1 軟件總體設(shè)計(jì)

1.1 功能模塊構(gòu)成

通過(guò)對(duì)巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)全流程的調(diào)研，明確了軟件要具有基本設(shè)置、導(dǎo)入路基斷面數(shù)據(jù)、定義整治原則、先期工程平斷面設(shè)計(jì)、后期工程平斷面設(shè)計(jì)、數(shù)量計(jì)算、生成設(shè)計(jì)說(shuō)明及圖面布置等功能，才能夠?qū)崿F(xiàn)大幅提高設(shè)計(jì)效率的預(yù)期目的。據(jù)此，軟件劃分為四大模塊，功能模塊組織如圖1所示。

圖1 軟件功能模塊組織

1.2 軟件使用界面

為方便用戶使用，建立了用戶菜單文件(cuix格式)，在AutoCAD環(huán)境下通過(guò)菜單加載命令加載上述文件即可實(shí)現(xiàn)軟件菜單欄和工具欄的加載。加載后的菜單欄和工具欄如圖2所示。

圖2 軟件工具欄和菜單欄

一般情況下，需要通過(guò)AutoCAD環(huán)境的“Netload”命令才能調(diào)用.net的程序集，為提高效率，在安裝文件內(nèi)增加了修改注冊(cè)表的子程序，實(shí)現(xiàn)了CAD在啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載相關(guān)程序集。

2 基本設(shè)置模塊

2.1 定義整治原則

在進(jìn)行巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確整治原則。整治原則包括：平面整治寬度、注漿深度以及注漿孔布置等。其中平面整治寬度的定義以路堤坡腳、路塹側(cè)溝平臺(tái)外緣以及擋墻墻踵為基準(zhǔn)點(diǎn)；注漿深度的定義以基巖面、溶洞底板為基準(zhǔn)面，并同時(shí)考慮溶洞頂板的厚高比；注漿孔布置原則主要包括孔間距和孔起始位置。上述原則的定義均通過(guò)一個(gè)對(duì)話框來(lái)完成，如圖3所示。定義好的整治原則將以有名對(duì)象字典的格式保存到CAD文件的數(shù)據(jù)庫(kù)中，再次打開(kāi)該CAD文件時(shí)，軟件即可自動(dòng)獲取整治原則的信息，而不用重新定義。

此外，為便于團(tuán)隊(duì)協(xié)作，軟件還提供了導(dǎo)入導(dǎo)出設(shè)計(jì)原則的功能。設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人定義好整治原則并導(dǎo)出為txt格式，分發(fā)給設(shè)計(jì)者，設(shè)計(jì)者導(dǎo)入即可使用，避免了重復(fù)定義。

圖3 整治原則定義窗口

2.2 導(dǎo)入路基斷面數(shù)據(jù)

在定義了整治原則后，為了確定加固范圍，還需要獲取設(shè)計(jì)范圍內(nèi)各設(shè)計(jì)斷面的數(shù)據(jù)，如路堤坡腳、路塹平臺(tái)側(cè)溝外緣、擋墻墻踵的位置等。上述數(shù)據(jù)的獲取是通過(guò)讀取特定格式的txt文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，txt文件每一行代表一個(gè)路基斷面的數(shù)據(jù)。

根據(jù)具體的設(shè)計(jì)情況，生成txt格式路基斷面數(shù)據(jù)文件有兩種方式。(1)若路基斷面設(shè)計(jì)文件為采用某公司開(kāi)發(fā)的“路基設(shè)計(jì)輔助軟件2008”軟件設(shè)計(jì)生成的RWSG格式文件，則可直接從RWSG格式文件中導(dǎo)出斷面數(shù)據(jù)。(2)若路基斷面設(shè)計(jì)文件為CAD格式文件，則允許用戶在軟件使用界面和CAD設(shè)計(jì)文件之間進(jìn)行切換，逐個(gè)設(shè)計(jì)斷面點(diǎn)選距離來(lái)生成數(shù)據(jù)文件。

2.3 其他

此外，軟件在進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要輸入一些基本參數(shù)，包括起訖點(diǎn)里程、冠號(hào)和平斷面比例。同時(shí)，為了便于后續(xù)繪圖使用，還需要對(duì)CAD環(huán)境進(jìn)行初始化，包括創(chuàng)建邊界屬性塊、注漿孔屬性塊、標(biāo)注樣式、字體等。

3 斷面圖自動(dòng)設(shè)計(jì)模塊

3.1 縱斷面特征識(shí)別

地勘專業(yè)提供的物探斷面圖均是CAD格式文件，該格式雖然具有直觀、設(shè)計(jì)者使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但若想直接應(yīng)用于程序自動(dòng)設(shè)計(jì)，則有較大困難。原因在于CAD文件包含了大量無(wú)序的信息和圖素，但巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)所關(guān)注的實(shí)際上只有其中部分關(guān)鍵圖素，如土石分界線、充填溶洞、溶蝕破碎帶等；但上述關(guān)鍵圖素在CAD文件內(nèi)沒(méi)有特殊的標(biāo)識(shí)，因此軟件無(wú)法從眾多圖素中篩選出所需要的部分，無(wú)法直接獲得關(guān)鍵圖素的句柄，也就不能對(duì)其操控，進(jìn)行自動(dòng)設(shè)計(jì)。對(duì)此，提出如下解決方案：設(shè)計(jì)者在物探斷面內(nèi)為程序指定一個(gè)參考樣本，同時(shí)指定篩選特征，篩選特征包括對(duì)象類型、圖層、線型及顏色(上述特征可單獨(dú)使用也可組合使用)，程序?qū)?huì)自動(dòng)過(guò)濾出整個(gè)物探斷面中與參考樣本特征相同的圖素，并獲得其操控句柄。縱斷面識(shí)別特征同樣以有名對(duì)象字典的形式保存到CAD文件數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。以充填溶洞輪廓線為例，若用戶指定的樣本顏色為120、線型為Bylayer，則整個(gè)物探斷面內(nèi)顏色120、線型為Bylayer的線條均會(huì)被識(shí)別為充填溶洞輪廓線。通過(guò)這種間接方式，程序獲得了關(guān)鍵圖素的句柄，從而為后續(xù)的自動(dòng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。特征識(shí)別窗口如圖4所示。

圖4 縱斷面特征識(shí)別窗口

3.2 斷面圖自動(dòng)設(shè)計(jì)

巖溶整治的斷面圖設(shè)計(jì)，是根據(jù)路肩線、土石分界線和充填溶洞的相對(duì)位置關(guān)系按照整治原則確定注漿加固輪廓線。通常采用的整治原則為土石分界線下5 m，充填溶洞周邊2 m，對(duì)于頂板厚高比大于5 m的溶洞可不處理。在傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)中，這一過(guò)程技術(shù)難度不高，但因設(shè)計(jì)對(duì)象較多，操作非常繁瑣，效率極低，是整個(gè)設(shè)計(jì)流程中耗時(shí)最多的部分。經(jīng)仔細(xì)研究，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分解和邏輯關(guān)系判斷，最終實(shí)現(xiàn)了程序自動(dòng)設(shè)計(jì)，其流程如圖5所示。

圖5 斷面圖自動(dòng)設(shè)計(jì)流程圖

在上述流程中，最為關(guān)鍵的技術(shù)是對(duì)偏移后的土石分界線和溶洞輪廓線進(jìn)行處理獲取加固輪廓線過(guò)程。軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)完成的斷面圖如圖6所示。

圖6 軟件完成的斷面設(shè)計(jì)圖

3.3 手動(dòng)局部修改

從圖6中可以看出，在完成自動(dòng)設(shè)計(jì)后，存在部分溶洞未被處理。從理論上講，該部分溶洞都是程序根據(jù)整治原則嚴(yán)格判定后不需要進(jìn)行處理的，但是其中有個(gè)別溶洞距離注漿加固輪廓線很近或者本身尺寸相對(duì)較大，設(shè)計(jì)者主觀認(rèn)為需要進(jìn)行整治處理的。在進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，充分考慮到了這種情況，設(shè)置了手動(dòng)局部修改的功能，該功能要求用戶在自動(dòng)設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，先選擇注漿輪廓線，再點(diǎn)選要處理的溶洞，即可完成修改。

4 平面圖自動(dòng)設(shè)計(jì)模塊

4.1 先期工程平面圖設(shè)計(jì)

先期工程平面圖設(shè)計(jì)是指根據(jù)整治原則和獲取的斷面數(shù)據(jù)，在地勘專業(yè)提供的物探圖上標(biāo)注平面加固范圍和布置注漿孔。主要方法和步驟如下：(1)軟件首先以對(duì)話框的形式要求用戶選擇存儲(chǔ)斷面數(shù)據(jù)的txt文件，在讀取文件后，軟件對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析，判定斷面為路堤或路塹，以及是否設(shè)有擋墻，并獲取各基準(zhǔn)點(diǎn)的位置；(2)根據(jù)整治原則，如路堤坡腳外5 m，路塹側(cè)溝平臺(tái)外2 m，擋墻墻踵外2 m等，確定每個(gè)斷面左右兩側(cè)加固邊界到線路中線的距離；(3)軟件要求用戶在CAD窗口內(nèi)選擇線路中線并指定線路起點(diǎn)位置，據(jù)此軟件自動(dòng)確定設(shè)計(jì)區(qū)間內(nèi)左右兩側(cè)加固邊界的坐標(biāo)，并以二維點(diǎn)的形式保存到一個(gè)二維點(diǎn)點(diǎn)集內(nèi)；(4)軟件依據(jù)邊界點(diǎn)集繪制一個(gè)封閉的加固邊界，并標(biāo)注邊界點(diǎn)；(5)按照整治原則指定的注漿孔間距對(duì)封閉的加固邊界對(duì)應(yīng)的內(nèi)接矩形范圍進(jìn)行遍歷，如果遍歷點(diǎn)在加固邊界內(nèi)，則按照間隔要求繪制探導(dǎo)孔或I序孔，否則不繪制。在上述過(guò)程中，判定點(diǎn)是否在多段線內(nèi)部是一個(gè)難點(diǎn)，軟件采用的是射線法，即從給定點(diǎn)出發(fā)沿X軸正方向做一條射線，如果射線與多段線交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則點(diǎn)在多段線內(nèi)；如果為偶數(shù)，則點(diǎn)在多段線外部。軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)完成的平面圖如圖7所示。

圖7 軟件完成的平面設(shè)計(jì)圖

4.2 后期工程平面圖設(shè)計(jì)

指先期工程施工完成后，地勘專業(yè)根據(jù)施工情況，對(duì)設(shè)計(jì)范圍的巖溶塌陷情況進(jìn)行后次評(píng)判，將其劃分為極易塌陷區(qū)、易塌陷區(qū)和不易塌陷區(qū)。設(shè)計(jì)者則根據(jù)分區(qū)情況進(jìn)行后期工程設(shè)計(jì)，對(duì)于易塌陷區(qū)要增設(shè)Ⅱ序孔，對(duì)于極易塌陷區(qū)則要增設(shè)Ⅱ序孔和Ⅲ序孔，而對(duì)于不易塌陷區(qū)，則不需要進(jìn)行后期工程設(shè)計(jì)。因此，軟件在進(jìn)行后期工程平面圖自動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先面臨的難題與縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)一致，即關(guān)鍵圖素(分區(qū)邊界線)的識(shí)別和獲取，采用與縱斷面自動(dòng)設(shè)計(jì)一致的解決方案，即通過(guò)給定樣本來(lái)自動(dòng)篩選。在明確了分區(qū)邊界后，軟件自動(dòng)確定已有的探導(dǎo)孔和I序孔的位置，并進(jìn)行Ⅱ序孔和Ⅲ序孔的布設(shè)。

5 其他功能

5.1 數(shù)量計(jì)算

在采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行數(shù)量計(jì)算時(shí)，因注漿孔數(shù)量較多，通常采用的計(jì)算方法是計(jì)算鉆孔長(zhǎng)度的平均值，這樣計(jì)算雖然得到了簡(jiǎn)化，但卻只能反映總的鉆孔長(zhǎng)度，而不能反映每個(gè)孔的具體情況，一方面造成了計(jì)量不精準(zhǔn)，另一方面在審核施工單位提供的先期工程資料時(shí)缺乏必要的參照依據(jù)。

為此，軟件開(kāi)發(fā)了數(shù)量計(jì)算功能，通過(guò)在每個(gè)注漿孔位置繪制構(gòu)造線，獲取其與地面線、土石分界線、注漿加固輪廓線的交點(diǎn)來(lái)精確的計(jì)算出鉆土長(zhǎng)度和鉆石長(zhǎng)度，最終以列表的形式給出每個(gè)注漿孔的類型、編號(hào)、位置、鉆土長(zhǎng)度、鉆石長(zhǎng)度等，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化設(shè)計(jì)。

5.2 審核先期工程資料

在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)流程中，審核先期工程資料是重要的一環(huán)。施工單位在按照先期工程設(shè)計(jì)圖進(jìn)行施工后，需要根據(jù)實(shí)際鉆孔和注漿情況向設(shè)計(jì)單位提供資料，設(shè)計(jì)單位對(duì)此進(jìn)行審核，以核實(shí)是否有超鉆、欠鉆的情況。以往，這一過(guò)程均是人工逐孔完成，耗時(shí)費(fèi)力，且易出錯(cuò)，為此，軟件設(shè)置了一鍵審核先期工程資料的功能。審核者將施工單位提供的注漿孔一覽表(Excel格式)導(dǎo)入軟件，程序讀取Excel表格中的數(shù)據(jù)，逐孔將施工資料和設(shè)計(jì)資料進(jìn)行對(duì)比，如施工資料記錄的鉆孔長(zhǎng)度大于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度則認(rèn)為是超鉆，反之，則認(rèn)為是欠鉆。

5.3 生成設(shè)計(jì)說(shuō)明和圖面布置

為提高設(shè)計(jì)效率和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，軟件還設(shè)置了生成設(shè)計(jì)說(shuō)明和圖面布置的功能。設(shè)計(jì)說(shuō)明是以屬性塊的形式插入到CAD內(nèi)，設(shè)計(jì)者可以對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行修改，同時(shí)還允許設(shè)計(jì)者針對(duì)不同的項(xiàng)目自定義設(shè)計(jì)說(shuō)明模板。圖面布置則是以插入動(dòng)態(tài)塊的形式實(shí)現(xiàn)，允許設(shè)計(jì)者拖動(dòng)夾點(diǎn)快速改變圖框大小。

6 結(jié)束語(yǔ)

巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)流程多，工作量大，采用傳統(tǒng)人工方法在AutoCAD環(huán)境內(nèi)進(jìn)行交互式繪圖，操作繁瑣枯燥，且因技術(shù)難度不高，不易調(diào)動(dòng)設(shè)計(jì)者積極性。為此，在對(duì)定義設(shè)計(jì)原則、平面圖自動(dòng)設(shè)計(jì)、斷面圖自動(dòng)設(shè)計(jì)、數(shù)量計(jì)算、先期工程資料審核等設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行了研究的基礎(chǔ)上，利用C# .net 技術(shù)對(duì)AutoCAD進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，研制出了路基巖溶整治動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件。據(jù)測(cè)試，相比傳統(tǒng)方法，使用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，效率提高了2～3倍，有效節(jié)約了人力資源，同時(shí)還減少了人為出錯(cuò)幾率，并實(shí)現(xiàn)了精確數(shù)量計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)精細(xì)化程度。目前該軟件已應(yīng)用于六盤(pán)水至安順城際鐵路、成都至貴陽(yáng)客運(yùn)專線等多個(gè)項(xiàng)目，帶來(lái)了明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

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Development and Application of Software for dynamic Design of Railway Subgrade Karst

ZHANG Dongqing XUE Yuan XIAO Chaoqian

(China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu 610031，China)

Due to the concealment and complexity of Karst development, it is difficult to disclose accurately and completely its development characteristics by limited geological exploration. To ensure the effectiveness of treatment and safety of operation, the solution of dynamic design is usually adopted in the high speed railway project. With the help of the construction drilling hole and in combination with exploration and grouting , the karst features are more completely disclosed. The interactive drawing platform AutoCAD characterized by powerful function and simple operation is usually used for dynamic design. But the universality of AutoCAD cannot meet the specific need of dynamic design of Karst treatment, which causes heavy design workload, low efficiency and tedious and prone problems. In view of such problems, taking C#.net as development tool in AutoCAD environment, a new software is developed, it has the functions of introduction of subgrade section data, definition of design principles, automatic plan and section design of phase I and phase II of the project, calculation of quantities, generation of design notes, and drawing arrangement. The software has been applied in multiple projects. Benefited from this software, the design efficiency is substantially increased and the design accuracy is improved.

subgrade; karst treatment; dynamic design; C#.net; AutoCAD

2016-04-19

張東卿(1987-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0030—05

U213.1

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