隧道工程区三维建模及可视化研究

师奇威 董 鑫

(中国人民解放军61172部队,北京 102200)

随着国民经济的发展，我国基础设施工程建设的建设重心从东部发达地区逐渐转向地质地形极其复杂的西部地区。传统的工程地质资料分析局限于二维静态分析，不能有效表达隧道与空间地质体的相互关系[1]。近十几年来，随着计算机图形技术的发展，三维地质建模技术与GIS技术逐渐应用于交通、水利、城市规划、勘探等领域。

国外在三维地质建模领域的研发起步较早，加拿大学者Simon.W.Houlding首次提出了三维地质建模的概念[2,3]，总结了三维地质模型的生成方法、空间数据库等概念，基于统计学、地质统计学、空间分析、可视化等技术，建立了三维地质建模的基本理论体系，为该领域的研究指引了方向[4]。法国Nancy大学的Jean.L.Mallet教授提出了离散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation，DSI)技术[5,6]，将地质建模方法定义为能够统一模拟地质对象的拓扑、几何和物理属性的数学方法集合[7]，并且基于此技术开发了gOcad软件[8]，该软件能够针对地下复杂结构建模，已经被广泛用于石油及天然气行业的当中[9]。国内这方面的研究多结合工程实际，以满足工程需要为主，近年来取得了一些进展[10]。

李敦仁[1]以岭脚隧道工程为实例，研究了高速公路隧道的三维地质建模技术，建立了包括地层信息、三维隧道、断层信息等地下结构的全景三维地质模型。吕希奎等[11]针对隧道三维建模方法多样性的不足以及交互性的缺乏，提出了基于参数化建模技术的隧道三维建模与景观仿真方法。李明超[10]针对连拱隧洞工程的需要，进行了连拱隧道工程地质三维建模与可视化分析。陈国良等[12]基于交叉地质剖面数据，提出一种通过划分空间单元格，再将所有空间单元格内的模型拼接起来构建最终的整体模型的地质模型构建方法；刘振平等[13]基于钻孔数据，采用GA-Kriging方法对地层属性值进行插值建模，利用VTK图形库实现了地层模

型的三维快速可视化。上述方法都是基于充足大量的钻孔或剖面数据，然而隧道工程所处区域为复杂地质环境的山区，难以获取足够的信息或者数据，单一的地质建模方法难以满足隧道施工工程需要。本文基于成兰线极端复杂下的地质环境，依托龙门山隧道，利用三维建模技术及相关算法，实现了地表地形、地层地质体、钻孔、隧道等三维建模与可视化，为隧道施工信息化及施工事故风险管控提供了有力保障。

1 工程概况

新建铁路成兰线地形地质条件呈现出典型的“四极三高”特征，即地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著。其中跃龙门隧道为成兰线众多隧道之一，为成兰线控制性隧道工程，龙门山隧道穿越北东走向的龙门山山脉，隧址区地形如图1所示。隧道穿越龙门山中央断裂带，地质构造极为复杂，因此建立龙门山隧址区三维地理地质信息系统对识别地质风险、保障工程安全具有重要意义。

2 技术路线

龙门山工程区三维地质建模与可视化技术路线见图2。

3 三维建模与可视化

3.1 数据处理

构建隧道模型需要隧道的路线数据和断面数据。提取数据的方法是利用VBA编程序提取隧道路线和隧道断面的多段线数据。龙门山隧道左线隧道多段线示意图如图3所示。

通过借助VC++程序，可以将工程区域等高线数据从CAD文件中提取出来，如图4所示，到地表DEM模型。

3.2 隧道建模

将隧道断面平面直角坐标系坐标到空间直角坐标系的转化，提取出来的隧道断面坐标为平面辅助直角坐标系的坐标。

建立专业信息模型实现从二维图纸到三维设计转型，构建的隧道三维模型如图5所示。

3.3 龙门山隧道工程区地质建模

地质界线描述了地质体在地表出露情况，数字高程模型描述了整个区域地形状况，本文采用约束三角网的方法，耦合地质界线与数字高程模型构建地质体顶面模型，经过Hermite径向基隐式曲面地质界面重建与基于隐式曲面的面体布尔运算，以及地质体剥离建模，最终得到工程区地质模型，如图6所示。

3.4 隧道模型与工程区地质模型耦合建模

对隧道模型与地质体模型进行耦合建模，就是通过一定的实体之间的布尔差运算，从地质体模型中将隧道模型做差去除，本文通过地质体对于隧道模型中三角形求交，通过交线段对原来的三角形进行重构，并通过两模型中原来与重构的三角形与两模型的内外关系，给定三角形的取舍关系，留下结果三角形，实现模型的布尔运算(见图7)。

3.5 实现功能

基于Visual Studio C++ 2008及OpenGL三维图形库，设计并开发了三维地质地理信息实验原型系统(见图8)，针对现有数据进行初步处理，初步实现了地表地形、地层地质体、钻孔、隧道等三维建模与可视化。

4 结语

本文针对复杂地质条件下的隧道施工建设，提出了适用于铁路隧道工程区三维地质建模可视化、专业工程地质分析的相关方法和技术。在建模和分析方法、算法研究基础上，实现了断层等约束条件下的隧道工程区三维地质模型构建、可视化、围岩信息查询等功能。充分发挥了计算机、地理信息系统在信息资源方面的优势，对铁路隧道进行了全方位的三维可视化信息建设，可以自由观察隧道线路沿线的地质构造。

参考文献：

[1] 李敦仁.高速公路隧道的三维地质建模技术研究[J].现代隧道技术,2013,50(1):103-108.

[2] Simon.W Houlding. 3D Geosciences Modeling:Computer techniques for geological characterization[M].New York:Springer-Verlag,1994.

[3] Simon.W Houlding. The application of new 3-D computer modelling techniques to mining, in Three-Dimensional Modeling with Geoscientific Information SystemsSpringer,1992:303-325.

[4] Barry Joe.Three-dimensional triangulations from local transformations [J].SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing,1989,10(4):718-741.

[5] Jean. Laurent Mallet. Discrete smooth interpolation in geometric modelling [J].Computer-Aided Design,1992,24(4):178-191.

[6] Jean. Laurent Mallet. Discrete modeling for natural objects [J].Mathematical geology,1997,29(2):199-219.

[7] 徐能雄,段庆伟,梅 钢,等.三维地质建模方法及程序实现[M].北京:地质出版社,2011.

[8] Nancy School of Geology-Georessources GOCAD Project,gOcad Home[Z].2011.

[9] Jean. Laurent Mallet. Geomodeling[M].New York:Oxford University Press,2002.

[10] 钟登华,李明超.水利水电工程地质三维建模与分析理论及实践[M].北京：中国水利水电出版社,2006.

[11] 吕希奎,周小平,张学军,等.基于参数化技术的隧道三维建模方法[J].图学学报,2011,32(2):26-30.

[12] 陈国良，刘修国，盛 谦，等.一种基于交叉剖面的地质模型构建方法[J].岩土力学，2011，32(8)：2409-2415.

[13] 刘振平，贺怀建，朱发华.基于钻孔数据的三维可视化快速建模技术的研究[J].岩土力学，2009，30(sup)：260-266.