論巖土三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)在地鐵工程中的運(yùn)用

陳小軍 熊 偉

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)院

前言

地鐵工程作為現(xiàn)階段我國(guó)社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)工作中重要的項(xiàng)目構(gòu)成，其對(duì)于三維勘察設(shè)計(jì)這一技術(shù)的應(yīng)用，可以對(duì)提升地鐵工程設(shè)計(jì)水平和施工建設(shè)質(zhì)量提供極大的幫助。

1 系統(tǒng)組成架構(gòu)

基于三維設(shè)計(jì)主平臺(tái)MicroStation 提供工程各類數(shù)據(jù)的三維可視化、動(dòng)態(tài)展示、空間屬性計(jì)算、超限預(yù)警等分析手段，以及開(kāi)發(fā)GeoStation 的成功經(jīng)驗(yàn)，2013 年啟動(dòng)了系統(tǒng)研發(fā)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)研和開(kāi)發(fā)，研制出巖土三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)——GeoStationforCity。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理、三維建模與分析、輔助繪圖、查詢統(tǒng)計(jì)、計(jì)算分析等模塊構(gòu)成。

2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用功能

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和地理信息系統(tǒng)、圖像處理、圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)技術(shù)于一身的三維技術(shù)也開(kāi)始受到了各界人士的廣泛關(guān)注，開(kāi)始從不同方面入手，對(duì)三維技術(shù)展開(kāi)有效應(yīng)用。

2.1 地層建設(shè)模型由剖面轉(zhuǎn)為三維

就三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)看，其是按照已經(jīng)得到的巖土工程數(shù)據(jù)、建構(gòu)筑物數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、工程分析數(shù)據(jù)等，在研究區(qū)域內(nèi)完成對(duì)多維數(shù)據(jù)的管理和柱狀圖顯示、三維空間中幾何與力學(xué)分析等其他系統(tǒng)功能的研究。因此，對(duì)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效應(yīng)用，可以在地鐵工程施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)三維鉆孔柱狀顯示和查詢、二維地質(zhì)剖面圖生成、三維地質(zhì)建模和剖切、人工交互編輯、實(shí)時(shí)推進(jìn)等一些基本分析功能。此外，三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)本身還能夠旋轉(zhuǎn)、放大觀察角度，對(duì)觀察角度的光源進(jìn)行有效控制，這些圖形類功能，也是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)性功能。

2.2 建筑物建模功能

伴隨地鐵工程項(xiàng)目逐漸朝著更深層的地下空間不斷發(fā)展，地質(zhì)勘察行業(yè)在發(fā)展期間需要面對(duì)的淺層和深層地下環(huán)境也變得更加的復(fù)雜。因此，在施工建設(shè)的過(guò)程中如何對(duì)地下和地上已經(jīng)建設(shè)完成、或者是正在建設(shè)和規(guī)劃過(guò)程中的各種類型的建筑物之間的關(guān)系進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，已經(jīng)成為當(dāng)前勘察行業(yè)在發(fā)展過(guò)程中必須要提高發(fā)展日程之上的內(nèi)容。三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有的建筑物建模功能，可以幫助工程設(shè)計(jì)人員按照已有的工程設(shè)計(jì)文件和設(shè)計(jì)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(gòu)模型，是工程施工人員對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目建設(shè)設(shè)計(jì)的認(rèn)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(zhì)上來(lái)看，地鐵工程的規(guī)劃、地質(zhì)勘察、工程設(shè)計(jì)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等工作是一項(xiàng)以地下與地上空間作為主要研究對(duì)象的系統(tǒng)性工程項(xiàng)目，所以，將項(xiàng)目中的相關(guān)工作有機(jī)融合到以期，對(duì)于地鐵工程在規(guī)劃施工過(guò)程中對(duì)資源的可持續(xù)利用可以起到極大的幫助。而三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的存在，不僅可以完善工程設(shè)計(jì)圖紙和文件中的各項(xiàng)內(nèi)容，還可以在整個(gè)工程中作為一個(gè)承上啟下的節(jié)點(diǎn)，將工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)期間存在的相關(guān)信息數(shù)據(jù)，以一體化的方式表達(dá)出來(lái)，為后續(xù)相關(guān)工作的進(jìn)行提供便利。

2.4 數(shù)據(jù)管理查詢和數(shù)值分析

設(shè)計(jì)系統(tǒng)在地鐵工程中的應(yīng)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(shí)便捷的為負(fù)責(zé)地鐵工程施工工作的工程師提供有效的數(shù)據(jù)信息保障，以此來(lái)為相關(guān)人員管理地鐵工程提供便利性，方便相關(guān)人員建立相應(yīng)的施工模式。與此同時(shí)，對(duì)地鐵工程項(xiàng)目來(lái)講，數(shù)值分析在工程施工建設(shè)期間應(yīng)用的范圍相對(duì)較為廣泛，且分析期間部分軟件在處理復(fù)雜建模方面的功能比較弱，特別是在命令流驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，會(huì)讓工程師望而生畏。而三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅具備十分強(qiáng)大的軟件前期處理功能，完成有設(shè)計(jì)圖到構(gòu)筑物的建模工作，還可以直接生成可以供工程師來(lái)計(jì)算的工程結(jié)構(gòu)模型，為數(shù)值分析工作的進(jìn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

2.5 隧道開(kāi)挖期間引發(fā)的三維沉降

地鐵工程中隧道環(huán)節(jié)的施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的施工過(guò)程，不僅涉及建筑物布置、施工場(chǎng)地布置等信息，還會(huì)將施工期間實(shí)時(shí)管理、施工組織等動(dòng)態(tài)的工程施工邏輯關(guān)系展現(xiàn)出來(lái)。此外，因?yàn)榈罔F工程受到周邊建筑物沉降、施工現(xiàn)場(chǎng)地形變化等其他實(shí)時(shí)變量的影響，所以需要借助三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建能夠反映工程時(shí)空信息的三維數(shù)字模型。

3 巖土三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)在地鐵工程中的應(yīng)用實(shí)例

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今天，北京市地鐵隧道的建設(shè)數(shù)量和類型也在不斷的增多。就北京市來(lái)看，其大部分地鐵隧道深度都處在第四級(jí)沉積層可以影響的范圍之內(nèi)，在施工期間，暗挖法、明挖法等施工方法的選擇、對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的控制力度等，都需要全面考慮地鐵工程所在范圍內(nèi)土性、地下水的埋深、密實(shí)度、富水條件、含水層的巖性等自然環(huán)境，以及工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境情況等，以此來(lái)確保工程設(shè)計(jì)方案能夠從因地制宜的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)圖紙可以得到極大的優(yōu)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(huán)境處于北京市的西部，整體呈現(xiàn)出南北的走向，線路主要區(qū)域分布在海淀區(qū)和豐臺(tái)區(qū)，整體長(zhǎng)度在十六點(diǎn)四千米。整個(gè)地鐵線路都屬于地下線，線路上共設(shè)有十四座車站，且全部都屬于地下車站。就該地鐵工程來(lái)看，因?yàn)槠浔旧砜v橫比例的差距較大，從整個(gè)研究區(qū)域上來(lái)看，該工程屬于線狀工程的類別，這使得其在表現(xiàn)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(xiàng)地鐵工程三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建側(cè)重于從宏觀上表現(xiàn)相對(duì)的空間位置、整體空間和局部空間之間的關(guān)系、構(gòu)建三維工程對(duì)象、地下與地上關(guān)系匹配、地名、里程號(hào)、地鐵線路表示、區(qū)域位置等。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，將三維勘察這種設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)階段地鐵工程項(xiàng)目施工建設(shè)中，可以說(shuō)是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必經(jīng)之路。因此，勘察設(shè)計(jì)單位在使用三維勘察設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)以往生產(chǎn)習(xí)慣，在企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)能力的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)系統(tǒng)系統(tǒng)中獲取到勘察數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)信息，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)三維工程對(duì)象和三維地層間的耦合，從而達(dá)到的提升巖土工程設(shè)計(jì)水平和施工水平的目的。

[1]魏志云，王國(guó)光，卓勝豪，等.巖土三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)在地鐵工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)交通信息化，2016(07)：133－136.

[2]王國(guó)光，徐震，張春生.地質(zhì)三維勘察設(shè)計(jì)系統(tǒng)中模型自動(dòng)更新方法與實(shí)現(xiàn)[J].水力發(fā)電，2014，(8)：37-41.