隧道施工4D可视化监测系统的开发

王国欣，马荣全，肖龙鸽

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

0 引言

随着我国城市化进程的快速推进，大力开发利用城市地下空间资源，拓展城市地下空间显得越来越重要，城市空间的立体化将成为现代城市发展的必由之路。目前我国许多城市在进行地下空间开发时出现了越来越多的大断面隧道，如重庆轨道交通三号线与六号线的换乘车站——红旗河沟车站。此车站隧道采用了地下暗挖法施工，隧道开挖空间最大高度约33 m，跨度约26 m，总开挖面积最大约760 m2，且埋深最浅处岩层厚度只有9 m，为典型的超浅埋、超大断面隧道，断面尺寸为一般双线公路隧道的10倍。

在开挖大断面隧道过程中，受城市环境的特殊性和施工过程的不确定性等因素影响，使得隧道设计和施工存在很大风险。目前修建此类大断面隧道普遍采用的是分步开挖法，一个断面最多有分成十几步开挖的，所以开挖过程中的隧道监测技术已成为反馈围岩和结构动态变化、优化支护参数、保证施工安全的重要手段。如何对监测得到的大量数据进行及时快速地直观显示和处理分析是进行工程决策的前提，是数据库在监测领域应用的一个发展方向［1］。

目前在我国隧道工程监测中，对于数据与监测点的结合通常采用二维(2D)图形的表达方式，即一个监测剖面图对应相应监测点的数据历时曲线。近年来，有开发出三维(3D)图形表达监测点，并结合相应监测点的历时曲线反映监测点的变化情况，从而能更直观地表达各监测点在空间中的分布，以利于工程的动态管理与决策［2-5］。以上三维图形均是“静态”的，没有体现出施工过程的“动态”三维图形。众所周知，地下工程的施工存在时空效应，如果按上述方法进行监测，只能体现出监测点位移或应力随时间的变化规律，而未能体现监测点位移或应力随空间的变化情况，即不能体现监测的时空效应。因而，对于采用分步开挖的大断面隧道，如果监测点的显示不能体现空间效应，将无法通过对监测点的显示与数据表达直观体现出监测点位移或应力变化的时空效应，从而不利于隧道监测对施工的反馈作用。

因此，有必要结合相关工程开发隧道4D监测系统，即与施工工况相结合的隧道三维可视化监测系统，从而体现监测的时空效应。结合红旗河沟车站隧道工程，开发的4D监测系统可以将监测数据与施工工况结合起来，能快速、直观、可视化地表达施工工况与监测点的历时数据，从而有利于工程的动态管理与决策。

1 隧道4D监测系统

1.1 4D理论

4D最初是由美国斯坦福大学实施集成工程研究中心(CIFE)于1996年提出的，在CIFE的研究中，将3D计算机模型与施工进度关联在一起，实现了一种可视化的施工顺序表现方法，10多年来，其研究与应用得到了较快的发展［6-10］。4D监测技术就是在建设工程结构物及监测点的计算机三维空间模型上附加时间因素，并将该结构物及监测点的计算机三维空间模型随时间的变化过程以动态形式表现出来。

1.2 隧道4D监测系统

隧道4D监测技术是与隧道开挖工况相结合的三维模型显示监测技术，通过计算机技术(采用OpenGL技术)，实现隧道开挖工况的参数化模拟。能通过此图形直观地表达出隧道及周边环境各监测点随开挖工况变化的数据历时情况，体现了数据的时空效应，方便了对监测数据的分析，进而判定与反馈隧道的安全状态，从而指导隧道施工。

隧道4D监测系统是基于Visual Studio 2008和Open CASCADE平台开发的一套监测系统。Open CASCADE是法国MDTV(Matra Datavision)公司开发的开源CAD/CAM软件平台。Open CASCADE提供二维和三维几何体的创建、显示和分析，主要用来开发二维和三维几何建模，包括通用的或专用的CAD系统、制造或分析领域的应用软件、仿真软件或图形演示工具。

开发的隧道4D监测系统主要有4个功能:1)隧道及周围环境三维模型的建立;2)隧道三维可视化开挖及衬砌模拟;3)隧道及周围环境监测点的建立;4)监测数据的录入、预警及预测分析。

2 监测系统的构成

以重庆轨道交通三号线红旗河沟车站隧道为例，说明整个隧道4D监测系统的构成。

2.1 隧道及周围环境三维模型的建立

根据相关设计文件及图纸，通过系统输入隧道的相关参数，如隧道起止里程、走向、坡度、曲率、高程、断面形态(通过CAD的DXF文件导入)等，如图1所示。通过输入相关红旗河沟车站隧道的参数，建立了红旗河沟车站隧道三维模型，如图2所示。

在隧道模型建立的基础上输入周边环境的相关信息，如相对位置关系、建筑物大小等，如图3所示。由此建立隧道及周边环境的三维模型，如图4所示。

2.2 隧道三维可视化开挖及衬砌模拟

在建立了隧道及周围环境三维模型后，就可以进行隧道的开挖模拟。首先，导入隧道开挖断面分块CAD图(DXF文件)，如图5(a)所示，形成红旗河沟车站隧道最大断面B断面分块图，在此基础上定义开挖块及开挖里程，如在图 5(b)中分块由 20，34，31，4，3，30，19组成，开挖里程为SK13+409～+448，开挖后的三维模型如图6所示。

图6 红旗河沟车站隧道B断面下导坑开挖三维模型Fig.6 3D model of excavation of pilot of B cross-section of tunnel of Hongqihegou station

其次，依此进行各断面分块的定义与操作，对整个红旗河沟车站隧道的开挖进行模拟，可得到如图7所示的分步开挖三维模型图。

图7 红旗河沟车站隧道开挖三维模型Fig.7 3D model of excavation of tunnel of Hongqihegou station

最后，加入二次衬砌模型，形成如图8所示的红旗河沟车站隧道开挖及衬砌三维模型。

图8 红旗河沟车站隧道开挖及衬砌三维模型Fig.8 3D model of excavation and lining of tunnel of Hongqihegou station

2.3 隧道及周围环境监测点的建立

2.3.1 隧道监测点三维模型的建立

在建立隧道开挖三维模型后，对隧道中实际监测断面进行监测点的三维模型显示。首先导入隧道某一里程的监测断面CAD图(DXF文件)，如图9所示，由此得到隧道在各里程下的监测点三维模型，如图10所示。

2.3.2 隧道周边环境监测点三维模型的建立

在地面及建筑物上布置相关测点，布置对话框如图11所示，得到的测点三维模型如图12所示。

图12中监测点的累计值数据可以通过互联网与远程数据库连接，实现实时查询，方便用户的查看与分析，登陆远程数据库就可以对任一测点进行监测数据查询，如图13所示。

2.4 监测数据的录入、预警及预测分析

该模块实现测点与基于互联网的远程数据库连接。通过输入正确的账户名和密码登陆数据库，可读取监测点的测量数据从而形成历时曲线，并通过相关数学方法(动态方程、时间序列或神经网络等)进行测点数据的预测，从而预警隧道施工中的安全问题，最后反馈和指导施工。图14为红旗河沟车站隧道SK13+420断面拱顶下沉曲线图，并采用神经网络进行了数据的预测。

图14 车站隧道SK13+420断面拱顶下沉曲线预测图Fig.14 Predicted crown settlement curves at SK13+420 of tunnel of Hongqihegou station

3 结论与讨论

4D监测技术在建设领域是现今的前沿技术，本文通过对重庆轨道交通三号线红旗河沟车站隧道进行4D监测技术的开发与应用，实现了监测数据与施工工况的结合，体现了数据的时空效应，方便了监测数据的分析，进而反馈数据和指导施工。整个系统是基于Visual Studio 2008和Open CASCADE平台开发的，实现了隧道工况与监测数据的三维可视化动态表达，并结合了互联网的测量数据管理与分析技术，是全新的4D隧道监测系统。

目前本系统只能通过人工进行各监测点数据的输入，还达不到自动化监测的要求。今后须在测点数据自动化采集的基础上与本系统相关联，开发出具有监测数据自动上传和更新功能的系统，以实现远程自动化隧道4D监测。

［1］ 李志刚，丁文其，李晓军，等.隧道工程监测数据库管理系统的开发［J］.地下空间，2004(101):189-192.(LI Zhigang，DING Wenqi，LI Xiaojun，et al.Development of geotechnical engineering monitoring database system［J］.Underground Space，2004(101):189-192.(in Chinese))

［2］ 金淼，赵永辉，吴健生，等.隧道三维可视化监测系统的研制与开发［J］.计算机工程，2007，33(22):261-263.(JIN Miao，ZHAO Yonghui，WU Jiansheng，et al.Development of 3D visualization tunnel observation system［J］.Computer Engineering，2007，33(22):261-263.(in Chinese))

［3］ 金淼，赵永辉，谢雄耀.基于OPENGL的隧道监测数据三维可视化表达［C］//中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会论文集.上海:中国土木工程学会、中国土木工程学会隧道及地下工程分会，2006:171-174.

［4］ 孟永东，徐卫亚，刘造保，等.复杂岩质高边坡工程安全监测三维可视化分析［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(12):130-139.(MENG Yongdong，XU Weiya，LIU Zaobao，et al.Analysis of 3D visualization of safety monitoring for complicated high rock slope engineering［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(12):130-139.(in Chinese))

［5］ 薛飞.基坑支护系统控制及三维可视化研究［D］.上海:同济大学机械电子工程专业，2006.(XUE fei.The study of three-dimension visualized monitoring and controlling system for the excavation bracing system［D］.Shanghai:Mechanical and Electronic Engineering，Tongji University，2006.(in Chinese))

［6］ Eric Collier，Martin Fishcher.Visual-based scheduling:4D modeling on the san mateo county health center［J］.Computing in Civil Engineering，1996(1):800-805.

［7］ T Froese，M Fischer，F Grobler，et al.Industry foundation classes for project management a trial implementation［J］.Electronic Journal of Information Technology in Construct ion，1999(4):17-36.

［8］ C Kam，M Fischer，R Hlnninen，et al.The product model and fourth dimension project［J］.Special Issue IFC Product Models for the AEC Arena，2003(8):137-166.

［9］ 张建平，韩冰，李久林，等.建筑施工现场的4D可视化管理［J］.施工技术，2006，35(10):41-43，67.(ZHANG Jianping，HAN Bing，LI Jiulin，et al.4D visualization management of construction site［J］.Construction Technology，2006，35(10):41-43，67.(in Chinese))

［10］ 胡振中，张建平，张旭磊.基于4D施工安全信息模型的建筑施工支撑体系安全分析方法［J］.工程力学，2010，27(12):200-208.(HU Zhenzhong，ZHANG Jianping，ZHANG Xulei.4D Construction safety information modelbased safety analysis approach for approach for scaffold system during construction［J］.Engineering Mechanics，2010，27(12):200-208.(in Chinese))