论岩土三维勘察设计系统在地铁工程中的运用

陈小军 熊 伟

中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院

前言

地铁工程作为现阶段我国社会基础建设工作中重要的项目构成，其对于三维勘察设计这一技术的应用，可以对提升地铁工程设计水平和施工建设质量提供极大的帮助。

1 系统组成架构

基于三维设计主平台MicroStation 提供工程各类数据的三维可视化、动态展示、空间属性计算、超限预警等分析手段，以及开发GeoStation 的成功经验，2013 年启动了系统研发，经过长期调研和开发，研制出岩土三维勘察设计系统——GeoStationforCity。该系统主要由数据管理、三维建模与分析、辅助绘图、查询统计、计算分析等模块构成。

2 设计系统的应用功能

随着计算机技术在各行业领域中应用范围的扩大，融合了计算机辅助设计和地理信息系统、图像处理、图形学、计算机网络、数据库等相关技术于一身的三维技术也开始受到了各界人士的广泛关注，开始从不同方面入手，对三维技术展开有效应用。

2.1 地层建设模型由剖面转为三维

就三维设计系统来看，其是按照已经得到的岩土工程数据、建构筑物数据、地理数据、工程分析数据等，在研究区域内完成对多维数据的管理和柱状图显示、三维空间中几何与力学分析等其他系统功能的研究。因此，对三维设计系统的有效应用，可以在地铁工程施工过程中实现三维钻孔柱状显示和查询、二维地质剖面图生成、三维地质建模和剖切、人工交互编辑、实时推进等一些基本分析功能。此外，三维设计系统本身还能够旋转、放大观察角度，对观察角度的光源进行有效控制，这些图形类功能，也是该系统的基础性功能。

2.2 建筑物建模功能

伴随地铁工程项目逐渐朝着更深层的地下空间不断发展，地质勘察行业在发展期间需要面对的浅层和深层地下环境也变得更加的复杂。因此，在施工建设的过程中如何对地下和地上已经建设完成、或者是正在建设和规划过程中的各种类型的建筑物之间的关系进行有效的调节，已经成为当前勘察行业在发展过程中必须要提高发展日程之上的内容。三维设计系统具有的建筑物建模功能，可以帮助工程设计人员按照已有的工程设计文件和设计图纸，生成包括地上和地下住宅、管线、基坑、隧道等所有建筑物的建构模型，是工程施工人员对整个工程项目建设设计的认知度得到极大的提升。

2.3 地下与地上的一体化建模

从本质上来看，地铁工程的规划、地质勘察、工程设计、施工建设、运营维护等工作是一项以地下与地上空间作为主要研究对象的系统性工程项目，所以，将项目中的相关工作有机融合到以期，对于地铁工程在规划施工过程中对资源的可持续利用可以起到极大的帮助。而三维设计系统的存在，不仅可以完善工程设计图纸和文件中的各项内容，还可以在整个工程中作为一个承上启下的节点，将工程的规划和设计期间存在的相关信息数据，以一体化的方式表达出来，为后续相关工作的进行提供便利。

2.4 数据管理查询和数值分析

设计系统在地铁工程中的应用，可以为施工人员查询钻孔、地层、建筑物等信息提供一定的便利性，及时便捷的为负责地铁工程施工工作的工程师提供有效的数据信息保障，以此来为相关人员管理地铁工程提供便利性，方便相关人员建立相应的施工模式。与此同时，对地铁工程项目来讲，数值分析在工程施工建设期间应用的范围相对较为广泛，且分析期间部分软件在处理复杂建模方面的功能比较弱，特别是在命令流驱动方式时，会让工程师望而生畏。而三维设计系统的应用，不仅具备十分强大的软件前期处理功能，完成有设计图到构筑物的建模工作，还可以直接生成可以供工程师来计算的工程结构模型，为数值分析工作的进行奠定良好的基础。

2.5 隧道开挖期间引发的三维沉降

地铁工程中隧道环节的施工是一个动态的施工过程，不仅涉及建筑物布置、施工场地布置等信息，还会将施工期间实时管理、施工组织等动态的工程施工逻辑关系展现出来。此外，因为地铁工程受到周边建筑物沉降、施工现场地形变化等其他实时变量的影响，所以需要借助三维设计系统来构建能够反映工程时空信息的三维数字模型。

3 岩土三维勘察设计系统在地铁工程中的应用实例

在社会经济不断发展的今天，北京市地铁隧道的建设数量和类型也在不断的增多。就北京市来看，其大部分地铁隧道深度都处在第四级沉积层可以影响的范围之内，在施工期间，暗挖法、明挖法等施工方法的选择、对整个施工过程的控制力度等，都需要全面考虑地铁工程所在范围内土性、地下水的埋深、密实度、富水条件、含水层的岩性等自然环境，以及工程建设现场周边环境情况等，以此来确保工程设计方案能够从因地制宜的角度出发，设计图纸可以得到极大的优化，从而提升施工工作的安全性。拟建于北京地铁的某段线路的施工环境处于北京市的西部，整体呈现出南北的走向，线路主要区域分布在海淀区和丰台区，整体长度在十六点四千米。整个地铁线路都属于地下线，线路上共设有十四座车站，且全部都属于地下车站。就该地铁工程来看，因为其本身纵横比例的差距较大，从整个研究区域上来看，该工程属于线状工程的类别，这使得其在表现方法上同小尺度的地铁工程之间存在较大的差异性。因此，该项地铁工程三维设计系统的构建侧重于从宏观上表现相对的空间位置、整体空间和局部空间之间的关系、构建三维工程对象、地下与地上关系匹配、地名、里程号、地铁线路表示、区域位置等。

4 结束语

综上所述，将三维勘察这种设计系统应用到现阶段地铁工程项目施工建设中，可以说是推动社会经济发展的必经之路。因此，勘察设计单位在使用三维勘察设计时，需要根据以往生产习惯，在企业发展现状和业务能力的基础上，从设计系统系统中获取到勘察数据和设计信息，以此来实现三维工程对象和三维地层间的耦合，从而达到的提升岩土工程设计水平和施工水平的目的。

[1]魏志云，王国光，卓胜豪，等.岩土三维勘察设计系统在地铁工程中的应用[J].中国交通信息化，2016(07)：133－136.

[2]王国光，徐震，张春生.地质三维勘察设计系统中模型自动更新方法与实现[J].水力发电，2014，(8)：37-41.