師奇威 董 鑫

(中國(guó)人民解放軍61172部隊(duì),北京 102200)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的建設(shè)重心從東部發(fā)達(dá)地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)向地質(zhì)地形極其復(fù)雜的西部地區(qū)。傳統(tǒng)的工程地質(zhì)資料分析局限于二維靜態(tài)分析，不能有效表達(dá)隧道與空間地質(zhì)體的相互關(guān)系[1]。近十幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，三維地質(zhì)建模技術(shù)與GIS技術(shù)逐漸應(yīng)用于交通、水利、城市規(guī)劃、勘探等領(lǐng)域。

國(guó)外在三維地質(zhì)建模領(lǐng)域的研發(fā)起步較早，加拿大學(xué)者Simon.W.Houlding首次提出了三維地質(zhì)建模的概念[2,3]，總結(jié)了三維地質(zhì)模型的生成方法、空間數(shù)據(jù)庫(kù)等概念，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)、空間分析、可視化等技術(shù)，建立了三維地質(zhì)建模的基本理論體系，為該領(lǐng)域的研究指引了方向[4]。法國(guó)Nancy大學(xué)的Jean.L.Mallet教授提出了離散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation，DSI)技術(shù)[5,6]，將地質(zhì)建模方法定義為能夠統(tǒng)一模擬地質(zhì)對(duì)象的拓?fù)?、幾何和物理屬性的?shù)學(xué)方法集合[7]，并且基于此技術(shù)開(kāi)發(fā)了gOcad軟件[8]，該軟件能夠針對(duì)地下復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模，已經(jīng)被廣泛用于石油及天然氣行業(yè)的當(dāng)中[9]。國(guó)內(nèi)這方面的研究多結(jié)合工程實(shí)際，以滿足工程需要為主，近年來(lái)取得了一些進(jìn)展[10]。

李敦仁[1]以嶺腳隧道工程為實(shí)例，研究了高速公路隧道的三維地質(zhì)建模技術(shù)，建立了包括地層信息、三維隧道、斷層信息等地下結(jié)構(gòu)的全景三維地質(zhì)模型。呂?？萚11]針對(duì)隧道三維建模方法多樣性的不足以及交互性的缺乏，提出了基于參數(shù)化建模技術(shù)的隧道三維建模與景觀仿真方法。李明超[10]針對(duì)連拱隧洞工程的需要，進(jìn)行了連拱隧道工程地質(zhì)三維建模與可視化分析。陳國(guó)良等[12]基于交叉地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)，提出一種通過(guò)劃分空間單元格，再將所有空間單元格內(nèi)的模型拼接起來(lái)構(gòu)建最終的整體模型的地質(zhì)模型構(gòu)建方法；劉振平等[13]基于鉆孔數(shù)據(jù)，采用GA-Kriging方法對(duì)地層屬性值進(jìn)行插值建模，利用VTK圖形庫(kù)實(shí)現(xiàn)了地層模

型的三維快速可視化。上述方法都是基于充足大量的鉆孔或剖面數(shù)據(jù)，然而隧道工程所處區(qū)域?yàn)閺?fù)雜地質(zhì)環(huán)境的山區(qū)，難以獲取足夠的信息或者數(shù)據(jù)，單一的地質(zhì)建模方法難以滿足隧道施工工程需要。本文基于成蘭線極端復(fù)雜下的地質(zhì)環(huán)境，依托龍門山隧道，利用三維建模技術(shù)及相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)了地表地形、地層地質(zhì)體、鉆孔、隧道等三維建模與可視化，為隧道施工信息化及施工事故風(fēng)險(xiǎn)管控提供了有力保障。

1 工程概況

新建鐵路成蘭線地形地質(zhì)條件呈現(xiàn)出典型的“四極三高”特征，即地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著。其中躍龍門隧道為成蘭線眾多隧道之一，為成蘭線控制性隧道工程，龍門山隧道穿越北東走向的龍門山山脈，隧址區(qū)地形如圖1所示。隧道穿越龍門山中央斷裂帶，地質(zhì)構(gòu)造極為復(fù)雜，因此建立龍門山隧址區(qū)三維地理地質(zhì)信息系統(tǒng)對(duì)識(shí)別地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、保障工程安全具有重要意義。

2 技術(shù)路線

龍門山工程區(qū)三維地質(zhì)建模與可視化技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

3 三維建模與可視化

3.1 數(shù)據(jù)處理

構(gòu)建隧道模型需要隧道的路線數(shù)據(jù)和斷面數(shù)據(jù)。提取數(shù)據(jù)的方法是利用VBA編程序提取隧道路線和隧道斷面的多段線數(shù)據(jù)。龍門山隧道左線隧道多段線示意圖如圖3所示。

通過(guò)借助VC++程序，可以將工程區(qū)域等高線數(shù)據(jù)從CAD文件中提取出來(lái)，如圖4所示，到地表DEM模型。

3.2 隧道建模

將隧道斷面平面直角坐標(biāo)系坐標(biāo)到空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，提取出來(lái)的隧道斷面坐標(biāo)為平面輔助直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

建立專業(yè)信息模型實(shí)現(xiàn)從二維圖紙到三維設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型，構(gòu)建的隧道三維模型如圖5所示。

3.3 龍門山隧道工程區(qū)地質(zhì)建模

地質(zhì)界線描述了地質(zhì)體在地表出露情況，數(shù)字高程模型描述了整個(gè)區(qū)域地形狀況，本文采用約束三角網(wǎng)的方法，耦合地質(zhì)界線與數(shù)字高程模型構(gòu)建地質(zhì)體頂面模型，經(jīng)過(guò)Hermite徑向基隱式曲面地質(zhì)界面重建與基于隱式曲面的面體布爾運(yùn)算，以及地質(zhì)體剝離建模，最終得到工程區(qū)地質(zhì)模型，如圖6所示。

3.4 隧道模型與工程區(qū)地質(zhì)模型耦合建模

對(duì)隧道模型與地質(zhì)體模型進(jìn)行耦合建模，就是通過(guò)一定的實(shí)體之間的布爾差運(yùn)算，從地質(zhì)體模型中將隧道模型做差去除，本文通過(guò)地質(zhì)體對(duì)于隧道模型中三角形求交，通過(guò)交線段對(duì)原來(lái)的三角形進(jìn)行重構(gòu)，并通過(guò)兩模型中原來(lái)與重構(gòu)的三角形與兩模型的內(nèi)外關(guān)系，給定三角形的取舍關(guān)系，留下結(jié)果三角形，實(shí)現(xiàn)模型的布爾運(yùn)算(見(jiàn)圖7)。

3.5 實(shí)現(xiàn)功能

基于Visual Studio C++ 2008及OpenGL三維圖形庫(kù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了三維地質(zhì)地理信息實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)(見(jiàn)圖8)，針對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，初步實(shí)現(xiàn)了地表地形、地層地質(zhì)體、鉆孔、隧道等三維建模與可視化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工建設(shè)，提出了適用于鐵路隧道工程區(qū)三維地質(zhì)建模可視化、專業(yè)工程地質(zhì)分析的相關(guān)方法和技術(shù)。在建模和分析方法、算法研究基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了斷層等約束條件下的隧道工程區(qū)三維地質(zhì)模型構(gòu)建、可視化、圍巖信息查詢等功能。充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)在信息資源方面的優(yōu)勢(shì)，對(duì)鐵路隧道進(jìn)行了全方位的三維可視化信息建設(shè)，可以自由觀察隧道線路沿線的地質(zhì)構(gòu)造。

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