CAD 在隧道变形监测中的应用

张瑞鹏 ZHANG Rui-peng；吴梦瑶 WU Meng-yao

（①西安铁路职业技术学院，西安 710600；②陕西铁路工程职业技术学院，渭南 714000）

0 引言

随着我国交通事业的迅速发展，各类交通基础施设建设日新月异，公路、铁路等重大工程向西部地区延伸，由于西部地区地势原因，隧道工程的数量呈持续上升状态。在隧道工程施工过程中，隧道变形监测是确保隧道施工质量的重要手段。三维激光扫描技术近几年的迅速发展，以及其所具有的测量速度快，精度高，可三维表达被测物体，抗干扰强等特点，被广泛应用于实际工程中，包括桥梁工程、隧道工程、边坡工程等。罗朗[1]等人通过VBA 建立CAD 与Excel 的联系，实现快速绘制纵断面，并将Excel 表转换为CAD 表；武研[2]等人开发基于VBA 的火车轴自动绘图系统，推动了火车轴标准化的进一步发展；武伟刚[3]等人开发了基于CAD 的既有铁路线路纵断面改建设计系统，实现了交互式纵断面修改设计；牟航等[4]人利用VBA 语言对CAD 进行二次开发，研发了无缝线路配轨系统，提高了铁路内业检算和配轨的效率，具有很大的实用价值；李颖[5]等人通过对矿山绘图相关要素进行研究，开发基于CAD 的矿山辅助绘图和成图系统。

本文基于CAD 为平台，以三维激光扫描仪采集的点云数据为基础，设计开发适用于隧道变形监测的信息提取系统。实现了隧道断面生成及提取、断面拟合、监测点信息坐标提取等功能，为隧道变形监测提供了数据支撑，从而提高了变形监测效率，提高施工质量，节约工程成本。

1 系统设计

1.1 系统框架

根据隧道施工监测的内容，本文在设计系统功能时从隧道点云数据转换和隧道断面分析两个方面入手，对隧道点云数据进行整理和分析。通过VBA 语言进行编译在CAD 菜单中形成如图1 所示菜单选项。

图1 CAD 菜单功能

1.2 隧道变形信息提取

①隧道断面生成及提取。

对于任意里程的断面，点云是离散的一系列点组成的，这时候需要确定阈值d，即断面切片的厚度。切片的厚度d 的断面包含Ya±（d/2）范围内，将这些点投影到Y=Ya的XOZ 面上即可对断面进行拟合分析[6]。

值得注意的是断面截取厚度d 的选取，如果断面切片厚度d 取值比较小，则会造成断面包含数据量较小，对断面信息提取不全；如果厚度d 选取过大的话，运算量会变大，噪点会增多，去噪效果不理想，影响断面信息的提取。所以断面厚度d 的确定非常关键。本文选择d 为5cm。坐标转换后的数据需要存储于已经在指定文件夹建好的Excel 数据库中，以便后期进行断面的提取和分析。

②隧道断面拟合。

对于隧道的变形情况，隧道的曲线部分一般都是设计成圆形，采用圆曲线和椭圆曲线拟合隧道的每个断面点云数据比较合理，模型简单计算量小，能很好地反应隧道的整体变形信息。但是从具体的断面来看，隧道在各方向上是不均匀变形的，这时如果用圆曲线和椭圆曲线拟合不能分析出断面上具体的变形位置，也不能体现出局部的变形差异，因此采用别的曲线模型来拟合断面数据是有必要的[7]。

CAD 中有自己的三次样条曲线拟合命令[8]，可以直接调用CAD 三次样条曲线命令进行曲线拟合。在调用命令之前需要提取断面数据，选择点作为曲线拟合基础数据。基础点的多少决定了曲线拟合的精度，如果基础点少，曲线拟合效果不佳。如果基础点多，拟合曲线会出现凸点，影响曲线光滑性[9]。断面图为变形监测提供了依据，并且观察不同时期的隧道断面变形比单一点的位移特征更加直观。

③特征点信息提取。

在数据转换完成后，数据库中不仅存放着隧道断面的点云坐标数据，还有计算得到的各点与拟合断面中心点的方位角数据。指定方位角便可获得相应位置的点坐标或者邻近位置的点坐标，以此便可通过方位角获得隧道断面的各特征点坐标数据，为监测报表提供数据支撑[10]。每期监测点都以固定方位角进行选择，保证每期数据提取的监测点位置相同。

2 工程应用

2.1 工程概况

研究区域为中兰客运专线后沟梁隧道，该隧道位于甘肃省兰州市兰州新区中川镇境内，是中兰客专兰州新区联络线右线关键工程。隧道起讫里程为LDyK241+056～LDyK241+350，全长294m，为单线隧道，设计时速160 公里/小时，但为满足过梁需要，采用时速250 公里/小时标准设计。全隧位于R=1600m 的右转曲线上，洞内纵坡为-25‰/294m 的单面下坡[11]。

2.2 断面提取

点击断面分析中的断面提取选项，程序弹出“请输入数据库文件：”指令，输入经过数据转换模块处理的点云数据库文件名，其格式为Excel 文件，后缀为.xlsx；系统打开输入的数据库，后台计算断面总数，然后询问“是否展绘所有断面（是/否）：”如图2 所示。

图2 是否展绘所有断面提示图

输入“是”，系统将读遍Excel 数据库中所有断面，并展绘在CAD 当前图纸中。如图3 所示，为提取的隧道所有连续断面。

图3 全隧道断面提取提示图

如果输入“否”，系统将弹出“请输入断面序号：”指令，输入断面序号，系统将在CAD 当前图纸展绘该断面数据点，如图4 所示；并提示断面提取完毕，然后结束程序，完成该选项操作。

图4 提取断面图

2.3 断面曲线拟合

点击断面曲线拟合选项。同上节一样，首先输入数据库文件名，与CAD 进行链接，而后输入断面序号，系统将提取该断面展绘于CAD 图纸中，接着系统将提示“指定点：”，选择点后，系统将提示“输入点号：”，如图5 所示。点号按数字升序输入，共选择20 个点作为断面曲线拟合的基础点，当输入点号为“end”时，系统将停止指定点，所有指定点保存在Excel 数据库中。

图5 指定点示意图

选点结束后，系统将自动拟合曲线，拟合完成后将弹出“断面拟合完毕！”对话框，点击确定可以看到CAD 当前图纸中的断面曲线，如图6 所示。

图6 断面曲线拟合图

2.4 监测点提取

点击监测点提取选项，同之前几节相同，先输入数据库文件，然后输入正确的断面序号，系统将打开Excel 数据库进行特征点提取。提取完毕后弹出“特征点提取完毕！”对话框，特征点数据保存在Excel 数据库中，如图7所示。

图7 Excel 特征点存储示意图

3 总结

本文以三维激光扫描仪获取的点云数据作为数据来源，针对隧道施工过程中，隧道监测的实际问题，以CAD为平台，运用VBA 语言开发隧道变形监测信息提取方法。实现隧道断面生成及提取、隧道断面拟合、监测点信息提取等功能，为隧道变形监测提供了新方法，并在实际工程中得到检验，提高了隧道测量工作效率，节省了施工成本。