徐 博

(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

随着近几年铁路投资的不断增加,山岭隧道占比越来越大。隧道洞口作为隧道工程的重要组成部分,在施工及运营安全方面发挥着至关重要的作用。在施工期间,合理的洞口及明暗分界位置、临时边坡及排水设计能够确保隧道安全进洞,并在雨季与地震等作用影响下保持稳定。在运营期,科学有效地设置隧道洞口永久坡面防护、明洞等工程能够防止在极端条件下洞口危岩落石、滑坡等造成的安全事故,确保运营安全。由此可见,隧道洞口设计合理与否将直接关系到后续隧道施工、运营阶段的安全[1-3]。

目前传统的隧道洞口设计方法是基于二维等高线图点绘或通过实测线路横断面,采用“带帽法”进行隧道洞口设计,通过不断的迭代试画,最终确定所有设计参数,设计过程耗时费力。确定设计参数时,沿线路方向缺少连续性。在浅埋、偏压等复杂地形、地质情况下存在一定范围的设计盲区。设计人员难以准确掌握隧道洞口填挖边界,给填挖方工程数量计算、洞口排水、坡面防护等设计精度造成较大影响[4-5]。为解决上述问题,从设计角度出发,研究了隧道洞口二三维同步设计方法,并基于BIM技术建立了符合铁路隧道设计习惯的三维隧道洞口设计系统。

在研发隧道洞口辅助设计软件方面,目前国内高校及设计院均有相关研究成果。闫智[6]基于MicroStation采用MVBA技术开展了基于BIM的铁路隧道洞门辅助设计研究,提出了参数化设计洞门结构及附属工程、仰坡的方法;何守旺[7]在AutoCAD Civil3D环境下通过.NET API接口实现了隧道洞口位置的选择、数字地形的建立与洞门结构的参数化设计功能;黄琦茗等[8]等提出了在MicroStation下参数化创建帽檐斜切式洞门的流程与方法,开发出能够高效创建帽檐斜切式洞门模型与计算工程数量的程序;李俊松等[9]通过洞门参考图提取关键几何参数,实现了基于实际线路的洞门模型快速实例化;伍丹琪等[10]针对斜切式洞门提出基于4条轮廓线要素的参数化设计方法,并在高铁项目中进行了验证。但现有研究多为针对特定洞门类型设计或在设计参数已确定的情况下,建立相应的数学模型,通过参数化生成洞门结构模型;亦或其输出成果仅为三维模型,不能同步生成二维设计文件满足当前法定文件交付格式的需求。从工点设计角度来看,并未充分利用线路、地形等边界条件。在系统性方面也未涵盖比较完整的设计内容解决方案。可见,符合隧道工点洞口工程设计流程的三维辅助设计系统仍有必要探讨研发[11-13]。

1 隧道洞口设计重难点分析

在隧道洞口设计时,应严格遵循“早进晚出”“顺应实际地形”“减少开挖,尽量保持边仰坡稳定”“重视洞口排水系统”的设计理念与原则[14]。因此,在隧道洞口工程设计过程中做好洞门结构选型、关键里程确定、填挖方设计、洞口排水设计等工作就显得尤为重要[15-17]。

1.1 洞门结构选型

设计人员在设计之初应针对隧道洞口地形、地质特点,因地制宜选取合适的洞门类型。通常需要通过观察线路走向与等高线的交角或手动点绘横纵断面确定洞门类型[18]。当线路与等高线基本垂直时可选择斜切式或端墙式洞门;当线路与等高线相交角度较小时则采用台阶式洞门;当洞口地势比较平缓时,为确保施工与运营安全,还需要考虑设置明洞洞门。传统采用基于典型断面的设计方法具有明显的局限性,当洞门“帽子”放置在横断面相应位置后,设计人员只能通过平面和特定的剖面,抽象地判断洞门结构是否在三维环境下与当前地形相适应,很难确保当前洞门结构是否符合绿色环保等要求。

1.2 关键设计里程确定

隧道洞口关键设计里程有隧道洞口里程及明暗分界里程,应同时兼顾最小进洞安全覆土厚度和最小洞口开挖量的要求。关键里程的选取将直接关系到隧道进洞施工安全。采用手工点绘横断面,通过不断试画迭代虽然能够确定上述关键里程,但当线路平、纵设计发生变化后,设计人员需要重复上述步骤再次确定相关里程。设计过程费时费力,且不能实现精确的关键里程卡控。

1.3 填挖方设计

在隧道洞口设计中,应尽可能减少对洞口的刷方与扰动[19]。但大多数隧道洞口设计仍不可避免涉及洞口挖方。一方面是为获得比较稳定的临时边坡和永久边坡,同时能够确保隧道进入暗洞前留有足够的安全覆土厚度;另一方面,在明挖段还会涉及洞口填方设计。二维设计通常选取洞口典型断面进行边、仰坡设计及明洞回填设计,而在绘制平面图时就会遇到开挖边界及回填边界难以确定的问题,只能以点带面的简化绘制。这样会对工程数量计算及边坡挡护设计精度造成一定影响。

1.4 洞口排水设计

洞外排水主要由截水沟、平台排水沟、回填顶面排水沟与侧沟组成。截水沟是防止地表水进入隧道范围的第一道防线,能够有效降低施工期间坡面浸水失稳的风险。截水沟设计跟洞口开挖边界线有一定关联。根据坡面地质特性,一般距离坡口线5～10 m设置截水沟,并根据不同的自然坡降,选用不同的水沟基础类型[20]。在二维设计中,开挖边界线主要是通过线路中线至边、仰坡坡口水平距离卡控确定的,只能大致反映开挖线的趋势。因此,也会导致截水沟的平面设计精度不高。

由此可见,采用传统方法进行隧道洞口工程设计具有明显局限性,亟需研究新的设计方法,提高设计质量与效率。

2 隧道洞口BIM设计方法研究

2.1 基础平台选择

实现隧道洞口工程三维设计要求基础建模软件具备以下功能:①BIM建模能力;②地形模型创建与剪切能力;③对线路要素的支持程度;④二维出图能力。经过对3款主流BIM软件进行建模测试,对比情况如表1所示。

表1 隧道洞口三维建模适应性测试统计Table 1 Adaptability test statistics for 3D modeling of tunnel portal

对比发现,Autodesk平台的Civil3D与Bentley平台的OpenRailDesigner在对地形与线路中线的支持程度上相当,但从三维建模能力与对地形编辑灵活性上来说,OpenRailDesigner具有明显优势。Revit本身是针对建筑行业的软件,对线状工程支持不是很好,尤其在线路空间定位和地形建模能力方面相对较弱,最终选择OpenRailDesigner软件作为基础平台进行研究。由于隧道洞口设计需要基于地形与线路中线开展空间定位与建模,采用手动方式设计过程繁琐复杂,效率较低,本研究采用C++/C#混合编程方式辅助实现设计过程。利用C++对部分图形处理的底层算法进行封装与优化,功能层开发采用开发效率较高的C#.net API接口实现。

2.2 系统设计

2.2.1 系统架构

根据隧道洞口设计流程与业务特点,系统架构主要可分为3层,分别为数据层、业务逻辑层和交互展现层,如图1所示。数据层主要包括:地形数据、线路数据、设计模板和存储设计信息的数据库。业务逻辑层主要完成各设计内容的算法实现与交互逻辑,是本系统最为核心的部分。交互展现层主要实现用户操作过程中的信息获取与表达,分别通过界面交互、对象交互和图模同步来实现。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

2.2.2 系统功能

隧道洞口工程设计流程一般分为:①地形模型建立;②创建线路;③洞口位置选择;④洞门结构选型与设计;⑤边仰坡设计;⑥回填设计(洞门接明洞时);⑦截水沟设计;⑧其他附属结构设计;⑨出图与算量。考虑OpenRailDesigner自身具有比较完备的地形、线路模型创建功能,地形模型可导入.TIF,.XYZ,.TIN等常用地形文件格式直接生成地形模型。线路中心线可以通过系统自带的交点法或积木法直接进行线路设计,本文不再赘述。其余功能通过API接口采用二次开发的方式进行二三维同步设计。根据以上思路,将系统分为7个功能模块,如图2所示。

图2 系统功能模块Fig.2 System function module

2.2.3 数据库选型与设计

由于在隧道洞口设计过程中,可能会出现同一洞口设计多个对比方案,为便于设计版本管理,需将设计数据以工程文件的方式与模型同步存储。选取使用和维护方便的Sqlite数据库。该数据库是一种进程内的轻量级嵌入式数据库,数据库本身就是一个文件,无需安装与配置,能够按系统需求进行静态或动态连接并访问其中的数据。

系统数据库主要用于存储隧道洞口信息及各部分的设计参数,主要由表2数据组成。

表2 数据库表结构Table 2 Database table structure

2.3 主要设计功能实现

2.3.1 项目管理

为有效管理设计数据,使系统具有更好的可扩展性与健壮性,对系统数据按照系统级、项目级和工点级3个层次进行管理。各级数据分类如表3所示。

表3 数据分级描述与适用范围Table 3 Data classification description and scope of application

2.3.2 隧道洞口位置选择

首先,利用导入的地形数据,在OpenRailDesigner地形模块中生成地形模型;然后,导入线路中线.dgn。根据隧道洞口地形条件试选一种洞门模板,初步输入一个洞口里程,系统根据线路里程绘制线路法线方向的剖面线。通过设置步距,点击向大或向小里程剖切,在预览窗口中动态绘制横剖面,并显示当前剖面线在纵断面中的位置。通过观察隧道结构与地面线的位置关系设计人员就能快速确定隧道洞口里程与明暗分界里程,如图3所示。

2.3.3 洞口边仰坡与回填设计

(1)边仰坡设计

隧道洞口边仰坡设计主要包括隧道洞口临时边坡及永久边坡设计。本系统研发提出通过事先在洞口设计模板特定图层中标记点A1、A2、A3、A4、B、C、D、E、F、H、O1、O2、O3作为边坡设计的特征点,如图4所示,各特征点的作用如表4所示。加载相应的洞口设计模板后系统能够自动识别特征点,设计人员通过输入设计参数能够动态驱动设计预览图。设计人员按照坡率:坡高:平台宽的接坡规则输入临时、永久边坡与仰坡设计坡率。确认设计参数后系统自动结合三维地形生成边仰坡刷坡模型,如图5所示。

图4 隧道洞口设计模板特征点分布Fig.4 Distribution of characteristic points in portal design template

图5 隧道边、仰坡三维模型Fig.5 3D model of tunnel edge and front slope

表4 洞口设计模板特征点功能描述Table 4 Function description of feature points in portal design template

(2)明洞回填设计

如果选择明洞洞门模板,则系统首先会根据回填高度h及O1、O2、O3点的自然坡度自动测算并推荐回填坡度,以便回填面与自然地形相匹配,设计人员可根据推荐值对坡比取整或微调。

(3)草图预览与模型生成

预览窗口能够根据预览设置对三维地形进行动态剖切与剖面预览,为确保预览的灵活性,对剖切横向范围与线路中线偏移量进行参数化控制。根据边、仰坡及回填设计参数,设计草图能够同步在横断面及纵断面预览中动态显示,见图6。设计参数初步确定后,系统会自动在三维视口创建三维设计模型,用于验证初步设计参数是否合理,如需对设计参数进行调整,则可在参数区动态调整以确定最终洞口边仰坡及回填设计参数并输出回填BIM模型,如图7所示。

图6 洞口设计草图预览Fig.6 Preview of 3D model opening design sketch for tunnel portal

图7 回填BIM模型Fig.7 Backfilling BIM model

2.3.4 洞门结构设计

洞门结构从洞门外观角度大致可分为斜切式洞门与端墙式洞门。斜切式洞门(正切/倒切)与地形关联度相对较小,标准化程度高,具有较高的复用性,可作为参数化共享单元存入构件库,在设计时按需调用。端墙式洞门具体可衍生出台阶式洞门、翼墙式洞门等,此类洞门一般需要根据洞口实际地形设置端墙形状及台阶尺寸,比较灵活,可参数化程度低,因此,适合采用交互式辅助建模的方法,以便留给设计人员较大的设计自由度,系统提供手动绘制端墙轮廓并根据轮廓自动生成端墙顶帽沿的功能,并通过墙厚、仰角等参数自动生成洞门结构模型并计算端墙圬工数量,如图8所示。

图8 端墙式洞门结构设计Fig.8 Design of end wall portal structure

2.3.5 其他附属结构设计

(1)截水沟设计

隧道洞口截水沟设计与线路设计类似,需要分别进行平面、横断面与纵断面设计,基于系统自带的廊道设计功能进行二次开发。首先,在洞口平面视图中根据开挖边界线走向绘制截水沟平面线条;再根据地形纵剖面设计水沟纵坡。结合地形及地质情况选择合适的水沟截面类型,为避免设计人员面向复杂的廊道横断面约束设计器,系统对常用的Ⅰ式～Ⅵ式水沟截面进行了参数化封装,如图9所示。为辅助设计人员快速选取合适的水沟截面类型,系统构建了坡度评价机制,即通过对水沟横向地面坡度进行(0～30°,30°～45°,>45°)比重分析,给出“较缓、较陡、很陡”3个等级评价,并推荐与之匹配的水沟断面类型。选取不同的水沟横断面类型后能够激活相应的横断面参数,设计人员根据水文资料填入具体水沟尺寸。由于水沟基础开挖会引起局部地形填挖处理,设计人员在界面中设定填挖方坡率规则,系统便能够自动实现水沟两侧填挖方模型创建。

图9 隧道洞口截水沟设计Fig.9 Design of intercepting ditch at tunnel portal

(2)洞口超前管棚设计

隧道洞口超前管棚设计包括导向墙及管棚参数设计。主要控制参数有导向墙的厚度、长度,管棚的布设范围、外插角、管径、间距等。本系统通过交互界面填写设计参数,在二维预览窗口中进行动态预览,确定参数后系统生成三维模型,并根据线路数据计算定位坐标与方位角,将模型放置到正确的空间位置,如图10所示。

图10 洞口超前管棚设计Fig.10 Design of advance pipe shed at tunnel portal

2.3.6 工程数量计算

受隧道洞口地表自然起伏、刷坡面形状不规则等因素影响,准确计算隧道洞口工程数量成为二维设计长久以来的难点。本次针对不同工程类型算量特点采取以列方式计算。

(1)洞口填挖方工程数量:通过构建刷坡面、回填面、原始地形进行布尔运算,将形成的包围构造转化为mesh对象,得到洞口开挖体与回填体,通过特性查询获得精确的填挖方体积。

(2)实体构件工程数量:对于通过交互式输入设计参数创建的实体结构对象,结合设计参数直接统计其长度、个数等工程数量。

(3)坡面防护工程数量:二维设计时,坡面防护工程数量计算的难点在于坡面总面积难以准确计算,在三维环境下,通过拾取坡面子对象,由系统对坡面面积进行累加获得边坡总面积。而单位面积工程数量能够通过设计参数精确计算得出。二者相乘后便能精确计算出洞口整体坡面防护工程数量。

2.3.7 二维出图

隧道洞口出图一般包括:洞口平面图、横断面图及纵断面图。对于平面出图,由于在交互设计过程中已在三维环境下创建了三维模型,洞口平面图只需将地形三角网转化为等高线显示模式后直接采用平面投影的方式实现。洞口横断面图与纵断面图通过参数驱动与动态绘制的方式实现二维出图。设计模板主要用于通过驱动特征点实现图形变化。而其余设计参数如坡率、锚杆长度与间距、回填参数等则由系统调用绘图函数动态绘制。图纸信息设置与二维出图效果如图11所示。

图 11 隧道洞口二维出图效果(单位:cm)Fig.11 2D mapping effect of tunnel portal (unit: cm)

3 主要创新点

3.1 可动态扩展的设计模板

为适应不同类型洞口设计,提出可参数驱动的模板“特征点”,能够被系统自动识别并判断开挖与回填基准。设计人员能够将“特征点”规则应用到自定义隧道洞口设计模板,有效提升了本系统的可扩展性与通用性。

3.2 二三维互动式设计

针对隧道洞口设计与现场地形特征强耦合的工程特点,提出采用二、三维同步设计的方式进行隧道关键里程选择、洞口开挖与回填设计。充分利用二、三维表达方式的优势,利用二维视口精确卡控设计几何参数;通过三维视口对设计成果进行全方位动态监视与调整,实现了隧道洞口的精细化设计。

3.3 智能化截水沟设计

充分利用OpenRailDesigner对地形的自适应特性,通过二次开发封装了常见水沟类型,并对地形坡度分析,实现了自动推荐水沟类型,快速创建适应地形的水沟模型功能,有效降低了设计难度,提高了设计效率。

3.4 基于中心数据库的二三维同步设计

系统实现了基于同一数据库的设计参数,分别驱动绘图函数生成二维图纸与三维BIM模型,使设计人员对同一设计内容只设计一次,极大地减轻了设计人员工作强度。

4 结语

从实际设计业务需求出发,结合铁路隧道洞口工程设计重难点,基于OpenRailDesigner 软件,研发了铁路隧道洞口二、三维同步设计系统,实现了隧道洞口位置选择、边仰坡与回填设计、洞门主体结构及附属工程设计、主要工程数量计算与二维出图功能。通过在西安至安康、西安至十堰高速铁路中的实际应用表明,该系统满足一般铁路隧道洞口端墙及斜切式洞门设计需求,能够较好契合铁路业主提出的二维图纸附加三维BIM模型的交付要求,显著提升了隧道洞口设计效率与质量。

目前,该系统能够适用于一般常规地形下隧道洞口设计,对于特殊地形情况下,如半明半暗进洞、小间距双洞单线隧道等设计工况,由于其地形条件变化灵活,设计规则可标准化程度低,仍具有一定的局限性。在洞口工程数量完备性上还需要根据不同工点洞口防护类型持续优化与完善。