（地质工程专业论文）隧道监测数字化系统研究.pdf

摘要 摘要 以隧道工程为代表的地下工程的建设是以岩土为介质的，岩土介质的复杂性 及其不可见性增加了隧道工程建设的困难，因此，如何更加方便、透明的研究岩 土介质，以更加有效的管理隧道工程建设变得尤为重要。本文以括苍山隧道为依 托，基于同济曙光以v c + + 、o b j e o t a r x 编程语言为手段对a u t o c a d 进行二次 开发，运用三维地层建模、隧道建模、隧道施工动态查询、监测信息三维可视化 查询、有限元基本理论及其编程技术，实现了数字化技术在隧道建设中的应用： ( 1 ) 完善隧道监测数字化系统数据库建设，实现隧道监测数字化系统框架 建设。整理隧道工程建设勘察、设计、施工、监测等各阶段信息，并在此基础上 进行数据库构建形成隧道监测数字化系统数据库：对a u t o c a d 进行二次开发形 成隧道监测数字化系统基本构架；运用三棱柱地层建模、隧道建模、隧道施工监 测信息动态可视化查询技术实现隧道监测数字化系统基本功能。 ( 2 ) 运用有限元基本理论知识，进行有限元程序编程及封装。根据隧道建 设具体情况，进行有限元计算边界条件界定、单元选取、本构模型确定，在此基 础上进行有限元程序编程并封装。 ( 3 ) 将有限元程序块与隧道数字化系统框架整合，实现隧道监测数字化系 统的有限元分析功能。在隧道监测数字化系统基本框架内开辟隧道有限元数值计 算控件，完成对有限元程序的调用，并对有限元程序计算结果进行后处理，完成 计算结果的可视化输出与查询。 关键词：数字化系统，数字地层，可视化，有限元计算 a b s t r a c t ab s t r a c t u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gs u c ha st u n n e le n g i n e e r i n gi sc o n s t r u c t e di ns o i l t h e d i f f i c u l t yo f t u n n e le n g i n e e r i n gi n c r e a s e db e c a u s eo f t h ec o m p l e x i t ya n di n v i s i b i l i t y o fs o i l ，t h e r e f o r e , i tb e c o m e se x t r e m e l yi m p o r t a n tt om a k es o i lm o r ev i s i b l ei nt u n n e l e n g i n e e r i n g o n t h eb a s i so f t h ep r o j e c to f k u o e a n g s h a nt u n n e l ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h et e c h n i c a lo f 3 ds o l i dd i s p l a y , 3 dm o d e l i n go f t u n n e l s ，d y n a m i cq u e r y o f t u n n e lc o n s t r u c t i o n , 3 dv i s u a l i z a t i o nq u e r yo f m o n i t o ri n f o r m a t i o nb yt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti na u t o c a du s i n go b j e c t a r xa n dv c + + t h i st h e s i sa l s o r e s e a r c h e st h et h e o r yo fs t o c h a s t i cf m i t ce l e m e n ta n di t sp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , a n dr e a l i z et h e 痂1 i l ee l e m e n tc a l c u l a t i o nf u n c t i o ni nt u n n e ld i g i t a ls y s t e m f i r s t ，p e r f e c t i n gt h ed a t a b a s eo f t u n n e lm o n i t o rd i g i t a ls y s t e ma n dc o n s t r u c t i n g t h et u n n e lm o n i t o rd i g i t a ls y s t e mi nt h ew h o l e 1 1 1 ed a t a b a s eo f t u n n e ld i g i t a ls y s t e m i sb u i l do l lt h eb a s i so f t h ei n f o r m a t i o no f t u n n e li n v e s t i g a t i o n , d e s i g n ，c o n s t r u c t i o n a n dm o n i t o r ；, t h e 纳m eo f t h et u n n e lm o n i t o rd i g i t a ls y s t e mi sc o n s t r u c t e db yt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n ti na u t o c a d ；t h eb a s i cf u n c t i o ns u c ha s3 ds o l i dd i s p l a y , 3 dm o d e l i n go f t u n n e l s ，d y n a m i cq u e r yo f t u n n e lc o n s t r u c t i o n ，3 dv i s u a l i z a t i o n q u e r yo f m o n i t o ri n f o r m a t i o na r ef i r s tr e a l i z e d s e c o n d l y , p r o d u c i n gt h ef m i 钯e l e m e n tp r o g r a mu s i n gt h eb a s i ct h e o r yo ff i n i t e e l e m e n t t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h et u n n e lb o u n d a r yc o n d i t i o n st os e l e c tt h ee l e m e n t t y p ea n dc o n s t i t u t i v em o d e l , a n dp r o d u c i n gt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo nt h i sb a s i s t h i r d l y , o nt h es t u d yo f a b o v e , c o m b i n i n gt h e 矗n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n d t h e t u n n e lm o n i t o r d i g i t a ls y s t e ma n dr e a l i z i n gt h ef i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nf u n c t i o ni n t u n n e ld i g i t a ls y s t e m t h ef i i l i 钯e l e m e n tc o n t r o lw a r ei sb u i l df i r s ti nt h et u n n e l m o n i t o r d i g i t a ls y s t e mt oc a n t h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a m a n dt h e n , t h er e s l to f t h e f i l i i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nw i l lb ea n a l y s i s e da n de x p o r t e dv i s i b l e l y k e yw o r d s ：d i g i t a ls y s t e m ，d i g i t a ls t r a t a ，v i s i b l e ，t h ef i n i 钯e l e m e n tc a l c u l a t i o n n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 月 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 靴敝储篡：癌2 - 掌i 、曼i = t缈，牛 月 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在以隧道建设为代表的地下工程建设当中，由于地质条件的复杂多变性、岩 土体性质把握的不准确性和工程的隐蔽性给工程的设计、施工和科研带来了许多 不利影响，因而如何通过各种技术手段，对隧道建设各个阶段更加透明更加有效 的管理变得越来越重要。随着科学技术特别是计算机技术的发展，数字化技术作 为一个前沿的概念越来越为人们所熟知，并逐渐应用到隧道建设当中。所谓隧道 数字化工程就是指以三维数字地层为依托，利用信息化手段对隧道建设中的勘 察、设计、施工、监测等数据进行集中高效地管理，进行三维直观显示、空间分 析和数据查询与挖掘、专业应用和解释，目的为隧道建设及以后的养护和管理、 健康状态评估提供准确的地质资料、设计信息和施工数据等，最终实现对隧道全 生命周期的数字化，建成数据共享的信息管理平台。 1 2 隧道监测数字化国内外研究概况 在地下工程建设中，由于其介质岩土的复杂性和不可预知性，使得地下工程 建设的设计、施工和科研很难采用一个准确的物理量进行描述，更无法用一个确 定的数学、力学模型来评价。因而地下工程的隐蔽性、地层条件的复杂多变性、 岩土工程性质描述的不确定性使得工程师对地下工程的建设始终处于一种定性 的模糊的状态。随着信息技术的发展，数字化技术逐渐被应用到地下工程领域， 在对工程建设领域已经积累的大量的地质和工程资料进行有效管理和充分利用 的基础上，不断积累工程经验，对后续工程的设计、施工进行指导，以保证整个 工程建设的顺利进行。 数字化概念的提出是由美国前总统戈尔在1 9 9 8 年提出的，数字化概念的提 出有着深刻的时代背景、科技背景和政治背景，是美国为进一步维持国内经济持 续发展、保证美国在世界科学技术方面领先地位、维护美国2 l 世纪单极世界中 唯一超级大国地位的战略需要。数字化技术应用到工程领域是从地学领域开始 的，数字化在这些领域的发展也较快，许多公司都开发了比较成熟的软件，如 m n c o m 、d g i 等公司分别在露天矿井开采、石油物探和石油开采等领域进行了 卓有成效的研究，开发了空间地质模型及其可视化系统商业软件。数字化技术应 用到地下工程领域是近年来的事情，在国外，很多国家都做了很多的研究。奥地 】 第1 章绪论 利2 0 0 4 年开展了c i t y g r i d 项目的研究，其目标是建立一个地上、地下统一的 整个城市数字化模型，用于城市规划、城市噪音控制、交通规划、地下管线规划、 城市防灾、工程项目管理等；美国v i r g i n i a t e c h 大学从2 0 0 3 起开展了a m a d e u s ( a d a p t i v e r e a l t l m eg e o l o g i cm a p p i n g ，a n a l y s i sa n dd e s i g no f u n d e r g r o u n d s p a c e ) 计划的研究，其目标是：利用信息技术，为岩体地下工程的地质描述、 分析、设计与施工建立自适应时更新系统；捷克g e o n i c s 研究所研究采用数字照 相技术及图像处理技术在隧道掌子面地质描述及围岩特性获取方面的应用；韩国 铁路研究所与韩国s u w o n 大学近年来也联合研究采用p d a 和无线网络传输技术 建立隧道掌子面的数字化描述。在国内，数字化在地下工程中的应用起步相对较 晚，但是发展迅速，目前在理论研究、系统开发方面都有了很好的发展。朱合华 等人在总结了数字化在地下工程中应用工程经验的基础上给出了隧道数字化的 定义：隧道数字化工程是指以三维数字地层为依托，以信息化手段对隧道建设过 程中的勘察、设计、施工、检测和建立等数据进行集中高效地管理，为隧道的建 设、管理、运营、维护与防灾提供信息共享平台，工程建设完成后建成一个隧道 的数字化博物馆，最终实现对隧道全生命周期的数字化。在设计阶段准确掌握隧 道所在的三维地层信息可以提出较为优化的选线方案，降低工程难度，节约工程 造价；在施工阶段，及时高效地掌握隧道勘查设计信息、三维地层信息、施工监 测信息，可以提高各单位之间的协调能力和办事效率，可以保障隧道的顺利施工， 确保工程进度与安全，并可极大地提高工程建设的管理水平；在运营与维护阶段 对于设计与建设过程中资料与信息的准确把握可以降低运营成本，提高维护效 率，并可以提高灾害预防与快速处理的能力。 隧道数字化经过一段时期的研究，虽然在地层和隧道建模方面取得了一些成 果，也实现监测信息、勘察信息等资料的空间查询功能，但在专业应用方面还是 有一定的欠缺。通过一些数值计算软件如a n s y s 、同济曙光等专业软件能够建 立一些工程模型，对隧道进行专业分析，在这方面能够弥补隧道数字化系统的不 足，但是这些工程模型不具备三维可视化功能、虚拟浏览、数据查询与分析等功 能，因为如何将工程模型专业分析与隧道数字化系统结合建成一个完善隧道数字 化系统成为隧道数字化系统的一个发展方向。 1 3 本文研究目的与意义 本文的研究是在浙江省交通厅课题“高速公路深长隧道施工监控量测关键技 术研究”的资助下完成的。依托浙江省诸永高速公路括苍山隧道项目完成了括苍 山隧道监测数字化系统的开发研究。 2 第1 章绪论 本文的目的在于针对高度公路深长隧道建设过程中产生的勘察、设计、施工 和监测等信息资料进行处理，运用v i s u a lc + + 、o b j e c t a r x 对a u t o c a d 进行二 次开发，形成一个有机的、开放的系统，实现对隧道建设过程中的资料进行有效 管理，实现隧道勘察、设计、施工监测等信息的实时化、可视化的查询，并在有 限元数值计算原理的基础上利用编程技术实现隧道的有限元分析，极大地丰富了 隧道数字化系统的功能，为隧道建设管理提供了一个高效、全面的管理系统。 随着工程建设的发展，隧道建设越来越向深长方向发展，隧道建设的环境也 越来越朝复杂化方向发展，而现今隧道数字化工程的功能仅能实现对隧道勘察、 设计、施工、监测等信息的实时化、可视化查询，并在此基础上实现三维数字地 层的重构，但是在隧道数字化平台的基础上实现隧道有限元数值计算专业分析功 能的却很少。本文的研究正是在这种背景下尝试使用各种编程技巧，在隧道数字 化系统工程中实现对隧道的有限元数值计算专业分析功能，使得隧道数字化系统 的功能更加全面，极大地方便了专业技术人员对隧道建设的管理。 1 4 本文研究思路与内容 1 4 1 研究思路 本文在同济曙光的基础上，利用a u t o c a d 三维平台，使用v c + + 进行 o b j e c t a g x 的二次开发，实现对隧道建设信息资料的整合与管理，并以三棱柱地 层构造法为基础实现三维数字地层的重构、展示与查询；利用c a s c a d e 建模 算法实现隧道模型的构建，并使隧道模型与隧道属性的绑定来实现信息的可视化 查询功能；利用v c _ h 编程技术实现隧道的有限元数值计算，并形成程序模块， 在a u t o c a d 平台上实现对该程序块的调用，并对有限元计算成果进行可视化展 示，实现隧道监测数字化系统的有限元数值计算功能。 1 4 2 研究内容 本文的组织结构与研究内容如下所示： 第1 章，绪论。总结分析了国内外隧道监测数字化系统的研究概况，提出了 隧道监测数字化系统研究的思路与方法。 第2 章，隧道监测数字化系统开发技术研究。首先介绍了隧道监测数字化系 统的开发语言，接着阐述了隧道监测数字化系统数据库设计的一些原则与技巧， 其次给出了三维数字地层的三棱柱建模方法和高速公路深长隧道的建模方法，最 后详细描述了隧道监测数字化系统施工信息与监测信息的可视化查询功能的实 3 第1 章绪论 现方法。 第3 章，隧道有限元计算与隧道数字化系统整合技术研究。本章在介绍隧道 有限元数值计算原理的基础上，根据隧道建设的具体情况进行有限元程序编程， 并在隧道监测数字化系统框架内实现对有限元程序的调用并对有限元计算结果 进行可视化展示，实现隧道监测数字化系统的有限元数值计算功能。 第4 章，工程应用实例。详细介绍了将研究成果应用于括苍山隧道监测数字 化系统的开发中，完成括苍山隧道监测数字化系统的的开发，并对整个系统的功 能进行展示。 第5 章，结论与展望。本章是对全文的总结以及对以后工作的展望。 4 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 隧道监测数字化系统紧密结合工程实际情况，在充分利用隧道及地下工程专 业知识的同时，并广泛应用地理信息系统( g i s ) 技术、计算机可视化技术和数 据库技术。本章主要研究并实现了三维数字地层重构、隧道实体建模、隧道施工 监测可视化查询，隧道的动态施工展示等功能。 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空 间相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方 法，适时提供多种空间和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务而建立起 来的计算机技术系统，是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市 科学、信息科学为一体的新兴学科。地理信息系统的主要特色是：空间查询和分 析；提高了系统集成能力；辅助决策；自动制图。 2 1 系统开发平台与开发语言介绍 隧道数字化工程是从地学领域三维可视化技术发展而来的，目前隧道数字化 系统的开发主要有以下三种方式：( 1 ) 充分利用计算机图形学与编程语言，完全 自主开发，一切从零做起，开发出具有自主知识版权的系统。( 2 ) 基于某个c a d 系统的二次开发，比如在a u t o c a d 基础上进行二次开发。( 3 ) 基于c a d c a m 软件平台的开发，这种开发方法介于前两种开发方法之间，与第二种开发方式相 比更能深入软件的核心层，与第一种开发方式相比具有周期短、见效快、系统稳 定性好和功能强等特点，其缺点在于购买平台的费用很高。由于目前国内对第三 种方法的研究很少，对前两种方法的研究比较多，相关的书籍论文也较多，而一 切从头开始开发在时间技术方面难度较大，且开发出的系统稳定性较差，因而本 文采取第二种方式进行隧道监测数字化系统的开发：充分利用同济曙光现有程序 基础，在a u t o c a d 系统的平台上，利用o b j e c t a r x 编程技术进行二次开发。 在o b j e c t a r x 环境下开发的程序称为a r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) 应用程序。a r x 应用程序不是一个独立的进程，而是一个动态链接库，a r x 程 序与a u t o c a d 在同一地址空间运行，能直接利用a u t o c a d 的内核代码，直接 访问a u t o c a d 的数据库、图形系统及几何造型核心，在运行期间实时扩展 a u t o c a d 具有的类及其功能，建立与a u t o c a d 本身的固有命令操作方式相同的 新命令。a p , x 应用程序采用了与a u t o l i s p 和a d s 完全不同的运行机制，使用运 行速度大大提高和程序功能大大增强。此外，开发a r x 应用程序还可以充分利 s 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 用w m d o w s 的资源、微软的基本类库m f c 和v i s u a lc + + 可视化编程语言和工具， 方便、高效地设计出w i n d o w s 风格的c a d 应用程序。 o b j 删x 编程环境包括大量c + + 库，允许用户开发a u t o c a d 应用程序， 扩充a u t o c a d 类和协议，以及创建与内部a u t o c a d 命令一样操作的新命令。 从a r x 开发者的角度来看，a u t o c a d 图形数据库是一个对象管理器，它管 理的是图形及其属性数据，开发者可以根据应用的需要添加和建立新的对象管理 器，并加入到这个体系中去。o b j c c t a g x 应用程序以c * 为基本开发语言，具有 面向对象编程方式的数据可封装性、可继承性及多态性等特点。 2 2 隧道监测数字化系统数据库基础 隧道监测数字化系统数据库平台分为三层架构，分别是：数据服务层、业务 逻辑层与用户服务层。数据服务层是整个系统的数据提供者，其目标是建立一个 面向客户的统一虚拟数据访问层，实现物理上分布的局部数据库数据整合，包括 矢量数据库、属性数据库及栅格数据库。业务逻辑层是整个信息基础平台数据资 源整合中心与核心业务功能提供者，可实现地物的建模、可视化、虚拟展示与决 策分析等功能。它又可划分为建模核心层、表现层、分析层、应用层四个层次。 用户服务层面向最终用户，实现用户的最终需要。 j l、_ 臀黼箩 髟 一 腿馒一 雩 u 疆道辅勋没诅埯上动念缦拙茧控台诲射疑物定托 ( 二竺j 箩 尊f 。 墨 蘸。，。i ? 。j 。：。? 一一i 。女，。g 。， j 。菇_ l 土 图2 1 隧道监测数字化系统总体结构图 6 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 2 2 1 数字化系统数据库整体原则 数字化系统数据库构建是隧道监测数字化系统设计的最重要的步骤之一，是 其它各步工作的基础。 隧道的研究区域边界包含水平方向和垂直方向( 深度方向) 两个方面。在水平 方向上，主要集中带状地形图范围；在深度方向上，应以满足数字化隧道管理与 应用服务系统为准。隧道监测数字化系统综合信息数据的内容包括基础地质、工 程地质、水文地质、环境地质、地下管线、隧道和附属建筑物等。另外尚包括地 表建筑物、地表信息等。空间数据分类编码的一般原则是：科学性、系统性和实 用性。 2 2 2 数据库的分类、命名及编码 隧道监测数字化系统数据库不仅要把已有的各种地质平面图、地质剖面等转 为数字地图的形式存入计算机。而且为了便于在二次开发中对各种地质信息进行 分析和处理，要根据一些特定模式来分解地下空间要素，以便于分析、表现和说 明从属于地表和地下的不同类的事物，包括地质体、隧道、附属设施、监测设施 等。因此综合信息数据库的数据组织有其特定的模式。一个好的空间数据库应该 包括以下四个方面： 1 ) 逻辑上和物理上地下空间数据库的无缝组织； 2 ) 数据存取效率高； 3 ) 便于数据库完整性和一致性维护； 4 ) 数据库易于扩充。 l 隧道监测数字化系统数据分类 隧道监测数字化系统数据的分类一方面考虑到现行地学和工学数据来源、特 征和勘察方法；另一方面需要综合考虑数据库将为地层与隧道主体和附属工程物 三维模型模拟与可视化、空间分析，建立隧道工程管理与应用服务系统提供数据 支持，参照国土资源分类标准、城市地质调查和数字化工程的管理与应用需求， 将各类数据按三级分类，涵盖地理、地层、隧道及附属建( 构) 筑物。 2 数据库命名和编码内容 在隧道监测数字化系统数据库和三维模型建立中，要求进行统一的编码和命 名。本文参照了有关标准，结合数字化隧道工程管理与应用系统的特点，制定隧 道监测数字化系统数据库建设的统一命名和编码规则，包括图层命名、数据库与 数据表命名、图元编码命名、索引编码命名和元数据表命名。 7 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 2 3 三维数字地层建模技术研究 2 3 1 三维数字地层建模技术 在三维g i s 构模法中以表面构模法、块段构模法、线框一实体构模法的应用 最为广泛，与之相应的基于面的数据模型及基于体的数据模型也就成为当前三维 g i s 数据模型与结构的研究热点。本文以钻孔数据为基础来构建三维数字地层采 用的是非约束2 dd e l a u n a y 三角化与动态插点法： 1 非约束2 dd e l a u n a y 三角化算法与动态插点算法实现 ， 1 ) 2 dd e l a u n a y 三角化算法 三维数字地层建模过程中的基本元素有点、边、三角形，点由二维坐标( x ， y ) 唯一确定其平面位置。邻接边链表是与该点所连接的所有边所组成的链表。设 一空指针为将来应用时预留的空接口，之所以为空指是因为可以方便的将其转化 为任意其它指针类型。边是由两点唯一确定的两点相连关系。边包括两端点的指 针以及其两侧所邻接的三角形。三角形由三点按逆时针方向构成。其包括该三点 的指针与相应三边的指针，同时也预留了空指针为将来应用程序接口。 2 ) 三角网中动态插入点局部三角网重构算法 在平面中任意插入一点，要重新确定三角网首先得确定该点在哪个三角形内 部，或该点在所有三角形之外。如果新插入点是落在外部则重新三角化所有点， 如果落在三角网内部则采取局部三角化以节省时间开支。 2 层状地层建模方法 三维数字地层建模是基于钻孔的地层重构算法。其总体思路是根据钻孔平面 位置用所有钻孔点平面点集进行平面二维d t 构网，找出钻孔之间的连接关系， 然后再根据此连接关系沿深度方向生成三棱柱体形成地层实体。 1 ) 预处理每一钻孔，产生标准化层序地层：从钻孔链表中取出第一个钻 孔与其它各钻孔进行比较，其他钻孔有而该第一钻孔没有的地层，则在第一钻孔 中插入。插入原则是除钻孔最底部点外，钻孔其他缺失层均增加零厚度地层，且 用标志符表示为插入层。如图2 2 中第1 、3 地层第二钻孔有而第一钻孔没有， 则在第一钻孔中插入零厚度1 、3 地层且做标志。钻孔底端底层插入时为同厚度 插入，如图2 2 图中第6 层地层第一钻孔没有，而第2 钻孔有，则第1 钻孔且厚 度与第2 钻孔第6 层相同。当第一钻孔标准化层序产生后，其他钻孔均与第l 钻孔比较，以相同的方法处理各钻孔地层层序，经过这样处理各钻孔都会有相 同的地层层序与地层数。 8 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 2 ) 根据每一钻孔x 、y 坐标生成平面点集，按上述d t 三角化算法生成平面 三角网，确定钻孔之间连接关系。 3 ) 如图2 3 所示，通过二维d t 生成三角形t ( i ，j ，k ) ，i ，j ，k 分别为点 号，每一点分别唯一对应一钻孔，则由i l ，j l ，k l ，h ，j 2 ，k 2 六点便可产生三棱 柱体。由于各钻孔具有相同地层数，三钻孔能从上到下很完整的连成三棱柱。由 于存在插入点，可能产生零厚度地层，这将在图形生成、显示或后续空间分析中 带来很多不必要的麻烦，因此，对于三棱柱三棱高均为零的棱柱体将不再生成， 如果有两条棱或一条棱为零的棱柱，则给与其零高度棱适当增加微量高度，使三 棱柱高度不为零，这将有利于图形的生成。 k 。 图2 2 预处理钻孔示意图图2 3 由钻孔生成的三棱柱示意图 3 在已生成地层基础上增加钻孔 当地层通过原始钻孔数据生成之后，我们将在形成的地层中做一系列的分析 或进行一些操作，但所生成的地层是否与实际地层一致是工程人员非常关心和重 视的问题。如果在我们隧道开挖过程中，实际所见地层与根据钻孔所构地层出入 甚远，则可能有以下原因： 1 ) 地层生成算法的不准确性； 2 ) 钻孔少，信息量少： 图2 4 增加钻孔前后地层变化情况示意图 9 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 3 ) 错误信息等。这些原因都可能造成所构地层的失真。为了能够更加准确的 对工程建设进行指导，通过后续工程中的信息收集，对已构地层的动态修复就显 得非常有意义。这里我们主要对于开挖等情况下所获得的新的信息动态插入到已 生成地层中做一些讨论。对于所获新信息同样可以以钻孔的形式给出，将这一新 钻孔插入到现有地层时，通过前述平面d e l a u n a y 三角网局部重构，重新生成局 部调整过的三角网所涉及的地层三棱柱便可实现动态地层重构过程。 其具体过程是在前述平面三角网局部插入点算法过程中，在删除原有三角形 时，删除三角形所联系之图形对象，在建立新三角形时产生新的三棱柱实体。图 2 4 所示为由于增加钻孔所带来的地层变化情况。 2 3 2 地层信息数据处理与编程 地质钻孔是地层的信息的来源，在数据库中是通过五张表以及它们之间的关 系来描述的：分层标准表、标准地层描述表、钻孔基本信息表、钻孔土层描述表 和整体地层描述表。表划分和字段组织以满足数据库基础理论3 范式要求为准， 即字段与字段之间除对主键存在函数约束关系之外，不存在函数约束关系。 标准地层描述表是一张信息表，地层分层i d 为地层一个数字编号，为标准 地层描述表的主键，在其它表中关于地层的描述都应该受此约束；分层标准i d 是外键约束，就是说地层的分类是根据什么标准来划分的，在分层标准表中申明； 地层数字编码是根据城市基础地理信息系统技术规范( c j j l 0 0 - 2 0 0 4 ) 城市基 础地质要素分类代码确定，地层代号是工程地质人员习惯使用的符号，比如磁； 地层名称是中文的地质命名，比如粉质粘土；时代和成因主要说明地层形成的时 间和过程；图例编号、图例高度、图例宽度、图例颜色主要用于地质( 剖面) 图中 的地层表示；地层颜色、地层描述主要就地层的肉眼观测颜色，地层的区域分布 规律等进行简要说明；未尽事宜可以在备注中进行说明。 分层标准表也是一张信息表，表明是根据什么行业标准来制定土层的分类和 命名。索引编号此处作计数序号使用；分层标准d 为分层标准表主键，主要考 虑由于不同部门、不同年代在地层分层标准上并不相同，需要给出一个清晰划分， 它可以对标准地层描述表分层标准d 形成外键约束，和分层标准名称一一对应； 专业类型d 主要是指该分层标准是什么专业制定或使用的，比如基础地质，水 文地质，工程地质对应数字编号；标准建立单位按参加编写主要单位填写。 工程地质钻孔基本信息表是一张钻孔基本信息表，对工程地质钻孔进行统一 说明和分类。钻孔编号为工程地质钻孔基本信息表的主键，采用数字编码，唯一 标示一个钻孔。 整体地层描述表是从钻孔信息中提炼出来的，是一张辅助表。索引编号此处 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 作主键使用；钻孔编号来源于工程地质钻孔基本信息表，分层标准i d 来源于分 层标准表，地层分层i d 来源于标准地层描述表，也就是说，这些字段不能够单 独存在，且为i ：n 的关系；上层接触关系、下层接触关系、层理构造按照地质描 述填写。 钻孔土层描述表也是从钻孔信息中提炼出来的，是一张辅助表，主要用来描 述钻孔中土层的空间分布。索引编号此处作主键使用；钻孔编号源于工程地质钻 孔基本信息表外键约束，分层标准i d 源于分层标准表外键约束，地层分层i d 源于标准地层描述表外键约束；层底埋深指土层底的标高。 通过以上五张表的描述和数据表芙系( 见图25 ) 建立，就可以将基于钻孔 的地层信息表达完善。 图25 钻孔数据表关系 24 隧道模型建横技术 2 4 1t 道毫攘的基本步骤 在隧道数字化系统的开发当中，隧道建模分为阻下4 个步骤： 1 ) 建立横断面；通过对隧道横断面的设计参数进行提取、分析，使得隧道 横断面转化为由直线段和圆弧组成的线段组，把这些线段首尾相连就形成了隧道 的横断面。如图26 所示五心圆公路隧道标准横断面，通过图示参数经过计算便 町求得各段曲线的数学表达。 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 图2 6 五心圆公路隧道标准断面图 2 ) 确定平纵曲线；隧道设计单位根据相关隧道设计标准，在地质勘查等工 作的基础上确定隧道的平曲线和纵曲线，根据隧道的平、纵曲线将之进行处理， 形成由直线和圆弧组成的曲线段组。 3 ) 生成隧道模型；在生成隧道横断面和平纵曲线的基础上，将隧道横断面 沿平纵曲线平行移动生成一扫描体即生成隧道模型，这种图形生成的具体算法由 图形平台提供。 4 ) 生成中导洞；中导洞的生成是在已经生成的隧道模型中开挖到洞口与生 成导洞体。在已生成的主隧道模型体中减去中导洞体外轮廓的布尔运算进而生成 中导洞口，而中导洞体的生成方式与主隧道体的生成过程一样。 2 4 2 隧道建模的数据处理及其编程语言实现 隧道工程特别是深长隧道施工工序复杂，需要记录与整理的相关信息非常庞 杂，为了有效、全面的纪录隧道的相关信息以满足隧道建模的需要，在隧道监测 数字化系统的开发研究当中设计了隧道工程概述、隧道横断面轨迹表和隧道纵断 面轨迹表三张表来描述隧道体建模信息。隧道工程概述表记录了隧道1 i ) ( 隧道 m 是人为的划分的隧道区间标号，指的是同一条隧道同一施工部位的同一级围 岩的一段距离，例如隧道d0 0 1 代表隧道左线) 、隧道名称、线路i d 、所属项 目编号、设计图纸等信息。隧道纵断面轨迹记录了隧道i d 、桩号里程、x 坐标、 y 坐标、z 坐标等信息。隧道横断面记录了隧道i d 、断面点号、x 坐标、y 坐标、 圆心角等信息。三张表通过相同的字段即隧道i d 建立联系。 在系统开发中，对隧道建模相关数据的调用是通过下面的数据结构实现的： 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 t y p e d e fs t r u c tt a g g d t u n n e l t r o c h o i d p o i n t i n ti n d e x ； 所有的坐标个数 i n ts e c t i o n n u n ； 所在区间 d o u b l em i l e a g e ：里程 c r i m et i m e ； 与里程相对应的时间 s t d ：s t r i n gr e m a r k ；备注 d o u b l ei ： 轨迹上点的坐标 d o u b l ey ： d o u b l ez ： g d p r o c e s s t r o c h o i d p o i n t ： t y p e d e fs t r u c tt a 棚u n n e l p r o f i l e p o i n t 轨迹线点结构 i n ti n d e x ； 所有的坐标个数 i n tt u n n e l n u a ；所属隧道 i n to r d e r p o i n t ： 第几个点 d o u b l ez ：断面上点的坐标 d o u b l ey ： d o u b l ea n g l e ；圆心角 c 4 ) t m m e l p r o f i l e p o i n t ： 2 5 施工信息动态查询及监测信息可视化查询技术 2 5 1 时空数据的组织和管理 ( 1 ) 时空数据的组织时态g i s ，也称4 d g i s ，意为在三维空间上加上时间 维度的g i s 。时空数据的组织首先要考虑时空数据的时态内聚性强度和空间与属 性内聚性强度，其中，时态内聚性强度主要是指现状数据与历史数据结合的紧密 程度，其包括对象变更的频繁程度和对现状、历史数据操作的频繁程度等。一般 现状和历史数据可以存储至同一数据集，或者分离存储，其中对于内聚性较强， 对象变更频繁、变更量较大或对历史数据操作频繁的情况，如施工监测等数据， 应将现状数据与历史数据存储至同一数据集；而对于内聚性较弱、现势数据操作 频繁、对历史数据操作较少的情况，应考虑将现状和历史分离存储。 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 图2 7 时间线或。时间矢量” ( 2 ) 时空数据的管理与表达 时态g i s 中为了便于时空数据的管理与表达，引入了时间矢量这一概念。所 有的变化存储为时间序列，显式地存储了与时间相关的变化和时间拓扑关系。通 过这样的时间线或时间矢量，如图2 7 所示，可对时空数据进行简单、直接的管 理和操作。 在基于关系环境的g i s 属性数据库中，同一实体的空间数据和属性数据是 用共同的标识符( d ) 链接的，但对时态一空间数据库而言，某一实体标识符直接 影响着时态属性的标记，加入时间数据需要改变这种链接关系。如果简单的将数 据分类为时间数据空间数据和属性数据的做法实际上是未将时间作为第四维空 间，而是当作实体一个属性数据操作。在时态数据库中常采用时间标记方法对时 态属性数据进行管理，比较常用的两种方法是对元组添加时间标记和对属性项添 加标记。前者是对同一实体的属性元组加以时间标记，后者是对每一属性项进行 时间标记。 2 5 2 动态施工展示技术 国内外动态施工方面的研究主要集中在动态施工中的受力模拟和安全性稳 定性分析，可视化的动态施工研究很少涉及，也就水电工程方面有所研究。 施工进度数据结合上面时空数据的组织和管理理论，设计出适合隧道的施工 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 时空数据结构： t y p e d e fs t r u c tt a g g d p r o c e s s t r o c h o i d p o i n t l i n ti n d e x ；所有的坐标个数 i n ts e c t i o n n u m ；所在区间 d o u b l em i l e a g e ； 里程 c r i m et i m e ； 与里程相对应的时间 s t d ：s t d n gr e m a r k ；| 箍注 d o u b l ex ； 轨迹上点的坐标 d o u b l e w d o u b l ez ； l g d p r o c e s s t r o c h o i d p o i n t ； c l a s sg d s e c t i o n tp u b l i c ： s t d ：s t d n gs e c t i o n n u m ；所属区间 s t d ：s t r i n gt u n n e l n a m e ；，所属隧道 s t d ：s t r i n gs e g m e n t ；所在施工部位 s t d ：s t d n gs e c t i o n ； 所在标段 s t d ：s t r i n gc o n s t r u c t i o n u n i t ；，所属旅工单位 g d p r o c e s s p r o f i l ep r o f i l e ；进度横断面 ； d a s sg d e x c a v a t e s e c t i o n ：p u b l i cg d s e c t i o n fp u b l i c ： i n tm y t y p e ； e n u me x c a v a t e t y p e c r d , d o u b l e s i d e w a l l ，u p a n d d o w n b e n c h f u l l s e c t i o n ； s t d ：l i s t r e _ l i s t _ s e c t o r ； 区段链表 s t d ：e c t o r s e c t i o n t r o c h o i d ；纵向进度变化 ) ； 利用数据库技术和三维建模技术，可以得到隧道施工进度模型，总体可视化 方案如下图2 8 ，动态施工展示的效果需要说明的是，开挖的岩体的过程是增加 不同颜色的实体的过程，采用这样的展示手法，让用户能更加清晰明白的看到隧 第2 章隧道监测数字化系统开发技术研究 道动态开挖的效果。 图2 8 动态施工可视化技术 2 5 3 监测信息可视化查询技术 国内外学者在监测方面做了很多的研究工作，例如意大利的微机辅助监测系 统( m a m s ) ，可实现数据采集、校验、存储和传输，并具有快速在线判断和报警 功能；胡金莲、陈扬友( 1 9 9 7 年) 在开发三峡工程施工安全监测数据库管理系 统中提出了工程数据库可视化查询的设想，并采用了实现可视化查询的关键技 术，他们的可视化查询，是集合理论的基础上，提出了通过对集合的映射变换至 图形的新设想，实现的是一幅图到另一幅图的查询，不是从三维实体到数据信息 的查询；袁宝远( 1 9 9 8 年) 在其博士学位论文中对边坡地质信息系统与监测信 息系统作了研究；刘大安、杨志法等人( 2 0 0 0 年) 开发了专用型的综合地质信 息系统，并在一个水电站船闸边坡工程中作了应用；李元海、朱合华( 2 0 0 2 年) 对岩土工程施工监测信息系统作了初步探讨，重点论述了数据库管理系统、图形 可视化系统以及分析预测系统；林勇( 2 0 0 3 年) 开发公路隧道监控量测数据管 理系统，并介绍了系统的功能和数据结构设计；谢伟、孟岩( 2 0 0 6 年) 提出建 立基于g i s 的地铁隧道安全监测信息系统，实