铁路隧道洞口三维设计系统研究与实现

何守旺

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

近年来，随着我国铁路建设的快速发展，隧道工程也在快速增加，已成为铁路工程建设的重中之重。隧道洞口工程是隧道工程的重要组成部分，属于主体工程。隧道洞口段一般埋深浅、风化程度深、岩体破碎、稳定性差等，易诱发滑坡、偏压、坍塌等事故，施工难度和风险较大，是整个隧道的薄弱环节，直接关系到隧道的安全进洞及今后运营安全，故隧道洞口工程设计在隧道设计中就显得尤为重要[1]。隧道洞口工程设计内容主要包括：洞口位置确定、洞门类型选择、洞口开挖土石方计算、洞门设计[2]。目前，西宁至成都铁路、兰州至合作铁路等项目隧道工程占比高，且长大隧道多、海拔高、施工条件差、地质条件复杂。对于隧道洞口工程设计，若采用人工分析、CAD绘图、综合判识的传统设计方式，需耗费大量工作时间与精力，专业设计人员劳动强度非常大。随着铁路勘察设计任务的大量增加，隧道专业设计人员工作任务超负荷，迫切希望能有新手段或新方法来提高隧道洞口工程的设计效率和设计质量。

在隧道洞口设计软件研发方面，国内已有设计院和科研院校开展了相关研发工作。王新林等[3]研发铁路隧道工程辅助设计系统包含洞门设计子系统，实现端墙式、翼墙式、台阶式及新型切削式隧道洞门设计，能够生成二维图纸；李怀鉴等[4]研发隧道结构辅助设计系统通过与CAD地形图形交互计算洞口主要工程数量，最终形成隧道工点图；李进贵[5]开展了公路隧道端墙式洞门辅助设计研究，以参数化的技术进行了端墙式隧道洞门辅助设计；胡炜等[6]基于Visual Basic平台，开发了基于极限状态法的隧道洞门结构计算软件，实现了洞门结构5种极限状态的可靠度指标和承载力极限状态的快速计算功能；闫智[7]在Microstation平台上，利用BIM技术对隧道洞门辅助设计方法进行了探究，在三维地模的基础上，完成端墙式隧道洞门参数化设计与仰坡设计；黄琦茗等[8]研究了帽檐斜切式洞门参数化建模，并利用MicroStation的开发工具MVBA进行二次开发，研发创建帽檐斜切式洞门模型的程序。上述研究多是针对洞口工程的单一设计内容进行研发，涉及洞口地模创建、洞门二维参数化出图、端墙式隧道洞门三维设计、洞口仿真模拟等，尚未有覆盖洞口位置确定、洞门类型选择、洞门设计等内容的系统性、集成性软件研发。目前，随着BIM技术在铁路工程中的广泛应用，利用BIM技术进行隧道洞口工程设计与研发已是行业共识[9-12]。

AutoCAD Civil 3D是Autodesk针对土木工程行业的BIM设计平台，它可以创建精确的三维数字地形模型，设计各种路线及纵断面，生成道路模型并计算土方量等，且具有开放的体系结构，提供COM API、.NET API和CustomDraw API，允许用户根据自己的专业特点，进行定制开发。根据隧道专业的业务需求，提出利用BIM技术，通过对构建系统的关键技术进行研究，并对系统进行整体架构设计和关键模块设计，在AutoCAD Civil 3D平台上，利用其.NET API二次开发接口，开发铁路隧道洞口三维设计系统。

1 关键技术研究

1.1 三维数字地形建立技术

三维数字地形模型的建立是开展洞口三维设计的基础，在AutoCAD Civil 3D中，将三维数字地形称之为“曲面”，包括三角网曲面、栅格曲面、三角网体量曲面、栅格体量曲面，其中，三角网曲面使用不规则分布的采样数据来映射复杂多变的曲面，以表示河流、道路和湖泊的影响，较适合隧道洞口设计的应用。在设计过程中，洞口处地形数据一般是航测专业提供的1∶500或1∶1 000的dwg地形图，包含主次等高线、道路、标签、地质、地物、管网、隧道中心线等一系列信息。利用洞口处dwg地形图创建三维地形曲面，需对dwg地形图进行预处理与识别处理，包括：①清除掉图形中的重复项、短对象、零长度对象等；②将表示等高线的样条曲线转换为多段线；③图层过滤，把无用的图层关闭，一般情况下只保留主等高线图层、次等高线图层，陡坎土层、隧道中线图层等；④等高线三维坐标提取，通过把曲线化后的等高线进行等距分段，然后将分段点坐标提取出来作为高程点；⑤对测量点及其他带有高程信息的AutoCAD图形对象进行识别，以基于基点进行解析，为曲面添加特定点数据；⑥对地形特征线(如山脊线、山谷线、垂直的陡壁等)的识别，通过过滤，为曲面添加“特征线”类别。图1为洞口处由dwg地形图生成三维地形曲面模型。

图1 洞口处dwg地形图生成三维地形曲面

1.2 隧道洞门参数化建模技术

传统铁路隧道洞门形式包括端墙式、翼墙式、耳墙式、台阶式、柱式，为实现隧道洞门参数化建模，需根据各洞门形式的结构特点，进行组成构件的分析与拆分，并对各个组成构件进行参数化设计，以此完成洞门的参数化建模。在AutoCAD Civil 3D中，“廊道”是其核心概念，指具有路线水平几何特性、纵断面垂直几何特性及横断面几何特性的三维带状模型，且横断面是装配式的，利用这种装配式原理，可根据实际工程的需要，设计出任何土木工程中的带状物，如铁路、公路、城市道路、地铁、桥梁、隧道、挡土墙、水渠、大坝、管线、护坡、绿化带等。为此，可利用“廊道”功能来实现隧道洞门参数化建模，包括：①根据不同的洞门形式，分析与拆分其组成构件，形成最小的设计部件，并以参数化方式对部件几何造型进行设计；②定义或计算这些构件的逻辑对象，包括基准线、定位线及纵断面；③设计装配与部件附着方式，并根据洞门形式的组成约束，组装各个构件，构建出隧道洞门的三维实体。如翼墙式隧道洞门，其组成构件包括：洞口衬砌、端墙、端墙顶水沟、翼墙墙身、翼墙基础、翼墙顶水沟、顶帽。根据每个构件的几何造型进行参数化设计，需考虑以下属性：基本属性(图层、颜色、样式等)、几何属性、材料属性，表1为最终的翼墙式隧道洞门设计参数。根据工程实际，定义构件的逻辑对象，翼墙需考虑与路堑边坡、端墙、顶帽的关联，因此，逻辑对象包括端墙顶水沟高度、基础高度和定位线偏移。最后，以洞口位置为基点，将各个构件组装到一起，完成翼墙式隧道洞门三维设计，如图2所示。

表1 翼墙式隧道洞门设计参数

图2 翼墙式隧道洞门模型

1.3 自定义部件

部件是构成“廊道”横断面的基本单元，有“点”、“连接”、“造型”3种几何单元组成，通过几何单元生成“廊道”的线、曲面和结构体，即沿着中心线进行纵向延伸，“点”生成要素线，“连接”生成曲面，“造型”生成纵向空间结构体。在AutoCAD Civil 3D 中，自定义部件的方式包括：①从polyline线直接创建部件；②使用部件编辑器以可视化方式创建部件；③使用C#语言编程设计部件。其中，第一种方式是无法实现参数化，适用于形状固定的对象，后两种方式可实现参数化，适用于形状需要参数驱动的对象，其中，部件编辑器以可视化、图形交互方式定义部件，使用直观，但该方式在逻辑判断中无法支撑循环条件，如无法处理多级边坡，而C#语言编程设计部件可处理各种情况，但对设计者要求过高，需会编程。为实现隧道洞门形式的参数化设计，在系统研发中，采用部件编辑器与C#语言编程设计部件相结合的方式来实现自定义部件。一般按照以下步骤自定义部件：①规划与分析，对部件几何造型、应用目的及设计操作中如何使用部件进行规划与分析；②创建设计文档，主要描述部件的附着方式、参数、运行时逻辑指定、行为、代码方案等；③以部件编辑器或者编程的方式实现。图3、图4为部件编辑器定义的翼墙部件与翼墙部件装配图。

图3 部件编辑器定义的翼墙部件

图4 翼墙装配示意

1.4 洞口位置确定

隧道洞口位置的确定直接关系到隧道走向、长度和地层好坏等，因此，必须通过对地形、工程地质和水文地质的勘探与调绘，综合考虑环境保护要求、施工安全、洞口相关工程的技术要求等因素，并通过工程经验和工程类比来确定[13]。在洞口位置确定过程中，对于常规地形，最重要的一项工作就是计算边坡、仰坡的开挖最大高度。通常情况下，需经过以下几步：①初步假定一个洞口位置，包括进口或出口里程、高程；②拾取或设定洞门相关信息，如边坡坡率、仰坡坡率、仰坡起坡位置、洞门顶水沟底面线等；③设置断面间距、边坡仰坡拐角断面数量等参数，布设批量控制断面；④创建采样线，计算采样线与地形交点，从而提取地形断面数据，并绘制地形断面；⑤计算边坡与仰坡的开挖高度，确定最大开挖高度；⑥判断计算结果是否符合规范规定和满足设计要求，若不符合，需前移或后退一定距离。重复上述步骤，直到符合规范规定和满足设计要求为止[14-16]。洞口位置确定是一个反复迭代的过程，这个迭代过程的直接影响就是洞口位置的假定值变化，布设的控制断面、采样线、地形断面、边坡与仰坡开挖高度计算、开挖轮廓绘制工作都需重新来做。铁路隧道洞口位置确定流程见图5。

图5 铁路隧道洞口位置确定流程

2 铁路隧道洞口三维设计系统设计与实现

2.1 系统研发目标

根据铁路隧道洞口工程设计的业务需求，在AutoCAD Civil 3D平台上，应用BIM技术，建立隧道洞口处三维地形模型和洞门参数化设计模型，采用三维动态设计，通过对隧道线路中线与选择的等高线集相对关系判断、洞口边仰坡计算、边仰坡最大开挖高度计算，判定洞口地形类型，实现洞门类型选择和洞口位置确定，从而实现隧道洞口工程设计流程化、程序化，以此提高设计效率与质量。

2.2 系统架构设计

根据用户特点和业务需求，系统采用分层架构设计，其体系结构由数据层、业务逻辑层和表示层组成，如图6所示。

(1)表示层：为用户提供操作界面，呈现形式包括菜单、工具条、对话框、面板等，使得用户与系统更好地交互。

(2)业务逻辑层：主要实现业务规则的制定与业务流程的实现，对应系统的各个核心功能模块，如洞门类型选择、洞口位置确定、洞门设计等。一些业务实体操作可直接调用Civil 3D API来实现，对于不能调用Civil 3D直接操作的实体，可调用底层AutoCAD.NET API来实现。

(3)数据层：支持专业工程数据库、文本文件、INI文件、dwg图形文件及Excel格式文件，提供永久数据支持，其功能主要是实现对SQL Server数据库的访问，以及对dwg、Excel等文件的读写操作。

图6 系统架构

2.3 系统模块设计

采用模块化、面向对象的设计方法，通过合理划分模块与设计对象粒度大小，将系统分成多个相对独立的功能模块[17]。铁路隧道洞口三维设计系统主要有隧道洞口数字地形创建、洞门类型选择、洞口位置确定、隧道洞门三维设计等模块组成，系统组成如图7所示。

图7 铁路隧道洞口三维设计系统组成

系统的主要功能如下。

①项目管理及初始化：完成建设项目创建、洞门工程创建、选择洞口进出口、指定洞口航测地形平面图文件及打开洞口工程。②洞口数字地形建立：在航测洞口地形平面图基础上，通过对地形文件进行识别分析，获取主要等高线与次要等高线信息，使用创建曲面命令，设置曲面名称、描述及样式，并最终建立隧道洞口数字地形。③洞门类型选择：依据隧道洞门类型确定约束条件，完成对选择的等高线集与线路中心线相对关系判断、洞门处左右特定距离点的边坡，洞门处前后特定距离点的仰坡计算，同时按照预定参数判断洞门处地形类型，最终根据常见洞门类型适用条件，推荐符合隧道洞口处实际情况的洞门类型。④洞口位置确定：设置边坡坡率、仰坡坡率及洞口允许开挖高度等设计信息，在隧道洞口处三维地形模型的基础上，通过构建洞口位置迭代约束模型，完成隧道洞口位置的确定。⑤洞门三维设计：完成传统形式的隧道洞门三维设计，包括组成构件设计、组装、三维模型生成、模型浏览、计算体积、输出结果、生成设计图、模型更新、模型删除、模拟驾驶。⑥洞身构筑物识别：实现洞身构筑物的三维模型生成，包括对内外轮廓、洞身沟槽身、水沟电缆槽、盖板、仰拱填充、道床底板等组成构件的识别生成、组装及三维模型生成。

2.4 系统实现

在AutoCAD Civil 3D平台上，采用Visual Studio作为开发工具，利用AutoCAD Civil 3D.NET二次开发接口[18-20]，用C#语言进行系统开发，后台数据库采用SQL Server2008。

3 系统主要特点

铁路隧道洞口三维设计系统用于现行铁路隧道规范下的铁路隧道洞口工程设计，该系统具有以下优势与特点。

①在AutoCAD Civil 3D平台上，应用BIM技术，通过.NET API二次开发接口，构建铁路隧道洞口三维设计系统。②通过对隧道线路中线与选择的等高线集相对关系判断、洞口边坡仰坡计算，判定洞口地形类型，按确定的约束关系，实现洞门类型选择。通过设置批量断面，在洞口位置迭代约束模型的基础上，完成边坡仰坡最大开挖高度计算和洞口位置确定。③利用AutoCAD Civil 3D中的“廊道”功能，采用部件编辑器与C#语言编程设计部件相结合的方式来实现自定义部件，实现了隧道洞门参数化设计。

4 系统应用

系统完成后，进行了用户测试，并根据专业测试反馈意见优化与完善系统，并在西宁至成都铁路、兰州至合作铁路的郎木寺隧道、隆务三号隧道、瓦勒塔隧道、大盐沟隧道、黄家岭隧道等工点设计中进行了应用，以大盐沟隧道合作端洞口为例阐述系统的使用过程。①利用1:500洞口处dwg地形图文件，通过识别处理，获取主要等高线与次要等高线信息，创建隧道洞口处数字地形模型。②根据线路平、竖曲线要素信息，创建线路对象，然后通过布置批量控制断面(图8)，计算地面自然坡面与设计刷坡面的交线，形成控制纵断面，并获取边仰坡的开挖高度(图9)，多次迭代，最终确定洞口位置。③设置洞门类型判断设计参数(图10)，系统可完成洞口处地形判断、对选择的等高线集与线路中心线相对关系判断、洞门处左右特定距离点的边坡，洞门处前后特定距离点的仰坡计算，根据洞门类型适用条件，推荐洞门类型为翼墙式。④输入翼墙式隧道洞门设计参数，生成三维模型与设计图(图11)。使用过程中，运行稳定、使用方便、成果满足规范要求，提高了设计效率和质量。

图8 布置断面输入界面

图9 边仰坡开挖高度计算结果

图10 洞门类型判断设计参数

图11 翼墙式隧道洞门三维设计

5 结语

根据工程实际与业务需求，在AutoCAD Civil 3D平台上，研发铁路隧道洞口三维设计系统，实现了三维设计环境下隧道洞口数字地形建立、洞门结构形式选择、洞口位置确定以及隧道洞门三维设计。通过在西宁至成都铁路、兰州至合作铁路等项目隧道设计中的使用，检验了系统的正确性与适用性。工程应用表明，该系统符合隧道专业设计需求，能够提高隧道洞口工程设计效率和质量。

目前，该系统对涉及的一些复杂、特殊工况尚不能处理，系统自动化程度仍有提升空间。下一步扩展斜切式、倒切式等洞门形式的三维设计，对于复杂地形、洞口位置不能依据单一的开挖高度进行确定的情形进行深入研究，不断完善与优化系统，进一步提高系统的适用性。