CN101509382B - 一种隧道勘察方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道勘察方法，包括以下步骤：1)获取三维地面、地质数据；2)生成DGEM；3)生成DLEM；4)生成DTEM；5)形成隧道全局三维实体模型并进行隧道方案选择；6)生成地质挖方实体；7)建立地质实体截面预测模型；8)生成复杂构造物的三维钢筋衬砌图；9)生成隧道平面构造图；10)生成分施工阶段的填挖方实体，指导隧道设计与施工。本发明方法可以直接得到隧道三维效果及地质情况，准确、直观方便地选择隧道方案，有效减少返工量，提高勘察质量、施工安全性和隧道的稳定性，解决洞口与环境协调的问题，显著提高隧道洞口、洞门及洞身设计效果。可以广泛用于隧道勘察，在工程应用时根据具体需要对相应软件进行配置即可。
Description
技术领域
本发明涉及建筑现场基础土壤的勘测，尤其是涉及一种隧道勘察方法。
背景技术
现有的隧道勘察方法，包括通过测量收集和分析隧道线位区域内有关设计资料、在地形图上选出几个可能的线位方案、根据线位方案将隧道不同桩号的纵横断面数据反映到二维视图上、结合地质钻孔柱状图或地质剖面图进行设计与实地勘测、反复比较确定经济、合理的平纵线形及隧道洞口方案。这种隧道勘察方法费时费力，在很大程度上取决于选线人员的实际经验和技术水平，不适合用于工期相对较紧、要求较高的工程。尤其是采用这种二维方法选线选位，不能和实际地形、路线景观相协调，也不能和地质状况等实际情况紧密结合，出图的准确度不高，效果不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提出一种基于数字高程模型(Digital Elevation Model，缩写为DEM)、数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，缩写为DOM)和三维实体的隧道勘察方法。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种隧道勘察方法，包括步骤1)获取三维地面、地质数据。
这种隧道勘察方法的特点是：
还包括以下步骤：
2)建立DEM、DOM，生成三维地面实体模型(Digital Ground EntityModel，缩写为DGEM)；所述实体具有的信息包括地貌、形状、体积、地质 质地和X、Y、Z坐标向量，以及力学特征质量、质心、惯性和受力。
3)生成三维地质实体模型(Digital Geological Entity Model，缩写为DLEM)；
4)生成三维隧道实体模型(Digital Tunnel Entity Model，缩写为DTEM)；
5)形成隧道全局三维实体模型并进行隧道方案选择和隧道构造物实体力学分析；
6)生成地质挖方实体；
7)建立地质实体截面预测模型；
8)生成复杂构造物的的三维钢筋衬砌图；
9)生成隧道平面构造图；
10)生成分施工阶段的填挖方实体，指导隧道设计与施工。
所述步骤2)-4)是实体的建立三维隧道实体、地面地质实体模型阶段，将原有的方法的二维断面图提升为三维隧道实体模型与地面地质实体模型结合，为选择线位及隧道方案、得到挖方、进行力学分析、建立灾害预测模型、配置钢筋衬砌、截面生成图纸等做初期准备。
步骤5)将DTEM与虚拟地形地质的DLEM相结合生成隧道全局三维模型，可以实时调节路线参数、隧道实体相对地面实体的位置、角度等，比原有方法在二维图上选择位置直观准确方便。可以方便地对隧道构造物进行实体力学分析。
步骤6)由隧道洞口、洞身实体与三维地质实体做切割运算或布尔运算得到三维洞口、洞身以及边坡、仰坡挖方实体，可以直观隧道挖方所有的内部地质结构，以往的方法都是对照地质的剖面图不能代表全局的情况， 既无法算出挖方，也得不到挖方的准确体积、质量。
步骤7)结合三维地质实体建立隧道截面不良地质预测模型，可以有效的预测隧道的地质情况。原有的隧道勘查设计方法缺乏对灾害的预测，也无法准确预测，会导致隧道施工事故频繁发生。
步骤8)结合三维地质挖方实体生成复杂构造物的三维配钢筋和衬砌比原有方法在断面图上进行钢筋和衬砌布置直观准确。一些复杂部位钢筋图如：人行横洞、车行横洞连接部，通过截面方式可以方便生成配钢筋图。
步骤9)对三维隧道实体模型进行截面操作生成隧道平面图纸，可以反映隧道实际情况，而原有方法在二维图纸上画图，和实际情况有可能脱节，难以反映隧道实际情况。一些包括人行横洞、车行横洞连接部的复杂部位图纸，通过截面方式可以方便生成平面图纸。
步骤10)由布尔运算得到分施工阶段的挖方实体，给施工单位指明隧道内部地质结构，可以有效的采取预防措施、减少施工工作量，节约开支，降低指标。而原有方法缺乏分施工阶段的隧道施工指导，难以避免发生隧道施工事故。
综上所述，本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明方法可以直接得到隧道三维效果及地质情况，准确、直观方便地选择隧道方案，有效减少返工量，提高勘察质量、施工安全性和隧道的稳定性，解决洞口与环境协调的问题，显著提高隧道洞口、洞门及洞身设计的效果。本发明方法根据地质地面实体识别出的不良地质坍塌灾害精确度更高，并能查清坍塌灾害的发生位置规律与发展趋势，实现隧道施工坍塌灾害的稳定性与危险性评估。针对不良地质情况改善路线线位及隧道位置合理三维化配置钢筋，以避免坍塌灾害对工程的影响，起到减灾防灾的 作用。并可以由三维实体截面准确快速生成平面设计图。根据模拟的挖方可以指导隧道施工，减少施工工作量，降低施工风险。本发明方法可以广泛用于隧道勘察，在工程应用时根据具体需要对相应软件进行配置即可。
附图说明
附图是本发明具体实施方式的方法流程图。
具体实施方式
下面对照附图并结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种隧道勘察方法，包括以下步骤：
步骤1)获取三维地面、地质数据，包括以下子步骤：
1-1)获取遥感、航测，多时相高分辨率卫星立体图像和机载激光雷达系统(Light Detection And Ranging，缩写为LIDAR)扫描数据；勘察区域应沿着路线方案，起点、终点超出隧道进、出洞口位置(20-100m)，采用航测、遥感带有高程数据的比例为1∶(500-1000)的地形图或卫星成像的分辨率为0.2-1.0m的高分辨率卫星立体图像，高分辨率卫星立体图像应带有有理函数传感器模型参数，LIDAR数据应带有GPS、IMU姿态定位参数；
1-2)获取钻探、物探，地质柱状图、剖面图数据；钻探、物探数据应按照施工图规范要求布点，获取相关地质信息，所述地质信息包括地层岩性、断裂构造、植被垫层、表层纹理和因子信息。
步骤2)建立DEM、DOM，生成DGEM，包括以下子步骤：
2-1)遥感、航测，高分辨率卫星图像和LIDAR数据立体恢复建立高密度、高精度DEM、DOM；DEM的获取包括利用高分辨率卫星立体图像生成格网间距小于1m的高密度、高精度DEM、利用LIDAR直接获取的格网间距小 于1m高密度、高精度DEM、通过对现有地形资料数字化建立的DEM；所述高密度、高精度DEM生成，是采用规则格网格式，用DEM编辑软件进行交互编辑修改，DEM格式为国家标准NSDTF，以区域左下角为坐标原点，格网间距应小于1m；利用带有高程数据的1∶500地形图生成高密度、高精度DEM，或在无地面控制或沿工程路线方案每10km布设1-2个地面控制点的情况下，在数字摄影测量工作站上对高分辨率卫星立体像对进行内定向、相对定向、核线重采样、绝对定向处理，恢复高分辨率卫星图像的空间模型；基于多时相高密度、高精度DEM获取的因子，包括几何参数因子、地形地貌特征因子、地质因子；
DOM的获取是利用数字高程模型(DEM)对经扫描处理的数字化航空像片，经逐像元进行投影差改正、镶嵌，按国家基本比例尺地形图图幅范围剪裁生成的数字正射影像数据集，是同时具有地图几何精度和影像特征的图像，具有精度高、信息丰富、直观真实等优点。
2-2)由高密度、高精度DEM、DOM数据生成DGEM；利用高密度、高精度DEM或立体恢复后的多时相高分辨率立体影像DOM生成具有准确地理坐标的DGEM。
步骤3)生成DLEM，包括以下子步骤：
3-1)钻探、物探地质柱状图、剖面图数据生成三维地质数据；三维地质数据包括利用钻探、物探生成的三维点云数据或带高程的柱状图剖面图数据。
3-2)在DGEM中叠加三维地质数据生成DLEM；按照钻孔地质三维数据坐标将地质数据叠加到地面实体中，并用规范的标识区分地面地质实体，建立地质构造、地层岩性遥感解译标志。
步骤4)生成DTEM，是根据路线参数及隧道参数生成DTEM，并根据步骤5)调整DTEM的相应参数；路线参数包括分离连拱式、路基宽、平曲线、纵坡、超高；隧道模型参数包括隧道洞门类型：端墙式隧道、削竹式隧道、明洞隧道和翼墙式隧道，以及洞身类型、排水沟、边坡、边沟、仰坡角度和长度，按照隧道设计规范生成DTEM，DTEM包括洞门、洞身、边坡、仰坡、排水沟、边沟、路面。
步骤5)形成隧道全局三维实体模型，并进行隧道方案选择，包括以下子步骤：
5-1)根据路线纵横断面初始数据准确定位隧道，在步骤3)生成的DLEM中导入由步骤4)生成的DTEM；将DTEM与虚拟地形地质的DLEM相结合形成隧道全局三维实体模型；
5-2)利用隧道全局三维实体模型进行隧道构造物实体力学分析，结合DLEM进行路线线形方案和隧道方案选择；
5-3)由步骤6)得到的挖方实体的体积信息和地质信息以及步骤7)得到的实体截面预测模型指导隧道方案选位。
步骤6)生成地质挖方实体，是包括由隧道洞口、洞身实体与三维地质实体做切割运算或布尔运算得到三维洞口、洞身、边坡、仰坡挖方实体，以及挖方实体的体积信息和地质信息；切割运算是三维实体按照一个平面、折面或曲面分割成两个或多个部分进行运算；布尔运算是三维实体进行联合、相交、相减运算，通过切割运算或布尔运算，使简单的基本图形组合产生新的形体。
步骤7)建立实体地质截面预测模型，是包括结合DLEM建立隧道边坡、仰坡、洞口、洞身实体地质截面不良地质预测模型进行危险性与稳定性预测，对施工过程可能碰到的不良地质进行预测与防治；根据预测模型在三维环境下进行隧道工程方案选址及方案比选、路线方案优化；基于地质三维截面模型和不良地质的遥感量化勘察成果，确定工程方案与不良地质的相互关系，对受不良地质影响或受波及的工程方案按照具体规定进行基于不良地质的工程选址及方案比选，有效避开地质断裂带及不良地质带。所述具体规定包括I级特大地灾，隧道线位方案绕避，不通过，或取消隧道，采用替代方案；II级大型地灾，隧道线位方案绕避，或采取相应防治措施；III级一般地灾，采用相应防护措施，直接通过。
步骤8)生成复杂构造物的三维钢筋衬砌图，是包括由隧道全局三维模型生成实体模型的三维洞口、边坡、仰坡、洞身剖面图和挖方实体；结合三维地质实体由三维隧道模型生成复杂构造物的三维配钢筋和衬砌；结合地质情况合理有效的进行隧道实体三维配筋以及初期、二次、复合衬砌布置；将一些复杂部位钢筋图通过截面方式生成配钢筋图，所述复杂部位包括人行横洞、车行横洞连接部；所述三维配筋是采用截面方式得到实体特定部位钢筋构造，并对地质不良的部位进行加密或加粗钢筋；所述初期衬砌是砌块衬砌，包括格栅钢拱架或型钢钢拱架+钢筋网+预应力高压灌浆混凝土；所述二次衬砌是在一次衬砌未达到使用要求时，在其内侧再一次衬砌，包括模筑混凝土，在地质挖方实体显示的地质较差的部位，需要用二次衬砌；所述复合衬砌是在初期支护基本稳定后进行二次衬砌共同受力。
步骤9)生成隧道平面构造图，是对DTEM进行截面操作生成隧道平面构造图，包括隧道平、纵、横及局部的平面图纸，如人行横洞、车行横洞连接部截面；所述截面是将三维实体按照一个平面、折面或曲面切割后得到的平面部分。
步骤10)生成分施工阶段的填挖方实体，指导隧道设计与施工，是由DLEM布尔运算生成分施工阶段的填挖方实体，包括洞口挖方、明洞挖方、洞身部分挖方；根据挖方实体地质与体积参数确定洞口挖方与明洞挖方量，包括挖方边坡、仰坡坡角角度与纵深长度，以及确定防护措施，包括锚杆、喷混凝土防护、重力式挡土墙，指导隧道设计与施工。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (3)
1.一种隧道勘察方法，步骤1)获取三维地面、地质数据，其特征在于：还包括以下步骤：
2)利用遥感、航测，高分辨率卫星图像和机载激光雷达系统(LIDAR)数据立体恢复建立数字高程模型(简称DEM)、数字正射影像图(简称DOM)，由数字高程模型、数字正射影像图数据生成三维地面实体模型(简称DGEM)；
3)钻探、物探地质柱状图、剖面图数据生成三维地质数据，在三维地面实体模型中叠加三维地质数据生成三维地质实体模型(简称DLEM)；
4)根据路线参数及隧道模型参数生成三维隧道实体模型(简称DTEM)；
5)将三维隧道实体模型与虚拟实际地形的三维地质实体模型相结合形成隧道全局三维实体模型，利用隧道全局三维实体模型进行隧道构造物实体力学分析，结合三维地质实体模型进行路线线形方案和隧道方案选择；
6)生成地质挖方实体，包括由隧道洞口、洞身实体与三维地质实体做切割运算或布尔运算得到三维洞口、洞身、边坡、仰坡挖方实体，以及挖方实体的体积信息和地质信息；
7)建立地质实体截面预测模型，包括结合三维地质实体模型建立隧道边坡、仰坡、洞口、洞身实体地质截面不良地质预测模型进行危险性与稳定性预测，对施工过程可能碰到的不良地质进行预测与防治；根据预测模型在三维环境下进行隧道工程方案选址及方案比选、路线方案优化；基于三维地质实体模型的截面和不良地质的遥感量化勘察成果，确定工程方案与不良地质的相互关系，对受不良地质影响或受坡级影响的工程方案按照具体规定进行基于不良地质的工程选址及方案比选；
8)生成复杂构造物的三维钢筋衬砌图，包括由隧道全局三维实体模型生成实体模型的三维洞口、边坡、仰坡、洞身剖面图和挖方实体；结合三维地质实体模型由三维隧道实体模型生成复杂构造物的三维配钢筋和衬砌；结合地质情况合理有效的进行三维隧道实体模型的三维配筋以及初期、二次、复合衬砌布置；人行横洞及车行横洞的连接部通过截面方式生成配钢筋图；
9)对三维隧道实体模型进行截面操作生成隧道平面构造图包括隧道平、纵、横及局部的平面图纸；
10)由三维地质实体模型布尔运算生成分施工阶段的填挖方实体，包括洞口挖方、明洞挖方、洞身部分挖方；根据挖方实体地质与体积参数确定洞口挖方与明洞挖方量，包括挖方边坡、仰坡坡角角度与纵深长度，以及确定防护措施，包括锚杆、喷混凝土防护、重力式挡土墙，指导隧道设计与施工。
2.根据权利要求1所述的隧道勘察方法，其特征在于：根据步骤5)调整路线参数及隧道模型参数生成三维隧道实体模型。
3.根据权利要求1或2所述的隧道勘察方法，其特征在于：由步骤6)得到的挖方实体的体积信息和地质信息以及步骤7)得到的实体截面预测模型指导隧道方案选位。
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Legal Events
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Assignee: Communications Design Institute of Jiangxi Pro. Assignor: Zhu Haitao Contract record no.: 2011360000059 Denomination of invention: Tunnel surveying method Granted publication date: 20110504 License type: Exclusive License Open date: 20090819 Record date: 20110621 |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGXI JIAOTONG DESIGNING INSTITUTE Free format text: FORMER OWNER: ZHU HAITAO Effective date: 20120518 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20120518 Address after: 330002 Jiangxi Provincial Traffic Design Institute, 657 Jinggangshan Road, Nanchang Patentee after: Communications Design Institute of Jiangxi Pro. Address before: 330002 production and management department, Jiangxi Traffic Design Institute, 657 Jinggangshan Road, Nanchang District, Qingyun District, Anhui Province Patentee before: Zhu Haitao |
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Owner name: JIANGXI COMMUNICATIONS DESIGN INSTITUE CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: JIANGXI JIAOTONG DESIGNING INSTITUTE |
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Granted publication date: 20110504 Termination date: 20190218 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |