三维GIS在三台阶七步开挖法隧道工程进度管理中的应用

前言

“三台阶七步开挖法”是一种以弧形导坑开挖预留核心土为基本模式，分上、中、下三个台阶七个开挖面，

各部位的开挖与支护沿隧道纵向错开，平行推进的隧道开挖方法。该方法对复杂多变的地质结构，不同跨度和多种断面形式的隧道都具有很好的兼容性。但由于在施工过程中步骤复杂，各个工序之间交叉干扰大，增加了隧道进度管理、风险评估等方面的难度，使得施工单位和设计单位都难以接受方法。为此，很多学者与专家也都提出了一些方法与建议，如汤宪高提出以“专业化、机械化、工厂化、信息化”为手段，推行隧道标准化管理，突破隧道施工的管理瓶颈等方法，来促进安全、质量、效益滑坡等问题的解决。董宁等总结了各类开挖方法适用的条件及其技术要点。张小明则介绍了大断面堆积体隧道进洞的施工方案，分析了大断面堆积体进度的具体步骤，得出了隧道安全施工的方法。以上方法从不同角度解决了隧道工程管理中的问题，但对隧道施工过程中的综合展示、管理、查询与分析提及较少，对施工进度的远程管理与动态仿真预演并未提及。本文提出了一种基于三维GIS（地理信息系统）技术的隧道工程进度管理方法，该方法将GIS与隧道工程有机的结合起来，通过互联网技术和三维技术将地质、测绘、环评等多种数据有机地组合到一起，同时提供数据的分布存储、数据分析和三维展示等功能，辅助地质专家开展隧道设计、调查与风险评估等方面的工作。

系统的体系结构

图1展示了整个系统的体系结构，它分为数据层、网络服务层、三维GIS平台与业务逻辑层等四个部分。其中数据层包括测绘、环评、地质、隧道施工进度和三维模型属性数据等，测绘、环评和地质数据用于三维GIS平台的展示，用更加直观的方式展示施工周边三维地理环境，隧道施工进度数据用于以动画的形式模拟或预演隧道施工进度情况，3D模型属性数据则用于数据的查询，关联与修改等功能。网络服务层提供必要的网络传输、数据权限管理、数据编码管理、数据状态管理和资料互提等功能，资料互提功能用于三维、二维或文档数据的上传与下载功能，由于三维模型文件有数据量大，网络传输慢的问题，存储到数据库中会加重数据库和网络的负担，用资料互提的方法可以将三维模型以文件的形式上传到服务器中，这种方法不仅可以减轻服务器数据库的负担，对后续模型的缓冲处理与传输也起到了一定的作用。系统采用skyline和DMap控件作为三维GIS的展示平台，skyline平台用于数据的展示、管理、查询和漫游等功能，从全局和整体上展示隧道施工区域的地形、地貌、水系等地理环境，DMap控件在展示局部工区的地质数据、动态地模拟和展示施工进度等功能。业务逻辑层包含三维地质展示、数据提交、量测功能、数据漫游功能、施工进度展示及三维数据管理都能功能。

图1 系统的体系结构

施工进度的展示与管理

施工进度的展示与管理分为三个步骤和一个下载策略，第一个步骤为数据的制作，第二个步骤为数据的录入，第三个步骤为施工进度的模拟，下载策略则是专门针对海量三维模型批量下载的。

2.1 数据的制作

在开挖过程中，调查隧道周边地质是十分有必要的，施工方可根据地质情况和围岩等级调整施工步骤。为了全方位并直观地了解隧道周边地质情况，系统利用地质体建模软件并根据隧道周围的地质调研数据和钻孔构建地质模型，同时将地质模型沿隧道挖开，如图2。

图2 地质模型的制作

2.2 数据的录入

数据的录入包括地质模型的录入，隧道模型的录入，施工进度的录入，隧道中线线位的录入等，这些数据的表结构如图3。

图3 录入数据表结构

用户表中设定了表的权限控制，定义了用户的权限及用户所在的部门，其他表中用户的ID与此表中用户ID对应，用于记录表修改表的用户信息。模型表用于存放录入的模型信息，模型信息包括地质模型、隧道模型或其他三维模型，当模型上传时，模型表中将自动记录模型的上传时间，上传人信息等，上传人也可以添加模型的描述信息及备注信息。开挖工序表记录了“三台阶七步开挖法”的七个工序，并把每个工序的截面信息记录到开挖面数据中，如图4，同时记录截面数据的制作时间，更改时间及描述。工序开挖时间表记录隧道开挖的工区，开挖时间，该时间内开挖的起始里程和终止里程，线位信息和用户信息等。线位表记录了线位的起始里程和终止里程及线位上点的三维信息。模型属性表配合模型表用于查询模型的属性信息，如三维地质模型的地质年代、某段隧道模型所用的钢筋型号等，由于该表的信息量大，对表单的列信息不再一一列举。

图4 “三台阶七步开挖法”截面数据

2.3 施工进度模拟

施工进度模拟则根据时间从表中依次取出每个工序的开挖面数据、线位数据、开挖起始里程和终止里程，根据这些数据实时构建三维模型并以动画的形式显示到三维模型中，用户可以设定一帧动画的时间跨度，系统则根据设定的时间跨度自动取数据并生成三维模型。其算法如下：

算法: SCHEDULE_SIMULATION(R,S)

输入: R表示需要模拟的时间段，由最小值和最大值两个值组成，S表示一帧动画的时间跨度。

输出:时间段R内的施工进度三维模拟

取R时间段的最小值，并赋值给变量CurrentTime

while(CurrentTime在R范围内)

then 从工序开挖时间表中取出符合T＞CurrentTime-S&&T<=CurrentTime条件的表单项，其中T表示开挖时

间，并存放到D中；

for(I in D) //对于D中的每一项

do 根据工序ID从开挖工序表中取得开挖面数据；

根据线位ID、开挖起始里程和开挖终止里程从线位表中取得线位数据；

根据线位数据和开挖面数据放样三维模型；

替换原始模型并显示到三维平台中；

CurrentTime += S；

程序结束。

2.4 三维模型下载策略

在对三维地质模型或隧道模型下载的时候，由于模型大、在线下载的时候将占用大量的网络资源，这将严重影响用户的体验。为了解决这个问题，可以通过以下策略。

对模型下载的优先级进行编号，先下载模型小的、重要的数据。

启用后台多线程对模型下载。

对模型分区下载，用户可以通过框选的形式选择感兴趣的区域，将该区域的三维模型下载下来。

利用空闲时间下载模型数据。

采用本地缓存的形式对模型下载，将已经下载的数据缓冲到本地，并记录模型创建时间，提示用户下载最新数据。

对于策略1，可在模型表中加入优先级字段，在模型下载时候，先按优先级排序，在从列表中依次取出优先级从高到低的模型下载到客户端。对于策略2，在程序启动的时候创建一个专门用于下载的线程，下载完毕后关闭该线程。对于策略3，记录模型的地理坐标，用该坐标与用户框选的坐标范围比较，如果模型的地理坐标在范围之内则将模型加入下载队列，否则不下载该模型。对于策略4，用户可以自定义空闲时间，如晚上11点至次日凌晨5点为空闲时间，系统则在该时间段内集中对模型进行下载。对于策略5，当将模型下载到本地的时候，将模型缓存到本地的某个文件夹中，并将模型的创建时间记录到本地，当系统再次打开的时候，依据该时间来确定模型是否需要下载，如果本地时间与服务器时间不一致，则说明该模型有改动，提示用户从服务器下载最新数据，这样做可以避免重复下载同一个数据。

结束语

本文利用三维GIS技术对隧道施工中常用的“三台阶七步开挖法”进行管理，避免了在施工过程中步骤繁多、步骤之间干扰大，施工组织麻烦等问题。在施工进度管理中，采用动画的形式形象地展示了“三台阶七步开挖法”各个工序的施工进度。施工人员可根据现场情况通过网络快速反馈信息，设计人员能够方便地根据GIS平台提供的数据及施工反馈信息进行各种调整，简单而方便地设计各种施工方案。