三維GIS技術在三臺階七步開挖法隧道工程進度管理中的應用

趙 龍 趙亮亮

(中鐵二院測繪工程設計研究院，四川成都 610031)

1 概述

“三臺階七步開挖法”是一種以弧形導坑開挖預留核心土為基本模式，分上、中、下三個臺階，七個開挖面，各部位的開挖與支護沿隧道縱向錯開，平行推進的隧道開挖方法［1］。該方法對復雜多變的地質結構，不同跨度和多種斷面形式的隧道都具有很好的兼容性［2］。但施工過程中步驟復雜［3］，各個工序之間交叉干擾大［4］，增加了隧道進度管理、風險評估等方面的難度，使得施工單位和設計單位都難以接受。

為此，很多學者與專家也都提出了一些方法與建議，如湯憲高［5］提出以“專業(yè)化、機械化、工廠化、信息化”為手段，推行隧道標準化管理，突破隧道施工的管理瓶頸等方法，來促進安全、質量、效益滑坡等問題的解決。董寧［6］等總結了各類開挖方法適用的條件及其技術要點。張小明［7］則介紹了大斷面堆積體隧道進洞的施工方案，分析了大斷面堆積體進度的具體步驟，得出了隧道安全施工的方法。孫晉鋒［8］根據(jù)黃土的特質，結合工程實例闡述了隧道開工前與施工過程中重大風險源識別的方法。

以上方法從不同角度解決了隧道工程管理中的問題，但對隧道施工過程中的綜合展示、管理、查詢與分析提及較少，對施工進度的遠程管理與動態(tài)仿真預演并未提及。

提出一種基于三維GIS(地理信息系統(tǒng))技術的隧道工程進度管理方法，將GIS與隧道工程有機結合起來，通過互聯(lián)網(wǎng)技術和三維技術，將地質、測繪、環(huán)評等多種數(shù)據(jù)有機地組合到一起，同時提供數(shù)據(jù)的分布存儲、數(shù)據(jù)分析和三維展示等功能，輔助地質專家開展隧道設計、調(diào)查與風險評估等方面的工作。

2 系統(tǒng)的體系結構

圖1展示了整個系統(tǒng)的體系結構，它分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡服務層、三維GIS平臺與業(yè)務邏輯層等四個部分。其中數(shù)據(jù)層包括測繪、環(huán)評、地質、隧道施工進度和三維模型屬性數(shù)據(jù)等，測繪、環(huán)評和地質數(shù)據(jù)用于三維GIS平臺的展示，用更加直觀的方式展示施工周邊三維地理環(huán)境，隧道施工進度數(shù)據(jù)用于以動畫的形式模擬或預演隧道施工進度情況，3D模型屬性數(shù)據(jù)則用于數(shù)據(jù)的查詢，關聯(lián)與修改等功能。

網(wǎng)絡服務層提供必要的網(wǎng)絡傳輸、數(shù)據(jù)權限管理、數(shù)據(jù)編碼管理、數(shù)據(jù)狀態(tài)管理和資料互提等功能，資料互提功能用于三維、二維或文檔數(shù)據(jù)的上傳與下載功能;三維模型文件有數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡傳輸慢的問題，存儲到數(shù)據(jù)庫中會加重數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡的負擔，用資料互提的方法可以將三維模型以文件的形式上傳到服務器中，這種方法不僅可以減輕服務器數(shù)據(jù)庫的負擔，對后續(xù)模型的緩沖處理與傳輸也起到了一定的作用。

系統(tǒng)采用skyline和DMap控件作為三維GIS的展示平臺，skyline平臺用于數(shù)據(jù)的展示、管理、查詢和漫游等功能，從全局和整體上展示隧道施工區(qū)域的地形、地貌、水系等地理環(huán)境，DMap控件可展示局部工區(qū)的地質數(shù)據(jù)，動態(tài)模擬和展示施工進度。

業(yè)務邏輯層包含三維地質展示、數(shù)據(jù)提交、量測功能、數(shù)據(jù)漫游功能、施工進度展示及三維數(shù)據(jù)管理都能功能。

圖1 系統(tǒng)的體系結構

3 施工進度的展示與管理

施工進度的展示與管理分為三個步驟和一個下載策略，第一個步驟為數(shù)據(jù)的制作，第二個步驟為數(shù)據(jù)的錄入，第三個步驟為施工進度的模擬，下載策略則是專門針對海量三維模型批量下載的。

3.1 數(shù)據(jù)的制作

在開挖過程中，調(diào)查隧道周邊地質是十分有必要的，施工方可根據(jù)地質情況和圍巖等級調(diào)整施工步驟。為了全方位并直觀地了解隧道周邊地質情況，系統(tǒng)利用地質體建模軟件并根據(jù)隧道周圍的地質調(diào)研數(shù)據(jù)和鉆孔構建地質模型，同時將地質模型沿隧道挖開，如圖2。

3.2 數(shù)據(jù)的錄入

數(shù)據(jù)的錄入包括地質模型的錄入、隧道模型的錄入、施工進度的錄入、隧道中線線位的錄入等，這些數(shù)據(jù)的表結構如圖3。

圖2 地質模型的制作

用戶表中設定了表的權限控制，定義了用戶的權限及用戶所在的部門，其他表中用戶的ID與此表中用戶ID對應，用于記錄表修改表的用戶信息。模型表用于存放錄入的模型信息，模型信息包括地質模型、隧道模型或其他三維模型，當模型上傳時，模型表中將自動記錄模型的上傳時間、上傳人信息等，上傳人也可以添加模型的描述信息及備注信息。開挖工序表記錄了“三臺階七步開挖法”的七個工序，并把每個工序的截面信息記錄到開挖面數(shù)據(jù)中(如圖4)，同時記錄截面數(shù)據(jù)的制作時間，更改時間及描述。工序開挖時間表記錄隧道開挖的工區(qū)，開挖時間，該時間內(nèi)開挖的起始里程和終止里程，線位信息和用戶信息等。線位表記錄了線位的起始里程和終止里程及線位上點的三維信息。模型屬性表配合模型表用于查詢模型的屬性信息，如三維地質模型的地質年代、某段隧道模型所用的鋼筋型號等。該表的信息量較大，對表單的列信息不再一一列舉。

圖3 錄入數(shù)據(jù)表結構

圖4 “三臺階七步開挖法”截面數(shù)據(jù)

3.3 施工進度模擬

施工進度模擬則根據(jù)時間從表中依次取出每個工序的開挖面數(shù)據(jù)、線位數(shù)據(jù)、開挖起始里程和終止里程，根據(jù)這些數(shù)據(jù)實時構建三維模型并以動畫的形式顯示到三維模型中，用戶可以設定一幀動畫的時間跨度，系統(tǒng)則根據(jù)設定的時間跨度自動取數(shù)據(jù)并生成三維模型。其算法如下。

算法:SCHEDULE_SIMULATION(R，S)

輸入:R表示需要模擬的時間段，由最小值和最大值兩個值組成，S表示一幀動畫的時間跨度。

輸出:時間段R內(nèi)的施工進度三維模擬

1．取R時間段的最小值，并賦值給變量Current-Time

2．while(CurrentTime在R范圍內(nèi))

3．then從工序開挖時間表中取出符合T＞CurrentTime－S＆＆T＜=CurrentTime條件的表單項，其中T表示開挖時間，并存放到D中;

4．for(I in D)//對于D中的每一項

5．do根據(jù)工序ID從開挖工序表中取得開挖面數(shù)據(jù);

6．根據(jù)線位ID、開挖起始里程和開挖終止里程從線位表中取得線位數(shù)據(jù);

7．根據(jù)線位數(shù)據(jù)和開挖面數(shù)據(jù)放樣三維模型;

8．替換原始模型并顯示到三維平臺中;

9．CurrentTime+=S;

10．程序結束。

3.4 三維模型下載策略

由于模型很大，在線下載的時候將占用大量的網(wǎng)絡資源，嚴重影響用戶的體驗。為了解決這個問題，可以通過以下策略:

①對模型下載的優(yōu)先級進行編號，先下載模型小的、重要的數(shù)據(jù)。

②啟用后臺多線程對模型下載。

③對模型分區(qū)下載，用戶可以通過框選的形式選擇感興趣的區(qū)域，將該區(qū)域的三維模型下載下來。

④利用空閑時間下載模型數(shù)據(jù)。

⑤采用本地緩存的形式下載，將已經(jīng)下載的數(shù)據(jù)緩沖到本地，并記錄模型創(chuàng)建時間，提示用戶下載最新數(shù)據(jù)。

對于策略1，可在模型表中加入優(yōu)先級字段，在模型下載時候，先按優(yōu)先級排序，在從列表中依次取出優(yōu)先級從高到低的模型下載到客戶端。對于策略2，在程序啟動的時候創(chuàng)建一個專門用于下載的線程，下載完畢后關閉該線程。對于策略3，記錄模型的地理坐標，用該坐標與用戶框選的坐標范圍比較，如果模型的地理坐標在范圍之內(nèi)則將模型加入下載隊列，否則不下載該模型。對于策略4，用戶可以自定義空閑時間，如晚上11點至次日凌晨5點為空閑時間，系統(tǒng)則在該時間段內(nèi)集中對模型進行下載。對于策略5，當將模型下載到本地的時候，將模型緩存到本地的某個文件夾中，并將模型的創(chuàng)建時間記錄到本地，當系統(tǒng)再次打開的時候，依據(jù)該時間來確定模型是否需要下載;如果本地時間與服務器時間不一致，則說明該模型有改動，提示用戶從服務器下載最新數(shù)據(jù)，這樣做可以避免重復下載同一個數(shù)據(jù)。

4 結束語

利用三維GIS技術對隧道施工中常用的“三臺階七步開挖法”進行管理，避免了在施工過程中步驟繁多、步驟之間干擾大、施工組織麻煩等問題。在施工進度管理中，采用動畫的形式形象地展示了“三臺階七步開挖法”各個工序的施工進度，施工人員可根據(jù)現(xiàn)場情況通過網(wǎng)絡快速反饋信息，設計人員能夠方便地根據(jù)GIS平臺提供的數(shù)據(jù)及施工反饋信息進行各種調(diào)整，簡單而方便地設計各種施工方案。

［1］陳仕猛．三臺階七步法在毛羽山隧道施工中的應用［J］．工程技術，2010(13):122-124

［2］帥建國．隧道工程“三臺階七步開挖法”快速施工［J］．建筑施工，2011(33):1019-1021

［3］崔小鵬，孫韶峰等．CRD工法及三臺階七步開挖工法的對比和改進［J］．隧道建設，2010(30):131-133

［4］龔成術．淺談大斷面黃土隧道三臺階七步開挖法［J］．鐵道建筑技術，2009:71-74

［5］湯憲高，陳文義．鐵路隧道工程施工標準化管理手段探討［J］．建筑施工，2011(3):1-5

［6］董寧，辜文凱．隧道開挖方法及其施工技術要點分析［J］．施工技術與測量技術，2012(32):167-170

［7］張小明．堆積體大斷面隧道進洞施工工法［J］．施工技術與工藝，2012:130-133

［8］孫晉鋒．重載鐵路黃土隧道施工階段風險管理探討［J］．山西建筑，2013(39):188-190