劉躍成、楊訊華、曾健、趙凱、魯凱

（1.云南鳳云高速公路有限公司,云南 臨滄677000；2.云南航天工程物探檢測股份有限公司，云南 昆明650000；（3.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽550000）

0 引言

隧道施工過程中往往面臨著較為復(fù)雜的地質(zhì)條件，比如斷層、溶洞、破碎巖體等不良地質(zhì)體形成的隧道坍腔；在強(qiáng)風(fēng)化作用下形成的軟性圍巖；富水環(huán)境下不穩(wěn)定巖層形成的塌方隱患等，這些作為隧道施工中主要的災(zāi)害賦存源，在施工擾動(dòng)下可能誘發(fā)突水突泥、塌方等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，給隧道施工帶來損失?？辈旌吞綔y的數(shù)據(jù)一般都是二維地質(zhì)圖紙，很難獲取地質(zhì)體橫向和縱向的情況，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維地質(zhì)建模是必然趨勢，三維地質(zhì)可視化能夠直觀、精確還原真實(shí)地質(zhì)病害隱患場景。本文綜合利用已有原始地質(zhì)資料、施工地質(zhì)探測資料，借助CATIA、3DMAX、Globalmapper 和LocaSpaceViewer 軟 件，研 究 二 維 斷面數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)體，以云南云鳳高速安石復(fù)雜隧道工程為實(shí)例，建立三維地質(zhì)與隧道模型，進(jìn)行可視化系統(tǒng)應(yīng)用。

1 二維剖面與CATIA 三維地質(zhì)建模

為解決現(xiàn)有地質(zhì)建模領(lǐng)域存在的問題，提出一種基于隧道左右幅沿線二維地質(zhì)剖面和CATIA 的三維地質(zhì)建模方法。該方法使用的原始資料為地質(zhì)體的左右二維斷面及左右幅的物探資料，斷面信息包括巖性、斷層、含水層，物探與斷面信息在一張CAD 圖中；此外還需要左右斷面的地表位置信息，即kml 文件。該方法先下載高程與衛(wèi)星圖片，再用CATIA 建立三維零件實(shí)體，最后用3DMAX 進(jìn)行模型貼圖與導(dǎo)出，如圖1 所示。

圖1 建模方法的示意圖

第一，下載地表高程與衛(wèi)星圖片：將隧道左右幅的kml 文件導(dǎo)入LocaSpaceViewer 中，選中區(qū)域下載地表高程與衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。

第二，影像高程數(shù)據(jù)處理：將高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入Globalmapper 中，投影轉(zhuǎn)換后導(dǎo)出所需的xyz 高程數(shù)據(jù)。

第三，斷面物探信息處理：在CAD 中將物探信息與斷面信息分開，分別導(dǎo)出斷面圖與物探低阻區(qū)圖，生成兩個(gè)dxf 文件，分別對應(yīng)左幅與右幅，如圖2所示。

圖2 物探與底層剖面圖

第四，CATIA 三維地質(zhì)建模：將導(dǎo)出的dxf 文件導(dǎo)入CATIA 中，在創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行三維地質(zhì)建模，同時(shí)建立隧道模型，最后將巖性與隧道模型分別導(dǎo)出。

第五，3DMAX 貼圖：將導(dǎo)出的三維模型導(dǎo)入3DMAX 中，然后分別對不同的巖性進(jìn)行貼圖，最后將三維地質(zhì)體輸出為obj 格式，生成obj 三維模型提文件、mtl 材質(zhì)信息文件以及貼圖文件，如圖3 所示。

圖3 三維模型后期處理

2 三維地質(zhì)模型可視化系統(tǒng)

Three.js 是JavaScript 編 寫 的WebGL 第 三 方 庫，提供非常多的3D 顯示功能。Three.js 是一款運(yùn)行在瀏覽器中的3D 引擎，可以用它創(chuàng)建各種三維場景，包括攝影機(jī)、光影、材質(zhì)等各種對象。利用Three.js 技術(shù)構(gòu)建隧道三維地質(zhì)與實(shí)時(shí)監(jiān)測可視化系統(tǒng)。導(dǎo)入CATIA 三維地質(zhì)建模生成的obj 模型進(jìn)行加載，隧道三維地質(zhì)可視化系統(tǒng)包含隧道整體信息、隧道列表、地質(zhì)三維整體預(yù)覽、物探三維、地質(zhì)勘查信息的可視化展示，如圖4 所示。

如圖4 所示，整體信息包括左側(cè)隧道列表信息、對應(yīng)隧道的地質(zhì)三維模型及當(dāng)前隧道所在位置的氣候條件。

圖4 隧道三維地質(zhì)模型整體信息

隧道列表包含隧道項(xiàng)目的整體施工進(jìn)度、施工監(jiān)控量測的總數(shù)以及預(yù)警數(shù)量及累計(jì)投產(chǎn)時(shí)長。

單條隧道項(xiàng)目標(biāo)注了左右幅、每個(gè)幅度的進(jìn)出口施工進(jìn)度（行業(yè)稱掌子面）及地址勘察的不良地質(zhì)情況。

在地質(zhì)三維模塊中，可以查看當(dāng)前掌子面與全局超前預(yù)報(bào)的列表信息，在模型中標(biāo)注當(dāng)前掌子面的位置，通過切換隧道的幅度查看對應(yīng)幅度的地質(zhì)三維模型。

隧道地質(zhì)三維模型視角切換兼容觸摸屏，可以操作方向盤控制。

當(dāng)前掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息包括預(yù)報(bào)結(jié)論、風(fēng)險(xiǎn)提示、圖像展示模塊。

圖像展示模塊分為三維模型、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)模型、掌子面現(xiàn)場圖及素描圖，都可以點(diǎn)擊放大查看更多信息。

可以點(diǎn)擊全局或者隧道地質(zhì)三維模型對應(yīng)的里程段查看歷史超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的信息，點(diǎn)擊對應(yīng)的里程段查看不良地質(zhì)段的信息。

3 復(fù)雜隧道工程實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程概況

安石隧道是云南省交投下屬子公司云南鳳云高速公路有限公司在建重點(diǎn)工程，位于鳳慶縣鳳山鎮(zhèn)安石村，為分離式特長隧道，左線隧道起訖樁號(hào)ZK38+265～ZK43+603，全長5338m；右線隧道起訖樁號(hào)K38+330～K43+593，全長5263m。隧址區(qū)圍巖巖性為第四系覆蓋層，為全新統(tǒng)坡積成因（Q4dl）粉質(zhì)黏土及全新統(tǒng)殘積成因（Q4el）砂質(zhì)黏性土，下伏基巖前半段為燕山期（γ52）侵入花崗巖，堅(jiān)硬巖石易產(chǎn)生巖爆、極軟巖易產(chǎn)生塑性變形,隧道施工難度高，挑戰(zhàn)大,具有目前云南在建隧道典型的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)（云縣至鳳慶高速公路安石隧道不良地質(zhì)綜合物探勘察報(bào)告）。

安石隧道屬低中山地貌，地形起伏較大，如圖5 所示。隧道范圍內(nèi)，中線高程2276.2～1800.7m，最大高差約475.5m，山體自然坡度14～31，總體地勢較緩。進(jìn)、出口均處于山前斜坡地帶，山坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，隧址區(qū)僅有狹窄山路通過，通行條件差。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察，線路附近植被較發(fā)育，以喬木、灌木叢、茶樹地為主，基巖零星出露。

圖5 安石隧道地質(zhì)災(zāi)害專項(xiàng)勘察物探地質(zhì)綜合解釋圖

3.2 安石隧道地質(zhì)三維模型與可視化應(yīng)用

根據(jù)安石隧道的設(shè)計(jì)資料、地質(zhì)勘查資料、加深勘察資料、物探檢測數(shù)據(jù)的二維數(shù)據(jù)資料，利用CATIA 三維地質(zhì)建模，并在隧道三維地質(zhì)與實(shí)時(shí)監(jiān)測可視化系統(tǒng)中進(jìn)行展示應(yīng)用，安石隧道的實(shí)時(shí)施工進(jìn)度，安石隧道左、右線三維地質(zhì)模型如圖6 所示。

圖6 安石隧道左幅地質(zhì)三維模型

安石隧道勘察和物探檢測的不良地質(zhì)情況，在三維地質(zhì)模型中準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出來，并以圖例形式展示，不良地質(zhì)包括：地下水分布、空隙分布、巖層狀況分布、推測構(gòu)造斷裂帶、正常地質(zhì)段、較嚴(yán)重不良地質(zhì)段、嚴(yán)重不良地質(zhì)段等信息。

4 結(jié)語

研究與應(yīng)用表明，根據(jù)隧道的走線以及左右幅的物探信息，以CATIA 為核心，多種地理信息軟件相結(jié)合，構(gòu)建出一種可視化程度較高的三維地質(zhì)模型，將物探信息通過三維可視化體現(xiàn)出來。利用CATIA 的精細(xì)化建模的優(yōu)勢構(gòu)建出精細(xì)化程度較高的三維地質(zhì)模型，利用其可視性、精細(xì)性以及兼容性的特點(diǎn)，為隧道BIM 建設(shè)提供新思路，直觀了解隧道掘進(jìn)過程中地質(zhì)體的變化，為三維地質(zhì)建模提供新的思路。

三維地質(zhì)模型使整個(gè)模型不但呈現(xiàn)出隧道的地形地貌特征，還能將各類地質(zhì)數(shù)據(jù)（物探、巖性等）展現(xiàn)出來。隧道三維地質(zhì)與實(shí)時(shí)監(jiān)測可視化系統(tǒng)可以將安全預(yù)警總體狀態(tài)和地質(zhì)物探信息集成，后期結(jié)合視頻+監(jiān)測傳感器技術(shù)，將GIS+三維可視化集成，全方位保障復(fù)雜隧道施工過程。