CN102635059B - 一种桥梁勘察方法 - Google Patents
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Abstract
一种桥梁勘察方法，包括以下步骤：1）获取三维地面、地质数据，生成DGSM；2）生成DGESM；3）生成DBSM；4）形成桥梁全局三维实体曲面模型；5）对桥梁全局三维实体曲面模型进行桥梁构造物实体力学分析，进行路线线形方案和桥梁方案选择；6）建立地质实体截面预测模型，优化路线、桥梁方案；7）由桥梁全局三维实体曲面模型生成桥梁构造物的三维钢筋图；8）生成桥梁上部、桥梁下部结构的构造图；9）生成分施工阶段的桥梁下部、上部构造物实体；10）建成后的三维桥梁实体模型，与建成之前的桥梁全局三维实体曲面模型做比较，得到位移、沉降、变形等参数，进行桥梁检测。本发明方法可以直接得到桥梁及地质的三维效果情况，准确、直观方便的选择路线及桥梁方案，有效减少返工量，提高勘察质量、施工安全性和桥梁的稳定性，解决桥梁与环境、地质协调的问题，显著提高桥梁设计效果。本发明方法可以广泛用于桥梁勘察，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，尤其是涉及一种桥梁勘察方法。
背景技术
现有的桥梁勘察方法，包括通过测量收集和分析桥梁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、根据线位方案将桥梁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、合理的平纵线形及桥梁方案。这种桥梁勘察方法费时费力，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DEM、DOM、三维曲面和三维实体的桥梁勘察方法。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种桥梁勘察方法，包括步骤1）获取三维地面、地质数据，建立数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写为DEM）、数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，缩写为DOM），由数字高程模型、数字正射影像图数据生成三维地面实体曲面模型（Digital Ground Surface Or Solid Model，缩写为DGSM）；所述实体曲面模型可以为曲面也可以为实体，其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、受力。
步骤2）利用地质观测数据、钻探数据、平硐数据、竖井斜井数据、物探数据、剖面图数据及地质调查报告生成三维地质数据，对地质数据进行插值处理，在三维地面实体曲面模型中叠加三维地质数据生成三维地质实体曲面模型（Digital Geological Surface Or Solid Model，缩写为DGESM）；所述实体曲面模型可以为曲面也可以为实体，其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、受力。
步骤3）根据路线参数及桥梁模型参数生成三维桥梁实体模型（Digital Bridge Solid Model，缩写为DBSM）；
步骤4）将三维桥梁实体模型与虚拟实际地形的三维地质实体曲面模型相结合形成桥梁全局三维实体曲面模型；
步骤5）利用桥梁全局三维实体曲面模型进行桥梁构造物实体力学分析，获得桥梁模型力学参数，获取地质体承载力参数，结合三维地质实体曲面模型进行路线线形方案和桥梁方案选择，通过调整路线参数及桥梁模型参数生成三维桥梁实体模型；
步骤6）建立地质实体截面预测模型包括结合三维地质实体曲面模型建立桥梁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桥梁工程方案选址及方案比选、路线方案优化；基于三维地质实体曲面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；
步骤7）由桥梁全局三维实体曲面模型生成桥梁构造物的三维钢筋图，结合三维地质实体曲面模型由三维桥梁实体模型生成复杂构造物的三维配钢筋，结合地质情况进行三维桥梁实体模型的三维配置钢筋；
步骤8）生成桥梁上部、桥梁下部结构的构造图，对三维桥梁实体模型进行截面操作生成桥梁平面构造图包括桥梁平、纵、横及局部的平面图纸；
步骤9）由三维地质实体曲面模型与三维桥梁实体模型布尔运算生成分施工阶段的桥梁下部、上部构造物实体，指导桥梁设计与施工；
步骤10）桥梁施工完毕或投入使用后，通过再次测量地面及桥梁构造物数据获得建成后的三维桥梁实体模型、三维地质实体曲面模型，与之前的桥梁全局三维实体曲面模型比较，得到位移、沉降、变形等参数。指导桥梁检测、加固、维护工作。
所述步骤1）~4）是实体的建立三维桥梁实体、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桥梁实体模型与地面地质实体模型结合，为选择路线线位、桥梁方案、建立灾害预测模型、配置钢筋、截面生成图纸、指导施工、桥梁检测等做初期准备。
步骤4）在步骤2）生成的DGESM中导入由步骤3）生成的DBSM；将DBSM与虚拟地形地质的DGESM相结合生成桥梁全局三维模型,可以实时调节路线参数、桥梁结构形式、桥梁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。可以方便的对桥梁构造物进行实体力学分析。
步骤6）结合三维地质实体建立桥梁截面不良地质预测模型，可以有效的预测桥梁的地质情况。原有的桥梁勘查设计方法缺乏对灾害的预测，也无法准确预测，会导致桥梁施工事故频繁发生。
步骤7）由桥梁全局三维实体曲面模型生成桥梁构造物的三维钢筋图，结合三维地质实体曲面模型由三维桥梁实体模型生成复杂构造物的三维配钢筋，结合地质情况进行三维桥梁实体模型的三维配置钢筋比原有方法在断面图上进行钢筋和衬砌布置直观准确。一些复杂部位通过截面方式可以方便生成配钢筋图。
步骤8）对三维桥梁实体模型进行截面操作生成桥梁平面图纸，可以反映桥梁实际情况，而原有方法在二维图纸上画图，和实际情况有可能脱节，难以反映桥梁实际情况。一些复杂部位图纸通过截面方式可以方便生成平面图纸。
步骤9）由三维地质实体曲面模型与三维桥梁实体模型布尔运算生成分施工阶段的桥梁下部、上部构造物实体，指导桥梁设计与施工，
给施工单位指明桥梁内部地质结构，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桥梁施工指导，难以避免发生桥梁施工事故。
步骤10）桥梁施工完毕或投入使用后，通过再次测量地面及桥梁构造物数据获得建成后的三维桥梁实体模型，与之前的三维桥梁实体模型做比较，得到位移、沉降、变形等参数。指导桥梁检测、加固、维护工作。
综上所述，本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明方法可以方便的对已有的地表测绘数据、地质观测数据、钻孔数据、平硐数据、物探数据、已有平面数据和剖面数据等进行处理和三维地质建模直接得到桥梁及桥梁所处地形地质的三维效果和所需任意位置的三维地质剖面图，可根据用户需求动态的观察线位范围的地质状况，准确而直观的选择桥梁方案，有效减少返工量，方便路线及桥梁方案的选定，提高勘察质量，解决桥梁与周围环境、地质相协调的问题，显著提高桥梁设计的效果。可以充分利用已有现场勘探实测或试验数据，达到节约投资减少勘察或研究成本的目的。当现场勘探和试验数据资料不足情况下，通过对已有数据的插值与拟合到建立三维模型，可以推断和预测未知区域或研究较少区域的地质信息或岩土体物理力学参数的分布趋势，从而为减少勘探工作量提供科学的可靠的依据，达到节约花费，为生产或研究部门产生直接经济效益的目的。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，实现了桥梁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桥梁位置、桥梁形式、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。根据模拟的构筑物实体可以指导桥梁施工，减少施工工作量，降低施工风险。本发明方法可以广泛用于包括复杂地形地质、山区高速公路的桥梁勘察，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。
一种桥梁勘察方法，包括以下步骤
步骤1）获取数据，包括获取三维地面数据、三维地质模型数据，生成三维地面实体曲面模型；
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、终点超出桥梁进、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。
1-3）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。
1-4）由高密度、高精度DEM、DOM数据生成DGSM； 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DGSM。
步骤2）包括以下子步骤：
2-1）利用地质观测数据、钻探数据、平硐数据、竖井斜井数据、物探数据、剖面图数据及地质调查报告生成三维地质数据；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等。
2-2）对三维地质数据进行插值处理，地质实体曲面插值函数有以下构造方法，如与距离成反比的加权方法(Shepard 方法)，径向基函数插值法(Multiquadric方法)，平面弹性理论插值法等。
2-3）在DGSM中叠加三维地质数据生成DGESM；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。所述DGESM实体曲面模型可以为曲面也可以为实体，其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、受力。
步骤3）生成DBSM，根据路线参数及桥梁参数生成DBSM，；；路线参数包括分离连拱式、路基宽、平曲线、纵坡、超高；桥梁模型参数包括桥梁类型：梁式桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥、钢构桥和组合体系桥。桥墩、桥台的类型：重力式墩（台）、轻型墩（台）如：钢筋混凝土薄壁桥墩、柱式桥墩、柔性排架墩、埋置式桥台、钢筋混凝土薄壁桥台、加筋土桥台等。桥梁基础的类型：刚性扩大基础、桩基础、沉井基础等。桥梁模型参数包括桥梁各组件：主梁、盖梁、桥墩、桥台、系梁、承台、基础等的形状、体积、质地和X、Y、Z坐标向量以及力学特征质量、质心、惯性、受力等。按照桥梁设计规范生成DBSM。
步骤4）将三维桥梁实体模型DBSM与虚拟实际地形的三维地质实体曲面模型DGESM相结合形成桥梁全局三维实体曲面模型并根据步骤5）调整DBSM的相应参数；
步骤5）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桥梁，在步骤2）生成的DGESM中导入由步骤3）生成的DBSM；将DBSM与虚拟地形地质的DGESM相结合形成桥梁全局三维实体曲面模型；
5-2）利用步骤5-1）形成桥梁全局三维实体曲面模型进行桥梁构造物实体力学分析，结合DGESM进行路线线形方案和桥梁方案选择。
5-3）由步骤6）得到的实体地质截面预测模型指导桥梁方案选位。
步骤6）建立实体地质截面预测模型，包括结合DGESM建立桥梁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，对桥梁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桥梁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，桥梁线位方案绕避，不通过，或取消桥梁，采用替代方案；Ⅱ级大型地灾，桥梁线位方案绕避，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7）生成复杂构造物的三维钢筋衬砌图，包括由桥梁全局三维模型生成实体模型的桥梁各组件：主梁、盖梁、桥墩、桥台、系梁、承台、基础等；结合三维地质实体由三维桥梁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桥梁实体三维配筋布置；一些复杂部位钢筋图通过截面方式可以方便生成配钢筋图。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；
步骤8）生成桥梁平面构造图，对DBSM进行截面操作生成桥梁平面构造图。包括桥梁平、纵、横及局部的平面图纸如：主梁、盖梁、桥墩、桥台、系梁、承台、基础等；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；对三维桥梁实体模型进行截面操作生成桥梁平面图纸，可以反映桥梁实际情况，而原有方法在二维图纸上画图，和实际情况有可能脱节，难以反映桥梁实际情况。一些复杂部位图纸通过截面方式可以方便生成平面图纸。
步骤9）由三维地质实体曲面模型与三维桥梁实体模型布尔运算生成分施工阶段的桥梁下部、上部构造物实体，指导桥梁设计与施工，
给施工单位指明桥梁内部地质结构，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桥梁施工指导，难以避免发生桥梁施工事故；
步骤10）桥梁施工完毕或投入使用后，通过再次测量地面及桥梁构造物数据获得建成后的三维桥梁实体模型，与建成之前的桥梁全局三维实体曲面模型做比较，得到位移、沉降、变形等参数。指导桥梁检测、加固、维护工作。
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 (6)
1.一种桥梁勘察方法，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：
步骤2）利用遥感、航测，卫星图像和机载激光雷达系统数据建立立体数字高程模型（简称DEM）、数字正射影像图（简称DOM）,由DEM、DOM数据生成三维地面实体曲面模型（Digital GroundSurface Or Solid Model，缩写为DGSM）；
步骤3）利用地质观测、钻探、平硐、竖井斜井、物探、剖面图数据及地质调查报告生成三维地质数据，对三维地质数据进行插值处理，在三维地面实体曲面模型中叠加三维地质数据生成三维地质实体曲面模型（Digital Geological Surface Or Solid Model，缩写为DGESM）；
步骤4）根据路线参数及桥梁模型参数生成三维桥梁实体模型（Digital Bridge Solid Model，缩写为DBSM），三维桥梁实体模型包含桥梁各组件的实体：桥面、护栏、塔、索、主梁、盖梁、桥墩、桥台、系梁、承台、桥梁基础，并且可以通过修改实体参数对实体模型进行编辑；
步骤5）将三维桥梁实体模型DBSM与虚拟实际地形的三维地质实体曲面模型DGESM相结合形成桥梁全局三维实体曲面模型；
步骤6）利用桥梁全局三维实体曲面模型进行桥梁构造物实体力学分析，获得桥梁模型力学参数，获取地质体力学参数，结合三维地质实体曲面模型进行路线线形方案和桥梁方案选择，通过调整路线参数及桥梁模型参数修改生成三维桥梁实体模型DBSM；
步骤7）建立桥梁地质实体截面预测模型包括结合三维地质实体曲面模型DGESM建立桥梁地质实体截面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；根据桥梁地质实体截面预测模型在三维环境下进行桥梁工程方案选址及桥梁上部、桥梁下部方案比选、路线方案优化；基于桥梁地质实体截面预测模型的截面和不良地质的遥感量化勘察成果，确定桥梁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；通过调整路线参数及桥梁三维模型参数修改生成三维桥梁实体模型DBSM；
步骤8）由桥梁全局三维实体曲面模型生成桥梁构造物的三维钢筋图，结合三维地质实体曲面模型由三维桥梁实体模型生成复杂构造物的三维配钢筋，结合地质情况进行三维桥梁实体模型的三维配置钢筋；
步骤9）生成桥梁上部、桥梁下部结构的构造图，对三维桥梁实体模型进行截面操作生成桥梁平面构造图包括桥梁平、纵、横及局部的平面图纸；
步骤10）由三维地质实体曲面模型与三维桥梁实体模型布尔运算生成分施工阶段的桥梁下部、上部构造物实体，指导桥梁设计与施工；
步骤11）桥梁施工完毕或投入使用后，建立建成后的三维桥梁实体模型、三维地质实体曲面模型，与建成前的实体曲面模型做比较，得到桥梁及地面地质的参数，指导桥梁检测、加固、维护工作。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁勘察方法，其特征在于：步骤2）所述的三维地面实体曲面模型DGSM、步骤3）所述的三维地质实体曲面模型DGESM、步骤4）所述的三维桥梁实体模型DBSM、步骤5）所述的桥梁全局三维实体曲面模型以及步骤7）所述的桥梁地质实体截面预测模型中包括实体模型和曲面模型，实体模型用于表达形状不规则的物体，曲面模型用于表达不同地层构造物的分界线。
3.根据权利要求2所述的一种桥梁勘察方法，其特征在于：根据步骤5）生成的桥梁全局三维实体曲面模型来进行步骤4）调整路线参数及桥梁模型参数修改生成三维桥梁实体模型DBSM。
4.根据权利要求2所述的一种桥梁勘察方法，其特征在于：根据步骤6）进行桥梁构造物实体力学分析，获得桥梁模型力学参数，获取地质体力学参数，结合三维地质实体曲面模型进行路线线形方案和桥梁方案选择来进行步骤4）调整路线参数及桥梁模型参数修改生成三维桥梁实体模型DBSM。
5.根据权利要求2所述的一种桥梁勘察方法，其特征在于：根据步骤7）建立桥梁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来进行步骤4）重新调整路线参数及桥梁模型参数修改生成三维桥梁实体模型DBSM。
6.根据权利要求1所述的一种桥梁勘察方法，其特征在于：根据步骤11）桥梁施工完毕或投入使用后，通过再次测量地面及桥梁构造物数据获得建成后的三维桥梁实体模型、三维地质实体曲面模型，与建成前的步骤5）生成的桥梁全局三维实体曲面模型做比较，得到桥梁及地面地质的位移参数、沉降参数、变形参数，指导桥梁检测、加固、维护工作。
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