CN113343329B - 一种参数化铁路隧道模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种参数化铁路隧道模型的建立方法，包括确定隧道所在铁路线路的类型，根据线路数据自动生成空间线模型；结合地质勘测报告，对隧道进行分段；根据隧道设计通图给出线路参数之间的数学关系，参数化生成隧道断面轮廓标准模型；根据每个隧道分段前、后截面的信息修改标准模型的参数，生成相应的隧道断面轮廓，并根据隧道分段所在空间线放样生成隧道模型。本发明提出了各参数之间的数学关系，能够参数化生成隧道模型；本发明建模速度快，建模效率高，且在铁路施工过程中也能根据具体情况对隧道的参数进行修改，对铁路隧道的施工提供了帮助。
Description
技术领域
本发明属于隧道建模领域，具体涉及一种参数化铁路隧道模型的建立方法。
背景技术
如今我国铁路建设工程发展迅猛，其中桥、隧的建设施工对铁路工程建设的进度和质量起着举足轻重的作用。同时，隧道建模对隧道工程的设计、施工和运营维护阶段都有着重要意义。如今铁路正向山川密布的西部地区发展，隧线比越来越高，但隧道工程隐蔽性高，施工环境复杂，修建难度大。传统的隧道二维施工图纸阅读起来比较困难，且有些细节部分不能直观的表达出来。因此，需要对建设隧道进行建模。
传统对隧道建模都是利用Bentley和Revit等BIM软件手动进行的，而且现场往往难以提供精确的CAD电子底图，只能提供PDF类型的图纸，建模人员只能采用翻模的方式进行建模，这也导致了传统手动建模存在着建模精度不高、建模速度慢、修改困难、不能满足项目全生命周期管理的需要等问题，无法满足施工的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种参数化铁路隧道模型的建立方法，该方法能够快速对铁路隧道进行建模，且建模精度高。
本发明提供的这种参数化铁路隧道模型的建立方法，包括如下步骤：
S1. 确定隧道所在铁路线路的类型，根据线路数据自动生成空间线模型；
S2. 结合地质勘测报告，对隧道进行分段；
S3. 根据隧道设计通图给出线路参数之间的数学关系，参数化生成隧道断面轮廓标准模型；
S4. 根据每个隧道分段前、后截面的信息修改标准模型的参数，生成相应的隧道断面轮廓，并根据隧道分段所在空间线放样生成隧道模型。
所述的步骤S1具体为，通过搜集和整理隧道所在铁路线路的参数文件，获得线路的平纵断面数据；根据线路参数和相应的数学公式，生成空间线模型，并且获取里程对应的空间点三维坐标和切向量；线路参数具体包括线路的起始点里程、终点里程、圆曲线交点里程、圆曲线交点坐标、缓和曲线长度、圆曲线半径、圆曲线转向角、交点连线的方位角、变坡点里程和高程、各坡段坡度、竖曲线半径。
所述的步骤S2具体为，结合步骤S1中建立的空间线模型，根据隧道断面变化点和隧道地质条件变化分界点对三维空间中的隧道进行分段，确定每一段隧道所对应的围岩级别、开挖方式以及隧道两端断面轮廓的各项设计参数。
所述的步骤S3具体包括，对隧道进行分类，包括如下步骤：
A1. 根据衬砌结构分为直墙式隧道衬砌、曲墙式隧道衬砌、曲墙带仰拱式隧道衬砌；直墙式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌、找平层、沟槽、盖板和中心水管；曲墙式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌、找平层、沟槽、盖板和中心水管，曲墙式隧道衬砌的隧道断面轮廓为单心圆；曲墙带仰拱式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌、沟槽、盖板和中心水管，曲墙带仰拱式隧道衬砌的隧道断面轮廓为四心圆；
A2. 根据围岩等级分为Ⅰ级围岩、Ⅱ级围岩、Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和Ⅵ级围岩；
A3. 根据确定的隧道分段类型和围岩级别，搜集、整理相对应的隧道设计通图，分析和归纳不同类型隧道断面轮廓的设计参数，参数化生成隧道断面轮廓标准模型。
所述的步骤A3具体为，当隧道为Ⅱ级围岩复合式带底板双线隧道，则以隧道中线为y轴，内轨顶面为x轴，两者的交点O作为原点，规定向右、向上方向为正；以隧道中线为对称轴，隧道断面轮廓左右两侧是完全对称的，隧道的参数化建立过程，具体包括如下步骤：
B1. 确定线路参数，线路参数包括：初期支护的厚度t 1；初期支护外侧圆弧的高度h 1；初期支护内侧圆弧半径R；拱墙厚度t 2；盖板间隙w 7；盖板厚度h 9；沟槽线路侧顶部宽度w 8；通信电缆槽和沟槽线路侧壁之间的水平距离w 9；通信电缆槽宽度w 5；通信电缆槽高度h 6；水沟宽度w 6；水沟高度h 7；电力电缆槽高度h 8；沟槽的宽度w 1；沟槽顶部到内轨顶面的高度h 2；内轨顶面到轨道底面的高度h 3；底板的高度h 4；侧边引水槽半径r 1；底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度w 2；底板在沟槽一侧的横向排水坡坡度θ 1；轨道底面的宽度w 3；轨道底面坡度θ 2；底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度w 4；底板在隧道中线一侧的横向排水坡坡度θ 3；中心引水槽半径r 2；中心引水槽深度h 10；找平层的高度h 5；中心水管顶面宽度w 10；中心水管底面宽度w 11；中心水管高度h 11；中心水管混凝土基座高度h 12；中心水管半径r 3；中心水管管壁厚度t 3；
拱墙内侧L点到原点O的水平宽度w LO =w 1+w 2+w 3+w 4；圆心O 1到内轨顶面的高度h O1O =h 2+(R-t 2)·sin(cos-1(w LO /(R-t 2)))，则隧道断面轮廓的高度为t 1+t 2+R+h O1O +h 3+h 4+h 5，隧道断面轮廓的宽度为2·(R+t 1)；
B2. 绘制初期支护；
B3. 绘制拱墙；
B4. 绘制底板；
B5. 绘制找平层；
B6. 绘制沟槽；
B7. 绘制盖板；
盖板包括2个1号盖板和1个2号盖板，各个盖板之间、盖板与沟槽之间均有相同的盖板间隙；利用步骤B6计算得到的各盖板宽度、盖板厚度h 9和盖板间隙w 7绘制盖板；
B8. 绘制中心水管。
所述的步骤B2，具体包括，初期支护外侧由以O 1为圆心，R+t 1为半径的圆弧arc FO1D 和直线段DA组成；初期支护内侧由以O 1为圆心，R为半径的圆弧arc GO1H 和直线段HI组成；
外侧圆弧arc FO1E 根据F点坐标(0,t 1+t 2+R+h O1O )、E点坐标(-(R+t 1),0)、圆心O 1坐标(0,h O1O )和半径R+t 1绘制；其中，t 1为初期支护的厚度，t 2为拱墙厚度，R为初期支护内侧圆弧半径，h O1O 为圆心O 1到内轨顶面的高度；初期支护外侧圆弧arc EO1D 对应的角度α 2=tan-1(h 1/(R+t 1))，w CD =(R+t 1 )∙(1-cosα 2)；其中，h 1为初期支护外侧圆弧arc EO1D 的高度，w CD 为直线段CD在x轴上的投影长度；初期支护外侧圆弧arc EO1D 根据E点坐标、D点坐标(-(R+t 1-w CD ),h O1O -h 1)、圆心O 1坐标和半径R+t 1进行绘制；w BA =w CD +(h O1O +h 3+h 4+h 5-h 1 )∙tanα 2，其中，w BA 为直线段BA的长度，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度；直线段DA根据D点坐标和A点坐标(-(R+t 1-w BA ),-(h 3+h 4+h 5))进行绘制；直线段AI根据A点坐标和I点坐标(-(R+t 1-w BA -t 1/cosα 2),-(h 3+h 4+h 5))进行绘制；内侧直线段HI根据I点坐标和H点坐标(-R∙cosα 2,h O1O -R∙sinα 2)进行绘制；圆弧arc GO1H 根据H点坐标和G点坐标(0,t 2+R+h O1O )、圆心O 1坐标和半径R绘制。
所述的步骤B3具体包括，拱墙外侧与初期支护内侧相同，拱墙内侧由以O 1为圆心，R-t 2为半径的圆弧arc NO1L 和直线段LJ组成；
直线段IJ根据I点坐标、J点坐标(-w LO ,-(h 3+h 4+h 5))进行绘制，其中，w LO 为拱墙内侧L点到原点O的水平宽度，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度；内侧直线段LJ根据J点坐标、L点坐标(-w LO ,h 2 )进行绘制，其中，h 2为沟槽顶部到内轨顶面的高度；圆弧arc NO1L 根据L点坐标、N点坐标(0,R+h O1O )、圆心O 1坐标和半径R-t 2绘制，其中，R为初期支护内侧圆弧半径，h O1O 为圆心O 1到内轨顶面的高度，t 2为拱墙厚度。
所述的步骤B4具体包括，底板由侧边引水槽arc QO2B1、沟槽侧的横向排水坡QS、轨道底面SU、隧道中心侧的横向排水坡UB 4和中心引水槽arc B2O3B3组成；
内轨顶面到轨道底面的高度是h 3；T点坐标为(-(w 3/2+w 4),-h 3)，直线段SU根据S点坐标(-(w 3+w 4),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2 ))和U点坐标(-w 4,-(h 3+(w 3/2)∙θ 2))进行绘制；其中，w 3为轨道底面的宽度，w 4为底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，θ 2为轨道底面坡度；B 1点坐标为(-(w 2+w 3+w 4-2∙r 1),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2+(w 2-2∙r 1)∙θ 1))，Q点坐标为(-(w 2+w 3+w 4),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2+(w 2-2∙r 1)∙θ 1))，则直线段B 1 S根据B 1点坐标和S点坐标进行绘制；其中，w 2为底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，r 1为侧边引水槽半径，θ 1为底板在沟槽一侧的横向排水坡坡度；圆弧arc QO2B1根据Q点坐标、B 1点坐标、圆心O 2坐标和半径r 1进行绘制；直线段B 2 B 4长度w B2B4为sin(cos-1((r 2-h 10)/r 2))，其中，r 2为中心引水槽半径，h 10为中心引水槽深度；B 2点坐标为(-w B2B4,-(h 3+(w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4)∙θ 3))，其中，θ 3为底板在隧道中线一侧的横向排水坡坡度；圆心O 3坐标为(0,-((w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4)∙θ 3))，B 3点坐标为(0,-(h 3+h 10+(w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4 )∙θ 3))，则圆弧arc B2O3B3根据B 2点坐标、B 3点坐标、圆心O 3坐标和中心引水槽半径r 2进行绘制。
所述的步骤B5具体包括，找平层根据找平层宽度2∙(w 2+w 3+w 4)和高度h 5来进行绘制；其中，w 2为底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，w 3为轨道底面的宽度，w 4为底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，h 5为找平层的高度。
所述的步骤B6，沟槽包括通信电缆槽、水沟和电力电缆槽；通信电缆槽、水沟、电力电缆槽分别与其上方盖板的中心线对齐，而且每个盖板两侧超出下方电缆槽部分的宽度都是相等的，所有的盖板间隙都是相等的；w G4G3为2号盖板一端超出下方通信电缆槽的宽度，w G4G3= w 9-w 8-w 7，其中w 9是通信电缆槽和沟槽线路侧壁之间的水平距离，w 8是沟槽线路侧顶部宽度，w 7是盖板间隙；则2号盖板的宽度w C2=w 5+2∙w G4G3，其中w 5是通信电缆槽宽度；1号盖板的宽度w C1= w 6+2∙w G4G3，其中w 6是水沟宽度；同时，通信电缆槽与水沟之间的水平距离w G6G5，水沟与电力电缆槽之间的水平距离w G8G7具体为，w G6G5=w G8G7=w 7+2∙w G4G3；电力电缆槽与沟槽边墙侧顶部之间的水平距离w G10G9=w 7+w G4G3；沟槽边墙侧顶部宽度w G11G10= w 1-(6∙w 9+w 5+2∙w 6-5∙w 8-2∙w 7)，其中w 1是沟槽宽度；利用沟槽线路侧顶部宽度w 8、盖板间隙w 7、2号盖板一端超出下方通信电缆槽的宽度w G4G3、通信电缆槽宽度w 5、通信电缆槽与水沟之间的水平距离w G6G5、水沟宽度w 6、水沟与电力电缆槽之间的水平距离w G8G7、电力电缆槽与沟槽边墙侧顶部之间的水平距离w G10G9、沟槽边墙侧顶部宽度w G11G10、通信电缆槽高度h 6、水沟高度h 7、电力电缆槽高度h 8、盖板厚度h 9、沟槽线路侧顶部P点的坐标和沟槽高度绘制沟槽，P点的坐标为(-(w 2+w 3+w 4), h 2)；沟槽高度为h 2+h 3+h 4+h 5；其中w 2是底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，w 3是轨道底面的宽度，w 4是底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，h 2是沟槽顶部到内轨顶面的高度，h 3是内轨顶面到轨道底面的高度，h 4是底板的高度，h 5是找平层的高度；
步骤B8具体包括，中心水管包括碎石层、混凝土基座和混凝土管道；
圆心O 4坐标为(0,-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12))，U点坐标为(-w 10/2,-(h 3+h 4+h 5))，U点和V点之间的水平宽度w UV =(h 11-h 12)/h 11∙(w 10-w 11)/2，V点坐标为(-(w 10/2-w UV ),-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12))，W点坐标为(-(r 3+t 3),-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12 ))；通过计算的参数，绘制中心水管；其中，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度，h 11为中心水管高度，h 12为中心水管混凝土基座高度，w 10为中心水管顶面宽度，w 11为中心水管底面宽度，r 3为中心水管半径，t 3为中心水管管壁厚度。
本发明提供的这种参数化铁路隧道模型的建立方法，提出了各参数之间的数学关系，能够参数化生成隧道模型；本发明建模速度快，建模效率高，且在铁路施工过程中也能根据具体情况对隧道的参数进行修改，对铁路隧道的施工提供了帮助。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明方法的隧道断面轮廓设计示意图。
图3为本发明方法的底板设计示意图。
图4为本发明方法的沟槽和盖板设计示意图。
图5为本发明方法的参数化铁路隧道断面轮廓的标准模型示意图。
图6为本发明实施例的隧道沿空间线分段生成的示意图。
具体实施方式
如图1为本发明方法的流程示意图：本发明提供的这种参数化铁路隧道模型的建立方法，包括如下步骤：
S1. 确定隧道所在铁路线路的类型，根据线路数据自动生成空间线模型；
步骤S1具体为，通过搜集和整理隧道所在铁路线路的参数文件，获得线路的平纵断面数据；根据线路的起始点里程、终点里程、圆曲线交点里程、圆曲线交点坐标、缓和曲线长度、圆曲线半径、圆曲线转向角、交点连线的方位角、变坡点里程和高程、各坡段坡度、竖曲线半径等参数和相应的数学公式，基于BIM平台实现空间线模型的自动生成，并且可以获取任意里程对应的空间点三维坐标和切向量。
S2. 结合地质勘测报告，对隧道进行分段；
步骤S2具体为，结合步骤S1中建立的空间线模型，根据隧道断面变化点和隧道地质条件变化分界点对三维空间中的隧道进行分段，确定每一段隧道所对应的围岩级别、开挖方式以及隧道两端断面轮廓的各项设计参数等信息。
S3. 根据隧道设计通图给出线路参数之间的数学关系，参数化生成隧道断面轮廓标准模型；
步骤S3具体为，对隧道进行分类，包括如下步骤：
A1. 根据衬砌结构分为直墙式隧道衬砌、曲墙式隧道衬砌、曲墙带仰拱式隧道衬砌；直墙式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌（拱圈、直边墙、底板）、找平层、沟槽、盖板和中心水管；曲墙式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌（拱墙、底板）、找平层、沟槽、盖板和中心水管，其隧道断面轮廓为单心圆；曲墙带仰拱式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌（拱墙、仰拱、仰拱填充）、沟槽、盖板和中心水管，其隧道断面轮廓为四心圆。
A2. 根据围岩等级分为Ⅰ级围岩、Ⅱ级围岩、Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和Ⅵ级围岩；
A3. 根据确定的隧道分段类型和围岩级别，搜集、整理相对应的隧道设计通图，分析和归纳不同类型隧道断面轮廓的设计参数，基于BIM平台，参数化生成隧道断面轮廓标准模型：
S4. 根据每个隧道分段前、后截面的信息修改标准模型的参数，生成相应的隧道断面轮廓，并根据隧道分段所在空间线放样生成隧道模型。
步骤A3在本实施例中，隧道断面采用Ⅱ级围岩复合式带底板双线隧道衬砌，BIM平台采用PKPM公司的BimBase平台；
如图2为本发明方法的隧道断面轮廓设计示意图。当隧道为Ⅱ级围岩复合式带底板双线隧道；以隧道中线为y轴，内轨顶面为x轴，两者的交点O作为原点，规定向右、向上方向为正。从图中可以看出，以隧道中线为对称轴，隧道断面轮廓左右两侧是完全对称的，以隧道中线左侧为例描述隧道BIM的参数化建立过程，具体包括如下步骤。
B1. 确定线路参数，线路参数包括：初期支护的厚度t 1；初期支护外侧圆弧的高度h 1；初期支护内侧圆弧半径R；拱墙厚度t 2；盖板间隙w 7；盖板厚度h 9；沟槽线路侧顶部宽度w 8；通信电缆槽和沟槽线路侧壁之间的水平距离w 9；通信电缆槽宽度w 5；通信电缆槽高度h 6；水沟宽度w 6；水沟高度h 7；电力电缆槽高度h 8；沟槽的宽度w 1；沟槽顶部到内轨顶面的高度h 2；内轨顶面到轨道底面的高度h 3；底板的高度h 4；侧边引水槽半径r 1；底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度w 2；底板在沟槽一侧的横向排水坡坡度θ 1；轨道底面的宽度w 3（轨道底面的宽度在线路中线处对称）；轨道底面坡度θ 2；底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度w 4；底板在隧道中线一侧的横向排水坡坡度θ 3；中心引水槽半径r 2；中心引水槽深度h 10；找平层的高度h 5；中心水管顶面宽度w 10；中心水管底面宽度w 11；中心水管高度h 11；中心水管混凝土基座高度h 12；中心水管半径r 3；中心水管管壁厚度t 3；
拱墙内侧L点到原点O的水平宽度w LO =w 1+w 2+w 3+w 4；圆心O 1到内轨顶面的高度h O1O =h 2+(R-t 2)·sin(cos-1(w LO /(R-t 2)))，则隧道断面轮廓的高度为t 1+t 2+R+h O1O +h 3+h 4+h 5，隧道断面轮廓的宽度为2·(R+t 1)。
B2. 绘制初期支护；
如图2所示，初期支护外侧由以O 1为圆心，R+t 1为半径的圆弧arc FO1D 和直线段DA组成；初期支护内侧由以O 1为圆心，R为半径的圆弧arc GO1H 和直线段HI组成。
外侧圆弧arc FO1E 根据F点坐标(0,t 1+t 2+R+h O1O )、E点坐标(-(R+t 1),0)、圆心O 1坐标(0,h O1O )和半径R+t 1绘制；其中，t 1为初期支护的厚度，t 2为拱墙厚度，R为初期支护内侧圆弧半径，h O1O 为圆心O 1到内轨顶面的高度；初期支护外侧圆弧arc EO1D 对应的角度α 2=tan-1(h 1/(R+t 1))，w CD =(R+t 1 )∙(1-cosα 2)；其中，h 1为初期支护外侧圆弧arc EO1D 的高度，w CD 为直线段CD在x轴上的投影长度；初期支护外侧圆弧arc EO1D 根据E点坐标、D点坐标(-(R+t 1-w CD ),h O1O -h 1)、圆心O 1坐标和半径R+t 1进行绘制；w BA =w CD +(h O1O +h 3+h 4+h 5-h 1 )∙tanα 2，其中，w BA 为直线段BA的长度，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度；直线段DA根据D点坐标和A点坐标(-(R+t 1-w BA ),-(h 3+h 4+h 5))进行绘制；直线段AI根据A点坐标和I点坐标(-(R+t 1-w BA -t 1/cosα 2),-(h 3+h 4+h 5))进行绘制；内侧直线段HI根据I点坐标和H点坐标(-R∙cosα 2,h O1O -R∙sinα 2)进行绘制；圆弧arc GO1H 根据H点坐标和G点坐标(0,t 2+R+h O1O )、圆心O 1坐标和半径R绘制。
B3. 绘制拱墙；
如图2所示，拱墙外侧与初期支护内侧相同，拱墙内侧由以O 1为圆心，R-t 2为半径的圆弧arc NO1L 和直线段LJ组成。
直线段IJ根据I点坐标、J点坐标(-w LO ,-(h 3+h 4+h 5))进行绘制，其中，w LO 为拱墙内侧L点到原点O的水平宽度，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度；内侧直线段LJ根据J点坐标、L点坐标(-w LO ,h 2 )进行绘制，其中，h 2为沟槽顶部到内轨顶面的高度；圆弧arc NO1L 根据L点坐标、N点坐标(0,R+h O1O )、圆心O 1坐标和半径R-t 2绘制，其中，R为初期支护内侧圆弧半径，h O1O 为圆心O 1到内轨顶面的高度，t 2为拱墙厚度。
B4. 绘制底板；
如图3为本发明方法的底板设计示意图。底板由侧边引水槽arc QO2B1、沟槽侧的横向排水坡QS、轨道底面SU、隧道中心侧的横向排水坡UB 4和中心引水槽arc B2O3B3组成。
内轨顶面到轨道底面的高度是h 3，即线路中线与内轨顶面的交点T到内轨顶面的垂直高度。T点坐标为(-(w 3/2+w 4),-h 3)，直线段SU根据S点坐标(-(w 3+w 4),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2))和U点坐标(-w 4,-(h 3+(w 3/2)∙θ 2))进行绘制；其中，w 3为轨道底面的宽度，w 4为底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，θ 2为轨道底面坡度；B 1点坐标为(-(w 2+w 3+w 4-2∙r 1),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2+(w 2-2∙r 1)∙θ 1))，Q点坐标为(-(w 2+w 3+w 4),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2+(w 2-2∙r 1)∙θ 1))，则直线段B 1 S根据B 1点坐标和S点坐标进行绘制；其中，w 2为底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，r 1为侧边引水槽半径，θ 1为底板在沟槽一侧的横向排水坡坡度；圆弧arc QO2B1根据Q点坐标、B 1点坐标、圆心O 2坐标和半径r 1进行绘制；直线段B 2 B 4长度w B2B4为sin(cos-1((r 2-h 10)/r 2))，其中，r 2为中心引水槽半径，h 10为中心引水槽深度；B 2点坐标为(-w B2B4,-(h 3+(w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4)∙θ 3))，其中，θ 3为底板在隧道中线一侧的横向排水坡坡度；圆心O 3坐标为(0,-((w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4)∙θ 3))，B 3点坐标为(0,-(h 3+h 10+(w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4 )∙θ 3))，则圆弧arc B2O3B3根据B 2点坐标、B 3点坐标、圆心O 3坐标和中心引水槽半径r 2进行绘制。
B5. 绘制找平层；
如图3所示，找平层根据找平层宽度2∙(w 2+w 3+w 4)和高度h 5来进行绘制；其中，w 2为底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，w 3为轨道底面的宽度，w 4为底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，h 5为找平层的高度。
B6. 绘制沟槽；
如图4为本发明方法的沟槽和盖板设计示意图。沟槽主要由通信电缆槽、水沟和电力电缆槽组成。通信电缆槽、水沟、电力电缆槽分别与其上方盖板的中心线对齐，而且每个盖板两侧超出下方电缆槽（水沟）部分的宽度都是相等的，所有的盖板间隙都是相等的；
w G4G3为2号盖板一端超出下方通信电缆槽的宽度，w G4G3=w 9-w 8-w 7，其中w 9是通信电缆槽和沟槽线路侧壁之间的水平距离，w 8是沟槽线路侧顶部宽度，w 7是盖板间隙；则2号盖板的宽度w C2=w 5+2∙w G4G3，其中w 5是通信电缆槽宽度；1号盖板的宽度w C1=w 6+2∙w G4G3，其中w 6是水沟宽度；同时，通信电缆槽与水沟之间的水平距离w G6G5，水沟与电力电缆槽之间的水平距离w G8G7是相等的，w G6G5=w G8G7=w 7+2∙w G4G3；电力电缆槽与沟槽边墙侧顶部之间的水平距离w G10G9=w 7+w G4G3；沟槽边墙侧顶部宽度w G11G10= w 1-(6∙w 9+w 5+2∙w 6-5∙w 8-2∙w 7)，其中w 1是沟槽宽度；利用沟槽线路侧顶部宽度w 8、盖板间隙w 7、2号盖板一端超出下方通信电缆槽的宽度w G4G3、通信电缆槽宽度w 5、通信电缆槽与水沟之间的水平距离w G6G5、水沟宽度w 6、水沟与电力电缆槽之间的水平距离w G8G7、电力电缆槽与沟槽边墙侧顶部之间的水平距离w G10G9、沟槽边墙侧顶部宽度w G11G10、通信电缆槽高度h 6、水沟高度h 7、电力电缆槽高度h 8、盖板厚度h 9、沟槽线路侧顶部P点的坐标和沟槽高度绘制沟槽，P点的坐标为(-(w 2+w 3+w 4), h 2)；沟槽高度为h 2+h 3+h 4+h 5；其中w 2是底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，w 3是轨道底面的宽度，w 4是底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，h 2是沟槽顶部到内轨顶面的高度，h 3是内轨顶面到轨道底面的高度，h 4是底板的高度，h 5是找平层的高度。
B7. 绘制盖板；
盖板包括2个1号盖板和1个2号盖板，各个盖板之间、盖板与沟槽之间均有相同的盖板间隙；利用步骤B6计算得到的各盖板宽度、盖板厚度h 9和盖板间隙w 7绘制盖板。
B8. 绘制中心水管；
如图2所示，中心水管包括碎石层、混凝土基座和混凝土管道。
圆心O 4坐标为(0,-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12))，U点坐标为(-w 10/2,-(h 3+h 4+h 5))，U点和V点之间的水平宽度w UV =(h 11-h 12)/h 11∙(w 10-w 11)/2，V点坐标为(-(w 10/2-w UV ),-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12))，W点坐标为(-(r 3+t 3),-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12 ))；通过计算的参数，绘制中心水管；其中，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度，h 11为中心水管高度，h 12为中心水管混凝土基座高度，w 10为中心水管顶面宽度，w 11为中心水管底面宽度，r 3为中心水管半径，t 3为中心水管管壁厚度。
在本实施例中，根据步骤S1和步骤S2确定的隧道分段两端截面的信息修改步骤S3中标准模型的参数，生成相对应的隧道断面轮廓，如图5为本发明方法的参数化铁路隧道断面轮廓的标准模型示意图；并利用BIM平台中的放样功能，依据隧道分段所在空间线生成隧道模型，如图6为本发明实施例的隧道沿空间线分段生成的示意图。
Claims (8)
1.一种参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于包括如下步骤：
S1. 确定隧道所在铁路线路的类型，根据线路数据自动生成空间线模型；
S2. 结合地质勘测报告，对隧道进行分段；
S3. 根据隧道设计通图给出线路参数之间的数学关系，参数化生成隧道断面轮廓标准模型；
S4. 根据每个隧道分段前、后截面的信息修改标准模型的参数，生成相应的隧道断面轮廓，并根据隧道分段所在空间线放样生成隧道模型；
所述的步骤S3具体包括，对隧道进行分类，包括如下步骤：
A1. 根据衬砌结构分为直墙式隧道衬砌、曲墙式隧道衬砌、曲墙带仰拱式隧道衬砌；直墙式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌、找平层、沟槽、盖板和中心水管；曲墙式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌、找平层、沟槽、盖板和中心水管，曲墙式隧道衬砌的隧道断面轮廓为单心圆；曲墙带仰拱式隧道衬砌包括初期支护、二次衬砌、沟槽、盖板和中心水管，曲墙带仰拱式隧道衬砌的隧道断面轮廓为四心圆；
A2. 根据围岩等级分为Ⅰ级围岩、Ⅱ级围岩、Ⅲ级围岩、Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和Ⅵ级围岩；
A3. 根据确定的隧道分段类型和围岩级别，搜集、整理相对应的隧道设计通图，分析和归纳不同类型隧道断面轮廓的设计参数，参数化生成隧道断面轮廓标准模型；
所述的步骤A3具体包括，当隧道为Ⅱ级围岩复合式带底板双线隧道，则以隧道中线为y轴，内轨顶面为x轴，两者的交点O作为原点，规定向右、向上方向为正；以隧道中线为对称轴，隧道断面轮廓左右两侧是完全对称的，隧道的参数化建立过程，具体包括如下步骤：
B1. 确定线路参数，线路参数包括：初期支护的厚度t 1；初期支护外侧圆弧的高度h 1；初期支护内侧圆弧半径R；拱墙厚度t 2；盖板间隙w 7；盖板厚度h 9；沟槽线路侧顶部宽度w 8；通信电缆槽和沟槽线路侧壁之间的水平距离w 9；通信电缆槽宽度w 5；通信电缆槽高度h 6；水沟宽度w 6；水沟高度h 7；电力电缆槽高度h 8；沟槽的宽度w 1；沟槽顶部到内轨顶面的高度h 2；内轨顶面到轨道底面的高度h 3；底板的高度h 4；侧边引水槽半径r 1；底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度w 2；底板在沟槽一侧的横向排水坡坡度θ 1；轨道底面的宽度w 3；轨道底面坡度θ 2；底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度w 4；底板在隧道中线一侧的横向排水坡坡度θ 3；中心引水槽半径r 2；中心引水槽深度h 10；找平层的高度h 5；中心水管顶面宽度w 10；中心水管底面宽度w 11；中心水管高度h 11；中心水管混凝土基座高度h 12；中心水管半径r 3；中心水管管壁厚度t 3；
拱墙内侧L点到原点O的水平宽度w LO =w 1+w 2+w 3+w 4；圆心O 1到内轨顶面的高度h O1O =h 2+(R-t 2)·sin(cos-1(w LO /(R-t 2)))，则隧道断面轮廓的高度为t 1+t 2+R+h O1O +h 3+h 4+h 5，隧道断面轮廓的宽度为2·(R+t 1)；
B2. 绘制初期支护；
B3. 绘制拱墙；
B4. 绘制底板；
B5. 绘制找平层；
B6. 绘制沟槽；
B7. 绘制盖板；
盖板包括2个1号盖板和1个2号盖板，各个盖板之间、盖板与沟槽之间均有相同的盖板间隙；利用步骤B6计算得到的各盖板宽度、盖板厚度h 9和盖板间隙w 7绘制盖板；
B8. 绘制中心水管。
2.根据权利要求1所述的参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于所述的步骤S1具体为，通过搜集和整理隧道所在铁路线路的参数文件，获得线路的平纵断面数据；根据线路参数和相应的数学公式，生成空间线模型，并且获取里程对应的空间点三维坐标和切向量；线路参数具体包括线路的起始点里程、终点里程、圆曲线交点里程、圆曲线交点坐标、缓和曲线长度、圆曲线半径、圆曲线转向角、交点连线的方位角、变坡点里程和高程、各坡段坡度、竖曲线半径。
3.根据权利要求2所述的参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于所述的步骤S2具体为，结合步骤S1中建立的空间线模型，根据隧道断面变化点和隧道地质条件变化分界点对三维空间中的隧道进行分段，确定每一段隧道所对应的围岩级别、开挖方式以及隧道两端断面轮廓的各项设计参数。
4.根据权利要求3所述的参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于所述的步骤B2，具体包括，初期支护外侧由以O 1为圆心，R+t 1为半径的圆弧arc FO1D 和直线段DA组成；初期支护内侧由以O 1为圆心，R为半径的圆弧arc GO1H 和直线段HI组成；
外侧圆弧arc FO1E 根据F点坐标(0,t 1+t 2+R+h O1O )、E点坐标(-(R+t 1),0)、圆心O 1坐标(0,h O1O )和半径R+t 1绘制；其中，t 1为初期支护的厚度，t 2为拱墙厚度，R为初期支护内侧圆弧半径，h O1O 为圆心O 1到内轨顶面的高度；初期支护外侧圆弧arc EO1D 对应的角度α 2=tan-1(h 1/(R+t 1))，w CD =(R+t 1 )∙(1-cosα 2)；其中，h 1为初期支护外侧圆弧arc EO1D 的高度，w CD 为直线段CD在x轴上的投影长度；初期支护外侧圆弧arc EO1D 根据E点坐标、D点坐标(-(R+t 1-w CD ),h O1O -h 1)、圆心O 1坐标和半径R+t 1进行绘制；w BA =w CD +(h O1O +h 3+h 4+h 5-h 1 )∙tanα 2，其中，w BA 为直线段BA的长度，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度；直线段DA根据D点坐标和A点坐标(-(R+t 1-w BA ),-(h 3+h 4+h 5))进行绘制；直线段AI根据A点坐标和I点坐标(-(R+t 1-w BA -t 1/cosα 2),-(h 3+h 4+h 5))进行绘制；内侧直线段HI根据I点坐标和H点坐标(-R∙cosα 2,h O1O -R∙sinα 2)进行绘制；圆弧arc GO1H 根据H点坐标和G点坐标(0,t 2+R+h O1O )、圆心O 1坐标和半径R绘制。
5.根据权利要求4所述的参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于所述的步骤B3具体包括，拱墙外侧与初期支护内侧相同，拱墙内侧由以O 1为圆心，R-t 2为半径的圆弧arc NO1L 和直线段LJ组成；
直线段IJ根据I点坐标、J点坐标(-w LO ,-(h 3+h 4+h 5))进行绘制，其中，w LO 为拱墙内侧L点到原点O的水平宽度，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度；内侧直线段LJ根据J点坐标、L点坐标(-w LO ,h 2 )进行绘制，其中，h 2为沟槽顶部到内轨顶面的高度；圆弧arc NO1L 根据L点坐标、N点坐标(0,R+h O1O )、圆心O 1坐标和半径R-t 2绘制，其中，R为初期支护内侧圆弧半径，h O1O 为圆心O 1到内轨顶面的高度，t 2为拱墙厚度。
6.根据权利要求5所述的参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于所述的步骤B4具体包括，底板由侧边引水槽arc QO2B1、沟槽侧的横向排水坡QS、轨道底面SU、隧道中心侧的横向排水坡UB 4和中心引水槽arc B2O3B3组成；
内轨顶面到轨道底面的高度是h 3；T点坐标为(-(w 3/2+w 4),-h 3)，直线段SU根据S点坐标(-(w 3+w 4),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2 ))和U点坐标(-w 4,-(h 3+(w 3/2)∙θ 2))进行绘制；其中，w 3为轨道底面的宽度，w 4为底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，θ 2为轨道底面坡度；B 1点坐标为(-(w 2+w 3+w 4-2∙r 1),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2+(w 2-2∙r 1)∙θ 1))，Q点坐标为(-(w 2+w 3+w 4),-(h 3-(w 3/2)∙θ 2+(w 2-2∙r 1)∙θ 1))，则直线段B 1 S根据B 1点坐标和S点坐标进行绘制；其中，w 2为底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，r 1为侧边引水槽半径，θ 1为底板在沟槽一侧的横向排水坡坡度；圆弧arc QO2B1根据Q点坐标、B 1点坐标、圆心O 2坐标和半径r 1进行绘制；直线段B 2 B 4长度w B2B4为sin(cos-1((r 2-h 10)/r 2))，其中，r 2为中心引水槽半径，h 10为中心引水槽深度；B 2点坐标为(-w B2B4,-(h 3+(w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4)∙θ 3))，其中，θ 3为底板在隧道中线一侧的横向排水坡坡度；圆心O 3坐标为(0,-((w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4)∙θ 3))，B 3点坐标为(0,-(h 3+h 10+(w 3/2)∙θ 2+(w 4-w B2B4)∙θ 3))，则圆弧arc B2O3B3根据B 2点坐标、B 3点坐标、圆心O 3坐标和中心引水槽半径r 2进行绘制。
7.根据权利要求6所述的参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于所述的步骤B5具体包括，找平层根据找平层宽度2∙(w 2+w 3+w 4)和高度h 5来进行绘制；其中，w 2为底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，w 3为轨道底面的宽度，w 4为底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，h 5为找平层的高度。
8.根据权利要求7所述的参数化铁路隧道模型的建立方法，其特征在于所述的步骤B6，沟槽包括通信电缆槽、水沟和电力电缆槽；通信电缆槽、水沟、电力电缆槽分别与其上方盖板的中心线对齐，而且每个盖板两侧超出下方电缆槽部分的宽度都是相等的，所有的盖板间隙都是相等的；w G4G3为2号盖板一端超出下方通信电缆槽的宽度，w G4G3=w 9-w 8-w 7，其中w 9是通信电缆槽和沟槽线路侧壁之间的水平距离，w 8是沟槽线路侧顶部宽度，w 7是盖板间隙；则2号盖板的宽度w C2=w 5+2∙w G4G3，其中w 5是通信电缆槽宽度；1号盖板的宽度w C1= w 6+2∙w G4G3，其中w 6是水沟宽度；同时，通信电缆槽与水沟之间的水平距离w G6G5，水沟与电力电缆槽之间的水平距离w G8G7具体为，w G6G5=w G8G7=w 7+2∙w G4G3；电力电缆槽与沟槽边墙侧顶部之间的水平距离w G10G9=w 7+w G4G3；沟槽边墙侧顶部宽度w G11G10=w 1-(6∙w 9+w 5+2∙w 6-5∙w 8-2∙w 7)，其中w 1是沟槽宽度；利用沟槽线路侧顶部宽度w 8、盖板间隙w 7、2号盖板一端超出下方通信电缆槽的宽度w G4G3、通信电缆槽宽度w 5、通信电缆槽与水沟之间的水平距离w G6G5、水沟宽度w 6、水沟与电力电缆槽之间的水平距离w G8G7、电力电缆槽与沟槽边墙侧顶部之间的水平距离w G10G9、沟槽边墙侧顶部宽度w G11G10、通信电缆槽高度h 6、水沟高度h 7、电力电缆槽高度h 8、盖板厚度h 9、沟槽线路侧顶部P点的坐标和沟槽高度绘制沟槽，P点的坐标为(-(w 2+w 3+w 4), h 2)；沟槽高度为h 2+h 3+h 4+h 5；其中w 2是底板在沟槽一侧的横向排水坡宽度，w 3是轨道底面的宽度，w 4是底板在隧道中线一侧的横向排水坡宽度，h 2是沟槽顶部到内轨顶面的高度，h 3是内轨顶面到轨道底面的高度，h 4是底板的高度，h 5是找平层的高度；
步骤B8具体包括，中心水管包括碎石层、混凝土基座和混凝土管道；
圆心O 4坐标为(0,-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12))，U点坐标为(-w 10/2,-(h 3+h 4+h 5))，U点和V点之间的水平宽度w UV =(h 11-h 12)/h 11∙(w 10-w 11)/2，V点坐标为(-(w 10/2-w UV ),-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12))，W点坐标为(-(r 3+t 3),-(h 3+h 4+h 5+h 11-h 12 ))；通过计算的参数，绘制中心水管；其中，h 3为内轨顶面到轨道底面的高度，h 4为底板的高度，h 5为找平层的高度，h 11为中心水管高度，h 12为中心水管混凝土基座高度，w 10为中心水管顶面宽度，w 11为中心水管底面宽度，r 3为中心水管半径，t 3为中心水管管壁厚度。
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| CN113343329A (zh) | 2021-09-03 |
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