地下工程空間結(jié)構(gòu)圖二維化展繪的方法及應(yīng)用

陳斌 劉著

中核工程咨詢有限公司 北京 100071

地下工程因其節(jié)約土地資源、具有較強(qiáng)隱蔽性等特點，在重要的工業(yè)、交通運輸、礦山、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。但由于其建造費用高，且受地面荷載、地下水文、地質(zhì)變化、地震等因素影響，其在使用一定時期后會呈現(xiàn)出一些普遍的病害現(xiàn)象，如裂隙、滲漏、潛蝕、結(jié)構(gòu)移位、冒頂片幫等。因此及時的發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)性病害、及時做出穩(wěn)定性評價，并進(jìn)行維修、保護(hù)、加固，對確保地下空間結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定顯得尤為重要。

以四川某地下硐室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性評價項目為例。評價對象已經(jīng)運營近30多年，受常年地質(zhì)水文及多次地震影響。運營單位發(fā)現(xiàn)該硐室兩側(cè)墻體、附屬結(jié)構(gòu)墻體、拱頂、掌子面等存在多處結(jié)構(gòu)病害，須對其進(jìn)行穩(wěn)定性評價。下文重點介紹進(jìn)行穩(wěn)定性評價的前提條件，即繪制一幅地下空間結(jié)構(gòu)的依比例尺結(jié)構(gòu)病害詳細(xì)平面圖。

1 結(jié)構(gòu)病害底圖繪制過程及方法

繪制病害的底圖的過程：實測結(jié)構(gòu)病害特征點、線→繪制結(jié)構(gòu)空間三維圖→選擇展開軸線→坐標(biāo)轉(zhuǎn)換→繪制展開二維平面圖。其中選擇恰當(dāng)?shù)膮⒖颊归_軸線、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是繪制展開二維平面圖的關(guān)鍵步驟，展開軸線選擇的恰當(dāng)與否是直接影響最終平面圖的形式及附屬結(jié)構(gòu)投影分離的程度，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是結(jié)構(gòu)立面通過轉(zhuǎn)換參數(shù)而直接轉(zhuǎn)換成平面的嚴(yán)密數(shù)學(xué)方法。

1.1 實地測繪結(jié)構(gòu)病害特征部位

首先，在硐室口處建立三維控制網(wǎng)，獲得各控制點的坐標(biāo)及高程值。然后，在硐室內(nèi)部穩(wěn)定部位埋設(shè)次級控制點，采用支導(dǎo)線的形式將硐室內(nèi)外控制點進(jìn)行聯(lián)測，獲得硐室內(nèi)部次級控制點的坐標(biāo)及高程值[1]。最后，采用免棱鏡全站儀將硐室建筑特征點及硐室墻體、拱頂、及附屬建筑物結(jié)構(gòu)部位的病害特征點分類按序編號依次進(jìn)行測量，例如1號裂縫特征點編號為1L01、1L02、……。該方法相比于激光掃描測繪數(shù)據(jù)量大幅減少、處理數(shù)據(jù)難度較低。

1.2 繪制結(jié)構(gòu)空間三維圖

將硐室結(jié)構(gòu)特征點、線的實際測量數(shù)據(jù)通過專用三維軟件繪制于圖上，并在硐室結(jié)構(gòu)上的病害點依照外業(yè)記錄的類型和編號分類整理并依次標(biāo)注于三維結(jié)構(gòu)圖上。例如，本硐室結(jié)構(gòu)局部三維病害標(biāo)注后的結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 某硐室局部三維結(jié)構(gòu)病害圖

1.3 展開軸線的選擇

展開軸線一旦選定，展開后的平面圖形就唯一確定了。因此，展開軸線的選擇需遵循一定的規(guī)則，即：展開后有利于表示硐室全部結(jié)構(gòu)面；附屬構(gòu)筑物分離于主體結(jié)構(gòu)物的數(shù)量較少；展開后的平面尺寸具有較高精度（1cm左右）；便于標(biāo)注全部結(jié)構(gòu)病害等[2]。綜合以上原則，最終確定選擇主硐室拱頂?shù)酌婵v向中軸線為展開參考軸線，如圖2所示。

1.4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及繪制展開后二維平面圖

空間立面沿著選定的展開軸線展繪成平面圖，需要通過選擇一條公共參考線（展開軸線）的兩端點坐標(biāo)值，建立起立面與平面坐標(biāo)的4個轉(zhuǎn)換參數(shù)（2個平移參數(shù)、1個旋轉(zhuǎn)參數(shù)、1個縮放參數(shù)）。由于硐室側(cè)墻走向平行于硐室拱頂縱向中軸線，因此選擇該線作為公共參考軸線是有利的。

設(shè)定該參考線的走向與X軸平行，結(jié)合原坐標(biāo)系（X0，Y0，H0）下的X0軸。計算出X軸與X0軸之間的夾角，對待展開對象進(jìn)行沿著X軸旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，于是獲得展開軸線端點在兩個坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。將原側(cè)墻結(jié)構(gòu)實測空間特征點的高程值H作為平面圖的Y軸建立二維平面坐標(biāo)系。通過展開軸線兩端點在（X，Y，H0）和（X，H0）兩個坐標(biāo)下的坐標(biāo)值，求得二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換側(cè)墻結(jié)構(gòu)體及結(jié)構(gòu)病害點的坐標(biāo)[3]。其余附屬建構(gòu)筑按照類似步驟一一進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得圖2所示的平面展開圖。

圖2 硐室局部展開后二維平面圖

2 應(yīng)用領(lǐng)域

通過上述步驟，實現(xiàn)了復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)物從：“空間三維→展開后二維”的變換過程。該方法能夠廣泛應(yīng)用于對立面細(xì)部結(jié)構(gòu)的研究，適用于建筑物墻面結(jié)構(gòu)、地下空間結(jié)構(gòu)、高大煙囪、水塔、大壩等的分析、研究。能夠為穩(wěn)定性評價、結(jié)構(gòu)病害分析提供一份精確的依比例結(jié)構(gòu)立面投影圖。

3 結(jié)論

復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的立面投影圖展示及分析研究是長期困擾工程地質(zhì)人員的一個難題，上述測繪方法較好的實現(xiàn)了立面圖二維化的問題。為評價人員提供了一個可供展示和進(jìn)一步加工的基礎(chǔ)底圖，且比例精度較高，立面結(jié)構(gòu)特征點在展開后平面圖上可讀、可量測、可編輯。