隧道工程區三維建模及可視化研究

師奇威 董 鑫

(中國人民解放軍61172部隊,北京 102200)

隨著國民經濟的發展，我國基礎設施工程建設的建設重心從東部發達地區逐漸轉向地質地形極其復雜的西部地區。傳統的工程地質資料分析局限于二維靜態分析，不能有效表達隧道與空間地質體的相互關系[1]。近十幾年來，隨著計算機圖形技術的發展，三維地質建模技術與GIS技術逐漸應用于交通、水利、城市規劃、勘探等領域。

國外在三維地質建模領域的研發起步較早，加拿大學者Simon.W.Houlding首次提出了三維地質建模的概念[2,3]，總結了三維地質模型的生成方法、空間數據庫等概念，基于統計學、地質統計學、空間分析、可視化等技術，建立了三維地質建模的基本理論體系，為該領域的研究指引了方向[4]。法國Nancy大學的Jean.L.Mallet教授提出了離散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation，DSI)技術[5,6]，將地質建模方法定義為能夠統一模擬地質對象的拓撲、幾何和物理屬性的數學方法集合[7]，并且基于此技術開發了gOcad軟件[8]，該軟件能夠針對地下復雜結構建模，已經被廣泛用于石油及天然氣行業的當中[9]。國內這方面的研究多結合工程實際，以滿足工程需要為主，近年來取得了一些進展[10]。

李敦仁[1]以嶺腳隧道工程為實例，研究了高速公路隧道的三維地質建模技術，建立了包括地層信息、三維隧道、斷層信息等地下結構的全景三維地質模型。呂希奎等[11]針對隧道三維建模方法多樣性的不足以及交互性的缺乏，提出了基于參數化建模技術的隧道三維建模與景觀仿真方法。李明超[10]針對連拱隧洞工程的需要，進行了連拱隧道工程地質三維建模與可視化分析。陳國良等[12]基于交叉地質剖面數據，提出一種通過劃分空間單元格，再將所有空間單元格內的模型拼接起來構建最終的整體模型的地質模型構建方法；劉振平等[13]基于鉆孔數據，采用GA-Kriging方法對地層屬性值進行插值建模，利用VTK圖形庫實現了地層模

型的三維快速可視化。上述方法都是基于充足大量的鉆孔或剖面數據，然而隧道工程所處區域為復雜地質環境的山區，難以獲取足夠的信息或者數據，單一的地質建模方法難以滿足隧道施工工程需要。本文基于成蘭線極端復雜下的地質環境，依托龍門山隧道，利用三維建模技術及相關算法，實現了地表地形、地層地質體、鉆孔、隧道等三維建模與可視化，為隧道施工信息化及施工事故風險管控提供了有力保障。

1 工程概況

新建鐵路成蘭線地形地質條件呈現出典型的“四極三高”特征，即地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應極為顯著。其中躍龍門隧道為成蘭線眾多隧道之一，為成蘭線控制性隧道工程，龍門山隧道穿越北東走向的龍門山山脈，隧址區地形如圖1所示。隧道穿越龍門山中央斷裂帶，地質構造極為復雜，因此建立龍門山隧址區三維地理地質信息系統對識別地質風險、保障工程安全具有重要意義。

2 技術路線

龍門山工程區三維地質建模與可視化技術路線見圖2。

3 三維建模與可視化

3.1 數據處理

構建隧道模型需要隧道的路線數據和斷面數據。提取數據的方法是利用VBA編程序提取隧道路線和隧道斷面的多段線數據。龍門山隧道左線隧道多段線示意圖如圖3所示。

通過借助VC++程序，可以將工程區域等高線數據從CAD文件中提取出來，如圖4所示，到地表DEM模型。

3.2 隧道建模

將隧道斷面平面直角坐標系坐標到空間直角坐標系的轉化，提取出來的隧道斷面坐標為平面輔助直角坐標系的坐標。

建立專業信息模型實現從二維圖紙到三維設計轉型，構建的隧道三維模型如圖5所示。

3.3 龍門山隧道工程區地質建模

地質界線描述了地質體在地表出露情況，數字高程模型描述了整個區域地形狀況，本文采用約束三角網的方法，耦合地質界線與數字高程模型構建地質體頂面模型，經過Hermite徑向基隱式曲面地質界面重建與基于隱式曲面的面體布爾運算，以及地質體剝離建模，最終得到工程區地質模型，如圖6所示。

3.4 隧道模型與工程區地質模型耦合建模

對隧道模型與地質體模型進行耦合建模，就是通過一定的實體之間的布爾差運算，從地質體模型中將隧道模型做差去除，本文通過地質體對于隧道模型中三角形求交，通過交線段對原來的三角形進行重構，并通過兩模型中原來與重構的三角形與兩模型的內外關系，給定三角形的取舍關系，留下結果三角形，實現模型的布爾運算(見圖7)。

3.5 實現功能

基于Visual Studio C++ 2008及OpenGL三維圖形庫，設計并開發了三維地質地理信息實驗原型系統(見圖8)，針對現有數據進行初步處理，初步實現了地表地形、地層地質體、鉆孔、隧道等三維建模與可視化。

4 結語

本文針對復雜地質條件下的隧道施工建設，提出了適用于鐵路隧道工程區三維地質建模可視化、專業工程地質分析的相關方法和技術。在建模和分析方法、算法研究基礎上，實現了斷層等約束條件下的隧道工程區三維地質模型構建、可視化、圍巖信息查詢等功能。充分發揮了計算機、地理信息系統在信息資源方面的優勢，對鐵路隧道進行了全方位的三維可視化信息建設，可以自由觀察隧道線路沿線的地質構造。

參考文獻：

[1] 李敦仁.高速公路隧道的三維地質建模技術研究[J].現代隧道技術,2013,50(1):103-108.

[2] Simon.W Houlding. 3D Geosciences Modeling:Computer techniques for geological characterization[M].New York:Springer-Verlag,1994.

[3] Simon.W Houlding. The application of new 3-D computer modelling techniques to mining, in Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information SystemsSpringer,1992:303-325.

[4] Barry Joe.Three-dimensional triangulations from local transformations [J].SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing,1989,10(4):718-741.

[5] Jean. Laurent Mallet. Discrete smooth interpolation in geometric modelling [J].Computer-Aided Design,1992,24(4):178-191.

[6] Jean. Laurent Mallet. Discrete modeling for natural objects [J].Mathematical geology,1997,29(2):199-219.

[7] 徐能雄,段慶偉,梅 鋼,等.三維地質建模方法及程序實現[M].北京:地質出版社,2011.

[8] Nancy School of Geology-Georessources GOCAD Project,gOcad Home[Z].2011.

[9] Jean. Laurent Mallet. Geomodeling[M].New York:Oxford University Press,2002.

[10] 鐘登華,李明超.水利水電工程地質三維建模與分析理論及實踐[M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[11] 呂希奎,周小平,張學軍,等.基于參數化技術的隧道三維建模方法[J].圖學學報,2011,32(2):26-30.

[12] 陳國良，劉修國，盛 謙，等.一種基于交叉剖面的地質模型構建方法[J].巖土力學，2011，32(8)：2409-2415.

[13] 劉振平，賀懷建，朱發華.基于鉆孔數據的三維可視化快速建模技術的研究[J].巖土力學，2009，30(sup)：260-266.