熱門論文
最新論文
運營公路隧道土建結構定期檢查病害信息 管理系統研究
發布時間：2022-12-25 11:21
目錄
第1章引言 1
1.1研究的背景和意義 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究的目的和意義 3
1.2國內外研究現狀 3
1.2.1運營隧道土建結構病害檢測及技術狀況評定 3
1.2.2運營隧道土建結構病害信息管理系統開發現狀 4
1.2.3 BIM技術在地下工程的應用 6
1.2.4新的檢測技術的發展 7
1.3主要研究內容 10
1.4研究方法和技術路線圖 10
1.4.1研究方法 10
1.4.2技術路線圖 11
第2章運營公路隧道土建結構定期檢查技術及要求 12
2」隧道基礎資料收集 12
2.2隧道病害檢測技術 12
2.2.1病害種類及特征 12
2.2.2檢測方法及要求 17
2.2.3病害結果記錄 19
2.3隧道病害數據的管理 21
2.4隧道病害技術狀況評定 21
2.4.1評定方法 21
2.4.2評定標準 23
2.5隧道維修養護意見 23
2.6本章小結 25
第3章BIM技術在運營隧道襯砌病害檢測結果三維可視化中的應用 26
3.1隧道襯砌病害三維可視化實現的技術思路 26
3.2隧道結構組成與特征分析 26
3.2.1公路隧道標準斷面輪廓 27
3.2.2公路隧道緊急停車帶斷面輪廓 29
3.2.3公路隧道的線形 30
3.2.4車行及人行橫通道 31
3.3隧道結構病害位置信息的提取及比例換算 32
3.3.1特征點位置的提取 32
3.3.2位置信息的轉換 33
3.4平面坐標向空間坐標的轉化 33
3.4.1公路隧道兩車道的坐標轉化 34
3.4.2公路隧道三車道的坐標轉化 36
3.4.3公路隧道緊急停車帶的坐標轉化 38
3.4.4曲線隧道的坐標轉化 38
3.4.5車行及人行橫通道區段的坐標轉化方法 39
3.5 Revit的二次開發 40
3.6隧道襯砌病害的三維可視化 41
3.7本章小結 43
第4章隧道定期檢查病害信息管理系統的開發 44
4」系統開發目的 44
4.2系統開發環境 44
4.3數據庫系統設計 44
4.3.1數控庫設計概述 44
4.3.2系統的需求分析 45
4.3.3系統流程圖設計 46
4.3.4系統的概念設計 47
4.3.5系統的邏輯設計 49
4.3.6系統的物理設計 51
4.4系統的主要功能 51
4.5本章小結 55
第5章 工程實例應用 56
5.1隧道概況 56
5.1.1隧道設計信息 56
5.1.2隧道地質信息 56
5.1.3隧道結構信息 56
5.2隧道病害信息的管理 58
5.2.1病害的錄入 58
5.2.2病害的三維展示 59
5.3隧道技術狀況的評價 62
5.4隧道維修養護建議 62
5.5本章小結 64
結論 65
致謝 66
參考文獻 67
攻讀碩士學位期間發表的論文及參加的科研項目 72
附錄A公路隧道定期檢查記錄表和技術狀況評定標準 73
附錄B Rev it開發程序 79
附錄C XX隧道病害展布圖 86
C.1左線病害展布圖 86
C.2右線病害展布圖 88
第1章引言
1.1研究的背景和意義
1.1.1研究背景
我國幅員遼闊，地理位置優越，卻地形復雜，其中近75%的國土面積都是山地和 重丘，為縮短行車里程，提高交通效率，保護自然環境，節約土地，在山區中修路越 來越多的選擇隧道方案⑴。近些年我國經濟的高速發展，對我國的交通運輸提出更高的 需求，促使我國交通基礎設施的高速發展，使得我國公路隧道數量激增，規模也越來 越大。我國公路隧道發展歷程見表
表11我國公路隧道發展歷程表
20世紀 20世紀 20世紀 21世紀初 2008年底 2012年底
50年代 80年代 90年代
2.5km/ 52km/ 136km/ 628km/ 3186km/ 8052.7km/
30座 374座 682座 1684 座 5426 座 10222 座
從表1-1可以看到，我國公路隧道自2000年后發展速度迅猛，從2000-2008年, 隧道規模翻了三倍，從2008年?2012年，又翻了一倍。截止到2013年底，全國公路隧 道共計11359座，總長960.56萬米，比2012年增加1337座、155.29萬米，其中特長 隧道562座、250.69萬米，長隧道2303座、393.62萬米。我國公路隧道的快速發展， 不僅僅是隧道數量增加，隧道的長度、修建難度也屢屢刷新，如我國最長的公路隧道 終南山隧道長1&02 km,位列亞洲第一。公路隧道線形的設計更從以往單一的直線形 發展到曲線形，甚至螺旋線形，修建隧道的難度不斷加大〔％總之，我國已成為世界上 隧道數量最多、發展最快的國家，同時我國也處于隧道工程建設高速發展的時期。
然而由于國內隧道地質情況復雜，加上施工、設計、后期養護維修等多方面原因， 隨著運營隧道的不斷使用，逐漸出現一些病害，引起隧道襯砌、路面、洞門以及附屬 結構破壞或故障，影響隧道的正常使用⑶。
據原鐵道部資料統計，1999年鐵路運營隧道失格率為65.2%, 2000年鐵路隧道失 格率為65.7%, 2005年鐵路隧道失格率為60%-其中部分隧道損壞嚴重，已嚴重影響 行車安全，如2000年9月興安嶺隧道發生了襯砌掉塊的現象，2001年10月達成鐵路 沿線隧道出現大范圍的掉塊，險些造成交通事故[19~20]o
我國公路隧道相較于鐵路隧道，隧道斷面大，結構形式多變，地質情況復雜，施 工方法落后，設計理論不夠成熟，使得我國公路隧道病害也很嚴重，已經成為制約我 國隧道工程發展的重要因素⑷。截至2011年底，重慶市高速公路投入使用的187座隧 道，約1/3左右的隧道出現滲漏水病害，對于長度超過1000 m以上的長、特長隧道, 60.4%的隧道岀現滲漏水病害⑸；貴州省崇尊高速、清鎮高速、鎮勝高速等46座隧道 存在不同長度的滲漏水，90%以上的的滲漏形式為線滲漏回。
隧道病害具有普遍性，不僅僅是我國，世界上其他國家的隧道都受到隧道病害的 困擾。1986年日本對北海道302座公路隧道進行調查，其中46.7%的隧道出現襯砌開 裂、滲漏水及冰凍的病害現象⑺。1990年，日本對全國運營的4307座隧道全部進行了 調查，其中最常見的病害的襯砌開裂，60%的隧道存在滲漏水病害，其他類型的病害 占24%[2】。在歐美由于隧道運營時間較長，受凍害、鹽害、施工等多方面的因素的影 響,許多隧道都出現了不同程度的病害叫叫在我國臺灣地區，1999年中部發生Chi-Chi 地震后的調查顯示，57座山嶺隧道中有49座存在襯砌開裂及滲水、混凝土剝落、襯砌 錯臺、洞門破損等病害
隧道病害嚴重影響隧道結構安全，為了保證隧道的安全運營和結構的長期穩定， 延長隧道使用壽命，需要對隧道進行結構檢查，隧道管理者基于隧道結構檢查資料， 科學評價隧道結構的健康狀態，制定有效的整治措施。由此可見，隧道檢查資料作為 隧道維修養護的重要依據，其數據保存的極為重要，但是我國現行的隧道檢查資料， 大都是利用紙質保存，數量巨大，容易遺失且可讀性差，查閱困難，管養效率低下。
隨著信息技術在我國基礎建設的推廣和應用，為了提高隧道管養效率，我國部分 省份，逐漸開發了隧道管養系統，實現隧道的信息化管理，但是這些管理系統存在兩 方面問題：一方面，現行的隧道管理系統，功能不完善，對隧道安全的評定方法與規 范的評定方法有所出入；另一反面，現有的隧道管理系統，對隧道的病害展示，仍停 留在CAD二維展示，失真較為嚴重，不利于隧道安全狀況的評定。
綜上所述，近年來我國公路隧道的規模不斷擴大，隧道病害也日益凸顯，給隧道 養護帶來了極大的不便，為了提高隧道養護效率，實現隧道病害的三維展示和信息化 管理，更好的對隧道進行安全評定，科學的制定隧道維修養護意見，亟需開發一套隧 道病害信息管理系統。
1.1.2研究的目的和意義
目前我國隧道養護管理工作，信息化程度不高，僅部分省份擁有隧道的信息化管 理系統，而且這些隧道管養系統，存在系統功能不完善，對隧道病害展示效果差等問 題，此外這些管理系統，對隧道安全狀況的評價方法與現行的規范有一定出入，需進 一步研究。
本文基于BIM技術對運營公路隧道土建結構定期檢查病害信息管理系統進行了研 究，以解決隧道襯砌病害的三維可視化的問題，并對隧道的病害信息實現存儲和管理， 然后進行土建結構定性和定量相結合技術狀況評定，最終制定出隧道的維修養護意見。 本系統能夠真實的還原的隧道病害的分布，更準確的對隧道安全狀態進行評定，科學 的制定維修養護意見，提高了隧道養護的效率，具有很大的實用價值。
1.2國內外研究現狀
1.2.1運營隧道土建結構病害檢測及技術狀況評定
法國國營鐵路公司早在1980年就制訂了鐵路隧道養護標準，其中包括鐵路隧道的 檢測方法、安全狀況的評價、保養維修方法和病害處治方案。該隧道養護標準給岀對 鐵路隧道進行定性判定的評定方法[功。
日本自上個世紀70年開始使用健全度的概念來判定隧道的“健全程度” [23】。日本 根據1979年和1986年兩次鐵路隧道的檢查結果，制訂了《鐵道土木構造物等維持管 理標準》[24],其中包括日本鐵路隧道的病害檢查方法、病害原因的推定、安全度的判 定和隧道病害處治建議。結構檢查分為總體檢查和個別檢查，不同檢查方式有不同的 判定方法。在總體檢查中，通過定性的判定方法，根據各個構件中最危險的構件來判 定隧道的安全度；在個體檢查中，既有定量的判定方法，也有定性的判定方法。對于 日本的公路，《公路隧道維持管理便覽》中提供了公路隧道檢測方法、隧道等級劃分標 準、病害評定方法和隧道整治方法〔如。
德國鐵路隧道養護規范的規定，鐵路隧道每隔三年必須由政府專家組織一次檢查， 對運營不超過25年的隧道檢查周期可以是六年。為了更好的對隧道進行檢查，政府部 分專門配備的隧道檢查車，可以在檢查車上對隧道襯砌結構進行檢查。檢測的方式是 把病害記錄在專用的病害記錄表上，并由檢測人員通過損壞數碼1、2、3進行評定， 然后通過定量的方法評價隧道的健康狀態，并給出相關的維修的施工方案卩6^®
德國公路署則推行了無損檢測方法，并制定了《無損傷檢測隧道內殼的規范》。該 規范提供了無損傷隧道檢查方法、以及病害的判定標準，但該規范只提供了定性的評 價方法，沒有提供定量的評價方法SI。
美國的《鐵路交通隧道和地下建筑物檢查方法和程序》【29］,調查了北美、歐洲和 亞洲近50家鐵路運營單位隧道檢測方法，但是這些檢測方法沒有提供檢測結果的判定 方法，僅部分提供了定性的判定方法。而美國政府制定的公路和鐵路隧道檢測手冊卩°】， 不僅提出了隧道檢査的技術要求，而且提供對病害的定量或定性的評定方法。
根據我國《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準一隧道》［31］,使用劣化度對隧道的安全 狀態進行判定，但是該方法的只給出了定性的評價方法。
我國于2003年發布的《公路隧道養護規范》中將公路隧道健康狀態分為3類，對 于健康狀況的的判定方法，規范也只給出了定性的評價方法。在我國2015年新發布的 《公路隧道養護技術規范》(JTGH12-2015)中，將隧道的安全狀態分為0到4五類。 采用定性和定量結合的方法，通過逐段逐洞隧道土建結構各分項技術狀況值進行評定, 在此基礎上確定各分項技術狀況，最后進行土建結構技術狀況評定。
綜上所述，世界各國對于隧道安全的狀況評價方法比較豐富、種類較多，但對隧 道安全狀況評定方法大都是定性的評價方法。我國公路隧道評定，先從國外引進的檢 查方法，到2003年規范發布對隧道健康狀況進行定性的判定，再到2015年新規范， 實現了對隧道健康狀況的進行定性和定量相結合的的判定，這種判定方法更為成熟， 減少了人為的因素，使得判定結果更加可靠。
1.2.2運營隧道土建結構病害信息管理系統開發現狀
隨著工程界對地下工程數字化系統的迫切需要和學術界對此的日益重視，地下工 程數字化研究已成為當前一些學者研究的熱點。
日本國鐵于1986年最早開發了專家系統(TIMES-1)用以推定病害原因，并在日 本鐵路上得到推廣應用，取得了良好的的經濟效益。TIMES-1是由主機和終端組成， 主機的作用是依據從終端傳輸的檢測數據推定病害原因，并返回到終端，終端的主要 功能是輸入檢測數據，并對病害進行健全度評定，并且保存這些數據。TIMES-1的最 大的特點是根據隧道的病害特征、隧道運營環境和隧道的設計資料，推斷隧道病害的 主要原因［32~34］。
2001年，美國一家公司為美國政府部門開發了 TMS系統，用以隧道的養護管理工 作，其主要功能是收集隧道設計資料、病害圖像資料、文本資料和維修養護情況，進 而可以通過數據的比較，判斷隧道病害的發展情況。此外，TMS軟件還可以根據隧道 病害的情況，通過定性的方法評定出隧道的安全等級。
2004年，長崎大學的研究人員依據日本公路隧道維修養護規范，開了公路隧道病 害管養系統［均。其功能包括：(1)把現場檢測的數據遠程傳輸到系統內；(2)技術人 員可以通過網絡遠程登錄該系統，并且查閱檢測數據，然后在系統上給出評價建議；(3) 隧道管理人員可以隨時查詢隧道的病害信息和安全狀況，了解隧道動態，及時與相關 部分溝通；(4)根據隧道的病害現狀，對隧道病害發展進行預測，并對隧道安全進行 預警，并給出隧道處治建議。
在我國，關寶樹于1990年最早開發了 TDD系統〔殉。主要的功能包括：(1)根據 隧道病害特征、運營環境和設計資料，推定病害成因；(2)根據隧道病害的發展趨勢 以及各構件的嚴重程度提示詳細檢查項目；(3)根據隧道的病害情況判定隧道的健全 度；(4)根據隧道的安全狀況，制定隧道的整治措施。
1994年，陜西交通廳根據我國公路管理的現狀及特點，開發了“地市級公路數據 庫管理系統”。該系統功能特點為：國內首次引入GIS技術，可以提供病害圖、表的輸 出，并且進行病害的查詢〔"I。
福建省交通科學技術研究所聯合多家科研單位于2002年聯合開發出隧道管理系統 【珂。該隧道管理系統的主要功能有：(1)依據《公路養護規范》，使用現代化的管理方 法對隧道進行信息化管理，包括隧道的基本信息、病害數據、養護建議等；(2)對隧 道的各種信息進行查閱，并且能夠生成檢查報告。
2007年羅鑫在總結前人研究的基礎上，通過全面深入的研究隧道健康診斷方法， 用層次分析法建立了一套公路隧道健康狀態的定量化診斷方法，并以微軟Visual Studio.Net 2003為平臺開發了公路隧道健康狀態診斷系統。
2009年王勇提出決定隧道結構安全的9個評估指標，然后通過專家調查確定指標 權重，采用模糊理論構建了評價模型，最后開發了動態評價系統［40］o
2009年劉洋將三角模糊的概念運用到傳統的層次分析法，研究了模糊評判矩陣的 排序方法，通過專家打分法確定指標權重，結合健康檢測系統的數據采集，對隧道的 安全狀況進行評估，預測隧道未來運營狀況⑷】。
2010年杜煥用層次分析法建立了鐵路隧道襯砌評價系統，得到15種隧道病害的權 重，基于此理論，開發了鐵路隧道襯砌狀態檢測數據管理系統，經過實際工程測試， 本系統滿足了檢測部分的需求［竝】。
2014年臺灣國道高速公路局委托中興工程顧問社，開發了一套符合隧道全生命周 期思維的“國道隧道維護管理系統”。該系統的是面向協助管理單位的，包括四個子系 統，各子系統功能如下［切；
（1）安檢數據記錄子系統：對隧道現場檢測工作進行記錄，并將數據進行整理、 統計，然后以表格形式輸出維修建議；（2）維護管理數據建制子系統：對隧道維護管 理數據進行管理，包括新增和編輯功能；（3）隧道數據管控子系統：建立檢測項目， 安檢項目建立，輸入檢測數據；（4）維護管理數據查詢子系統：查詢并下載檢測數據， 并且進行統計分析。
綜合國內外相關成果的研究現狀，對于隧道健康狀況的評定，大部分只給出了隧 道病害判定標準，并且對隧道的安全狀況進行定性的評價方法，沒有給出隧道安全狀 態的定量評價方法，部分給出隧道安全狀況評價方法的隧道管理系統，各方面指標與 最新規范有所出入，需要進一步確定；對隧道病害的展示仍然停留在在平面展示的層 面，閱讀性較差，具有一定的失真，不能真實的反映病害在隧道中的分布情況。
1.2.3 BIM技術在地下工程的應用
建筑信息模型是Building Information Modeling的縮寫,簡稱BIM。它起源于美國， 創新性的將信息化技術應用在建筑業，代表了先進的生產技術，其功能涵蓋了項目的 全生命周期，包括設計、施工和運營等階段，為各個專業的設計人員提供了協同合作 的平臺，通過碰撞檢查減少失誤，為施工人員和業主提供了交流和瀏覽的平臺，縮短 了工期，節約了生產成本，提高了工程質量。
統計表明，2009年美國建筑業300強企業中80%以上應用了 BIM技術。在日本， BIM應用已擴展到全國范圍，并上升到政府推進的層面；新加坡政府相關部門積極推 廣BIM技術，到2015年面積大約0.5萬n?的建筑使用BIM技術建模；英國和韓國都 政府宣布，到2016年后公共項目不論大小，使用BIM將成為強制性法令圖^役
西方發達國家的城市建設已經度過建設期，進入了運營維護階段，地鐵也是如此， 因此BIM的應用在地鐵方面的應用主要體現運營維護階段。例如，倫敦地鐵應用BIM 技術對維多利亞站進行改造，涉及車站設計和施工管理階段，耗資高達7億英鎊；加 拿大在多倫多使用BIM技術對地鐵進行擴建改造；美國洛杉磯斥資51億美元對既有 地鐵進行延長，新增7個地鐵站，延長線路9英里，要求全部使用BIM技術〔佝；瑞典 的斯德哥爾摩城市，修建連通北部和南部地區的公路，途中有一條21 km的隧道，隧 道有三處穿越梅拉倫湖底，隧道全部采用BIM技術對進行了設計和虛擬施工，大大提 高了效率【47］。
我國地下工程對BIM技術的應用，主要集中在地鐵方面。應用最多的是我國香港， 已有20多座地鐵建立了 BIM模型，占總數的四分之一，部分車站甚至實現了深層次 應用，如采光、煙霧、人流、能耗等，取得了很好的經濟效益［創；南京地鐵10號線的 城西路站、上海軌道交通11號線石龍路站、天津地鐵紅旗南路站、大連地鐵1號線春 光街站和深圳地鐵9號線人民南站，在管線綜合設計中使用BIM技術，很好的解決了 管線之間的碰撞問題昭~5叫中鐵隆設計院在進行西安地鐵設計過程中，通過碰撞檢查， 發現500多處錯誤，及時對模型進行了修改，有效的提高了工程質量〔河。
不僅僅是地鐵建設，我國將BIM技術應用到隧道建設中。如中鐵二院使用了 BIM 中的達索軟件探索了鐵路隧道的設計，包括設計、施工和運營三個階段，建立了隧道 三維可視化模型，進行信息化建模［旳；中鐵四院采用歐特克軟件對鐵路隧道的設計進 行探索，提出了山嶺隧道的BIM設計技術路線，并對福平鐵路新鼓山隧道進行了實際 工程應用，對該隧道采用BIM技術全線進行設計［旳。
由上述可以看到，近年來國內地鐵地鐵對BIM技術的使用越來越多，但主要停留 在設計和施工階段。相比于地鐵車站BIM技術的日益推廣，隧道工程仍停留在二維設 計階段，信息化水平低，是一種離散的資源管理模式，與BIM技術所代表的創新型生 成方式相差甚遠［旳。隧道工程不同于民用建筑，隧道呈線狀分布，與民用建筑的片狀 分布不同，而且隧道工程的構成也與民用建筑不同，這些導致常規的BIM軟件對隧道 項目的不適用。因此，我國對于BIM技術在隧道工程的應用，還處于探索階段。
1.2.4新的檢測技術的發展
隨著技術發展，新技術應用逐漸推廣到隧道檢測方面，無損檢測技術越來越得到 重視。無損檢測技術具有效率高、精度高等特點，隨著各國對無損檢測技術的研究， 無損檢測將逐漸替代傳統的檢測方法。
早在2003年，日本京都大學的Toshihiro Asakura等人就研究了鐵路隧道襯砌檢測 車，在檢測車上安裝了激光儀和線陣相機，通過這些設備進行掃描來采集隧道襯砌圖
像［斶，后來該方法應用到公路隧道檢測方面。我國在國內一些隧道已經進行了應用試
驗，如圖1-1所示，檢測效果如圖1-2所示。 道激光掃描系統（LTSS）,該系統利用激光掃描獲得高分辨率的三維輪廓，在基礎設施 中速度可達到100km^[57]oLTSS對公路和鐵路隧道都有很好的適用性，如圖1-3所示。 其檢測每次只能檢測隧道半幅，提高了精度，如圖1-4所示。此外，LTSS可以自動處 理圖像，識別隧道中的滲水和缺損等病害，并給出相應的檢測報告。
圖1-3 LTSS安裝在公路和鐵路檢測車上
圖1-4 LTSS掃描示意圖
總體來說，無損檢測技術能夠快速、高效、準確的得到病害數據，極大的推進了 隧道檢測水平的發展。但是如何體現這些檢測數據就成了問題所在，如果仍是用平面 圖來展示，會使得檢測的效果大打折扣。將BIM技術與無損檢測技術相結合，通過無 損檢測得到病害數據，然后利用BIM技術實現病害三維可視化，將病害的分布在BIM 模型中“真實”的還原出來，會大大提高檢測效率，這將成為檢測技術未來的發展趨勢。
1.3主要研究內容
文本基于BIM技術研發一套針對運用公路隧道土建結構定期檢查病害信息管理系 統，旨在實現隧道快速、準確的檢測，并且能夠對隧道病害的統計分析、三維可視化 等功能，同時實現對隧道土建結構技術狀況評定、給出相應的加固措施建議，提高隧 道養護管理工作效率。主要研究內容如下：
(1)總結我國目前運營公路隧道土建結構定期檢測的技術要求：檢查前的準備工 作、檢查過程中的技術要求、檢查完畢后對隧道土建結構的技術狀況評定以及科學的 制定維修養護意見。
(2)對BIM技術在運營公路隧道襯砌結構病害中的應用展開研究，通過對運營 公路隧道的斷面進行研究，借助AutoCAD和Revit的二次開發，實現隧道襯砌病害的 三維可視化。
(3)開發公路隧道土建結構定期檢查病害信息管理系統，根據開發需求制定系統 流程圖，完成數據庫的概念設計、邏輯設計和物理設計，最后根據流程圖進行系統界 面設計。
(4)通過代表性的公路隧道進行工程實例應用研究，對管理系統進行應用和完善。
1.4研究方法和技術路線圖
1.4.1研究方法
(1)文獻研究法
文獻研究法主要是通過搜集、鑒別、整理和研究文獻，然后形成對事實地科學認 識。通過網絡、學校圖書館等方式，搜集與隧道定期檢査、健康狀態評定方法以及BIM 技術相關的論文、期刊、書籍等文獻資料，充分了解國內外的研究現狀，對本論文研 究積累豐富的信息。
(2)數學方法
通過研究隧道斷面的幾何特性，根據弧長公式，總結出隧道病害從平面坐標轉換 為三維坐標的公式。
(3)案例研究法
通過對具體案例的進行分析研究，找到其中的規律進行應用。論文通過研究VBA 編程，將其應用到BIM軟件中，針對某個隧道，進行實際應用，實現隧道襯砌病害的 三維可視化。
1.4.2技術路線圖
技術路線圖見圖1-5所示。
圖1-5技術路線圖
第2章運營公路隧道土建結構定期檢查技術及要求
定期檢測是我國隧道最常用的土建結構檢查方法，包括：檢查前一隧道基礎資料 的收集；外業一隧道現場檢査工作，記錄隧道的病害信息；內業一整理現場記錄的圖、 表資料，對隧道進行技術狀況評定，并且制定維修養護建議，最后撰寫定期檢查報告。
2.1隧道基礎資料收集
在檢測一個隧道前需要對隧洞的基礎資料進行收集，一方面有利于現場檢測工作 的安排：通過隧道的里程分布、長度以及上次檢測的病害嚴重程度安排進度；另一方 面在內業工作中，通過對比往年的檢測資料，來判斷隧道病害的發展趨勢，此外收集 的資料，還可以滿足撰寫定期檢查報告的需要。
基礎資料收集的內容：隧道位置(所在高速線路的里程樁號)；隧道長度；隧道設 計標準；隧道平面和縱面線形；隧道水文地質資料以及隧道去年病害檢測資料等。基 礎資料收集的方法：可以通過隧道的相關管理單位查找，也可以通過上次定檢的檢測 單位查找。
2.2隧道病害檢測技術
2.2.1病害種類及特征
根據《公路隧道養護技術規范》(JTG H12-2015)規定，土建結構的各個構件的 檢查內容如下。
(1)洞口
①山體滑坡、巖石崩塌的征兆；邊坡、碎落臺、護坡道等是否缺口、沖溝、潛流、 涌水、沉陷、塌落等病害，如圖2-1所示。
②護坡、擋土墻的裂縫、斷縫、傾斜、鼓出、滑動、下沉的位置、范圍及其程度， 是否存在表面風化、泄水孔堵塞、墻后積水、地基錯臺、空隙等現象，如圖2-2所示。
(2)洞門
墻身有無開裂、裂縫；結構有無傾斜、沉陷、斷裂；洞門與洞身連接有無環向裂 縫；襯砌有無起層、剝落，混凝土鋼筋有無外露；墻背填料流失范圍和程度。如圖2-3 和圖2*4所示。
圖21邊仰坡坍塌
圖2-2洞口擋墻破損
圖2-2洞門局部開裂
圖2-4洞門裝飾層剝落
(3)襯砌
襯砌有無裂縫，如圖2-5~2-7所示;
襯砌有無滲漏水，如圖2-8所示；襯砌表層
有無起層、剝落，如圖2-9-2-10所示。
圖2-6襯砌環向裂縫
（4）路面
路面是否有拱起、沉陷、錯臺、開裂、溜滑，如圖2-11-2-13所示；路面上是否 存在（散）落物、油污、滯水、結冰或堆冰等，如圖2-14所示。
檢修道有無毀壞，蓋板有無缺損，如圖2-15-2-16所示。
圖215檢修道蓋板缺失 圖216檢修道側壁破損
(6)排水系統病害
排水系統有無破損，邊溝和沉砂池蓋板是否完好；邊溝、沉砂池是否有無淤積堵
塞、雜物、滯水、結冰等現象，如圖2-17-2-18所示。
圖2-17排水溝冒水 圖2-18沉砂池蓋板堵塞
(7)吊頂及預埋件病害
吊頂板有無變形、破損；吊桿是否完好等，如圖2-19?2-20所示；有無漏水(掛
2.2.2檢測方法及要求
隧道定期檢查宜采用步行方式，必要時可通過可移動臺車或高空作業車輔助方式, 配備必要的檢査工具和設備，進行目測或量測檢查。檢査時應盡量靠近檢査的構件， 對隧道各個部位依次檢查，對病害進行詳細的記錄和有效標注，并通過數碼相機對典 型病害進行拍照，最終繪制病害展示圖。
隧道定期檢查必要的工具和設備主要包括，如圖2-25所示：
①尺寸測量——卷尺、鋼卷尺、游標卡尺等；
②裂縫檢查——帶刻度的放大鏡、寬度測定尺、測針、標線或裂縫寬度比對卡、 裂縫寬度儀等；
③材料劣化檢査——錘子等；
④漏水檢查一pH試驗紙、溫度計等；
⑤記錄工具——隧道展示圖紙、記錄本、照相機或攝像機；
⑥升降設備一隧道高空作業車、可移動臺架或升降臺車；
此外包括清掃工具、交通控制標志牌板等也是必需的。
圖2-25定期檢查常用設施
定期檢查工作的分配：
(1)地面檢測組：采用步行方式，以封閉車道為主，未封閉車道一側檢測人員在 檢修道上方行走;配備高強手電筒，對邊墻及拱腰下方位置進行檢測，如圖2-26所示。
(2)高空作業組：配備高空作業車，對拱頂及拱腰上方位置進行檢測，如圖2-27 所示。
(3)交通管制組：負責交通管制、樁號劃定等工作。
(4)拍照、記錄病害并繪制病害展布圖。
圖2-26地面組現場檢測 圖2-27高空組現場檢測
定期檢查主要檢査隧道洞口、洞門、襯砌、路面、檢修道、排水系統、內裝、吊 頂等部件。為防止漏檢和統一記錄次序，要求按以下順序或步驟進行檢查：
①有效組織人員對待檢查隧道進行交通管制。
②交通管制完成后，組織人員從從小里程至大里程方向，每5 m間隔標畫隧道里 程樁號。
③為方便數據處理，且避免檢測誤差，應按路線里程增長方向，從低樁號向高樁 號檢査，對于左線隧道為保證檢測過程中人員安全，則從大樁號向小樁號進行。
④遵循先右后左的檢査順序，在條件允許的情況下先檢查右幅隧道，再檢查左幅 隧道，單幅隧道遵循先右后左、先下后上的原則，對隧道左右半幅及上下部分逐次檢 查。在有必要且有條件的情況下，采用高空作業車對檢測部位進行近距離觀察及測量。
⑤檢查過程中，隧道結構檢査應該先檢査洞門和洞口，其余構件襯砌、內裝、路 面等根據里程同時進行檢，并要做好病害展布及記錄工作。
⑥從隧道的一般斷面來看，拱腳附近為非常薄弱的構造，結構往往發生在這個部 位，如基腳膨脹、路基下部凍脹、上拱、下沉等。在檢査時，邊溝內部的裂縫、邊溝 蓋板的凹凸和傾斜、路面裂縫、按縫錯裂等狀況都要進行觀察并記錄與展布圖上。
⑦隧道定期檢査結果應及時填入“定期檢查記錄表”，見附錄表A-1,并繪制“隧道 展示圖”，如圖2-28所示，然后對隧道進行技術狀況評定，給出維修養護意見。。
混凝土鋼筋有無外露
（續表2-1）
標志
臟污
2.3隧道病害數據的管理
外業采集的數據，包括病害記錄表、病害展示圖和照片，這些數據是對隧道技術 狀況評定的重要依據，也是編制報告的重要組成部分，因此對這些采集的數據管理十 分有必要。管理的方法如下：
(1)核對：每天檢測完畢，項目負責人應對數據進行檢查，如有發現錯誤或者異 常的地方，及時采取合理措施進行補檢。
(2)整理：隧道檢查的項目有9項，病害類型更是繁多，而在實際檢查工作中， 每個項目所檢查的隧道多達幾十個，所以現場產生的紙質文檔和照片會非常多，應及 時整理，避免資料遺失。
(3)錄入：外業檢測完畢撰寫報告之前，應把檢測的病害記錄表輸入Microsoft Office,把病害展示圖輸入AutoCAD,方便存儲數據同時為撰寫報告做準備。
(4)歸檔：把病害數據錄入電腦后，及時把資料歸檔存儲，方便以后查詢。
2.4隧道病害技術狀況評定
2.4.1評定方法
我國公路隧道養護技術規范，將公路隧道總體技術狀況評定分為1類、2類、3類、 4類和5類，并分別給出定性描述，見表2-2所示。
表2-2公路隧道土建結構技術狀況評定類別描述
技術狀況評定類別 評定類別描述
1類 完好狀態。無異常情況，或異常情況輕微，對交通安全無影響
2類 輕微破損。存在輕微破損，現階段趨于穩定，對交通安全不會有影響
3類 中等破損。存在破損，發展緩慢，可能會影響行人、行車安全
4類 嚴重破損。存在較嚴重破壞，發展較快，已影響行人、行車安全
5類 危險狀態。存在嚴重破壞，發展迅速，已危及行人、行車安全
技術狀況評定的方法：應根據檢查結果對隧道技術狀況進行評定，評定應先逐洞、 逐段對隧道土建結構各分項技術狀況進行狀況值評定，在此基礎上確定各分項技術狀 況，再進行土建結構技術狀況評定。洞口和洞門可以根據隧道進口和出口分別進行評 價；襯砌等其他構件，根據單位長度進行分段，一般取10-100 m；把車行橫洞和人行 橫洞當作主洞襯砌的一個評定單元，歸入襯砌進行評定。土建結構技術狀況評分按照 (2-1)計算：
JGCI = 10Q-卩一丄 £(兀(?厶><-^)] (2-1)
4曰 £叱
/=1
JGC\=max(7Gq) (2-2)
式中：Wj 分項權重，見表2-3；
JGCI,——分項狀況值，值域0?4；
JGCIy——各分項狀況值；
J一檢測段落號，按實際分段數量取值。
表2-3 土建結構各分項權重表
分項 分項權重Wj 分項 分項權重Wf
洞口 15 檢修道 2
洞門 5 排水設施 6
襯砌 結構破損 40 吊頂及預埋件 10
襯砌滲漏水 內裝飾 2
路面 15 交通標志、標線 5
土建結構技術狀況評定分類界限值按表2-4分類。
表2-4 土建結構技術狀況評定分類界限值
技術狀況評分一 1類 土建結構技術狀況評定分類
2類 3類 4類 5類
JGCI >85 >70, <85 >55, <70 >40, <55 <40
土建結構技術狀況評定時，當洞口、洞門、襯砌、路面和吊頂及預埋件項目的評 定狀況值達到3或4時，對將土建結構技術狀況應直接評為4類或5類。
根據隧道養護規范，在公路隧道技術狀況評定中，有下列情況之一時，隧道土建 技術狀況評定應評為5類隧道：
(1)隧道洞口邊仰坡不穩定，出現嚴重的邊坡滑動、落石現象；
(2)隧道洞門結構出現大范圍開裂、砌體斷裂、脫落現象嚴重，可能危及行車道 內的通道安全；
(3)隧道拱部襯砌出現大范圍開裂、結構性裂縫深度貫穿襯砌混凝土；
(4)隧道襯砌結構發現明顯的永久變形，且有危及結構安全和行車安全的趨勢；
(5)地下水大規模涌流、噴射，路面岀現涌流或大面積嚴重積水等威脅交通安全 的現象；
(6)隧道路面發現嚴重隆起，路面板嚴重錯臺甚至斷裂，已經嚴重影響行車安全；
(7)隧道洞頂各種預埋件和懸吊件嚴重銹蝕或斷裂，各種橋架和掛件出現嚴重變 形或脫落。
2.4.2評定標準
土建結構評定標準見表2-5,各個構件評定具體評定標準見附錄表A-2?表A-l 1 o
表2-5 土建結構技術狀況評定標準表
狀況值 評定因素
缺損程度 發展趨勢 對行人、車輛安全的影響 對隧道結構安全的影響
0 無或非常輕微 無 無影響 無影響
1 輕微 趨于穩定 目前尚無影響 目前尚無影響
2 中等 較慢 將來會影響行人、 將來會影響隧道
車輛安全 結構安全
3 較嚴重 較快 已經妨害行人、車輛安全 已經影響隧道結構安全
4 嚴重 迅速 嚴重影響行人、車輛安全 嚴重影響隧道結構安全
2.5隧道維修養護意見
當隧道技術狀況評定為1類時，按照正常養護即可；當隧道技術狀況評定為2類 或3類時，需要對隧道進行保養維修；當隧道技術狀況評定為4類或5類時，需要對 隧道進行病害處治。
（1）保養維修
洞口：及時清除洞口邊仰坡上的危石、浮土，保持洞口邊溝和仰坡上的排水溝完 好、通暢，修復存在輕微損壞的洞口擋土墻、洞門墻、護坡、排水設施和減光設施等 結構物的開裂、變形，維護洞口花草樹林。
襯砌：襯砌出現起層、剝落，應及時清除；及時修補襯砌裂縫，并設立觀測標記 進行跟蹤觀測；對襯砌的滲漏水應接引水管，將水導入邊溝；冬季應及時清除洞頂掛 冰等。
路面：及時清除隧道內外路面的散落物和堆積物。及時修復、更換損壞的窖井蓋 或其他設施蓋板。當路面出現滲漏水時，應及時處理，將水引入邊溝排出，防止路面 積水或結冰。
橫通道：橫通道內嚴禁存放任何非救援用物品，應及時清除散落雜物，修復輕微 破損結構；應定期保養橫通道門，保證橫通道清潔、暢通。
排水設施：保持排水設施完好，發現破損或缺失應及時修復；排水堵塞時，可用 高壓水或壓縮空氣疏通。應及時清理排水邊溝、中心排水溝、沉沙池等設施中的堆積 物，不定期檢查排水溝蓋板和溝墻，及時修復破損、翹曲的蓋板。寒冷地區應及時清
除排水溝內結冰堵塞。排水的金屬管道應定期做好防腐處理。
吊頂和內裝：應保持吊頂和內裝飾完好和整潔美觀，當有破損、缺失時，應及時 修補恢復，不能修復的應及時更換。
預埋件：各種預埋件和橋架應保持完好、堅固、無銹蝕，當有缺損時，應及時更 換或加固。
檢修道：應保持檢修道平整、完好和暢通，檢修道不得積水，當道板有破損、翹 曲或缺失時，應及時進行修復和補充。
交通標志：①應及時修補變形、破損的標牌，修復彎曲、傾斜的支柱，緊固松動 的連接構件；②對銹蝕損壞、老化失效的標志，應及時更換，缺失的應及時補充；③ 對損壞的限高及限速設施應及時維修。
交通標線：①對破損嚴重和脫落的標線應及時補劃；②及時緊固松動的路標，發 現損壞或丟失的，應及時修復或補換。
隧道輪廓標應保持完整、清潔和醒目，當有損壞時，應及時修復或更換。
（2）病害處治
病害處治的目的是消除結構病害，使其達到正常使用的狀態。選定病害處治方法， 重要的是要正確把握病害產生的原因，需要將有關隧道設計和施工技術資料、地質資 料和病害發生至今的過程作綜合分析和研究。
我國地域廣闊，隧道的地質條件和運營環境不同，且隧道受到自身結構及材料等
方面的控制，這就導致隧道病害產生的原因也是多方面的，如圖2-29所示。
圖2-29病害成因分類
外力因素包括：松弛土壓、偏壓、地層滑坡、膨脹性土壓、承載力不足、靜水壓 等因素；
環境因素包括：凍害、鹽害及有害氣體和有害水等;
材料因素主要是指材質劣化；
施工和設計因素包括：襯砌背后空隙、襯砌厚度不足和無仰拱等。
針對不同的病害原因，有不同的病害處治方法，包括：襯砌背后注漿、防護網、 噴射混凝土等多種方法，各種方法的具體效果見附錄表A-12o上述病害原因很少單獨 出現，大部分為幾種原因綜合出現，因此在選定病害處治方法時，需要綜合研究，充 分考慮單項和組合的處治方法。
2.6本章小結
本章詳細全面的介紹了我國隧道土建結構定期檢查的技術要求，檢查前需要收集 好被檢隧道的資料，檢測過程中采用步行方式，必要時可通過可移動臺車或高空作業 車輔助方式，配備必要的檢査工具和設備，進行目測或量測檢查，按照規定的方式識 別并記錄病害，外業檢測完畢后，要對檢測數據核對、整理、錄入和歸檔，進行妥善 的管理，最后根據檢測的病害資料，進行土建結構技術狀況評定，制定保養維修和病 害處治建議。
綜上所述，我國公路隧道工程管理水平不高、信息化水平低，手段落后，運營公 路隧道的病害檢測及處治在我國正逐步受到重視，有必要建立隧道信息化管養系統， 實現運營隧道的信息化管理，提高養護效率。
第3章BIM技術在運營隧道襯砌病害檢測結果三維可視
化中的應用
隨著BIM技術的日益推廣，配套的軟件也非常豐富，目前主流的建筑設計軟件有 三款，分別為：Bentley公司開發的TriForma、Graphisofit公司開發的ArchiCAD和 Autodesk公司開發的Revit系列卩刃。而在國內，BIM使用的最為普遍的軟件是Autodesk 公司的Revit系列軟件，憑借其在建筑市場AutoCAD的廣大用戶平臺的優勢，有著很 好的市場表現，具有用戶界面友好、具備由第三方開發的害了對象庫，方便多個用戶 參與項目的優勢，因此本論文選用Autodesk公司的Revit Architecture軟件來實現三維 可視化。
基于BIM技術在運營隧道病害檢測中實現三維可視化，首先需要在病害展布圖 CAD圖紙中提取病害位置信息，然后將提取的平面坐標轉化為空間坐標，最后在Revit 中實現隧道襯砌病害的三維可視化。
3.1隧道襯砌病害三維可視化實現的技術思路
結合BIM技術的特點和要求，采用BIM技術對公路隧道襯砌病害數據進行三維可 視化實現及進一步的加工，需要從如下步驟展開相應的工作：
(1)對公路隧道結構的空間和平面特征進行分析，從二維(平面)和三維(空間) 的角度對隧道結構的組成要素進行分析，分別建立基本的隧道結構空間模型。
(2)分析將CAD平面圖形元素映射到三維隧道空間結構模型的原理及轉換公式， 為實現隧道病害展示圖元素的三維可視化奠定理論基礎。
(3)分析隧道病害展示圖的組成要素，提取平面CAD圖形特征點的關鍵參數， 如病害的坐標位置、里程等，為隧道病害元素的三維可視化提供基礎數據。
(4)將步驟(3)中所提取的隧道病害元素的基礎數據，依據步驟(2)所確立的 轉換公式，將隧道病害元素映射到步驟(1)所生成的隧道結構空間模型上，以實現隧 道病害從二維到三維的轉化。
3.2隧道結構組成與特征分析
公路隧道結構的組成要素主要包括標準區段、加寬段(緊急停車帶)、人行橫洞及 車行橫洞、洞門等部位，其平面特征包括斷面型式、隧道線形(直線及曲線)，隧道的
空間特征則主要為其縱向坡度。利用BIM軟件實現各隧道基本特征構件的空間建模, 并將各構件進行組合以實現公路隧道結構的空間模型建立。
3.2.1公路隧道標準斷面輪廓
公路隧道內輪廓設計，首先應符合隧道建筑限界的要求，此外還應該考慮到洞內 路面、排水設施、裝飾的要求，并為機電設施如通風、照明等提供安裝空間，同時還 要考慮襯砌變形和施工誤差，要安全、經濟、合理的前提下在確定隧道的斷面［60］o
隧道常用的標準內輪廓，受力形式較好，斷面空間利用率高，即：拱部為單心半 圓或三心圓，側墻為半徑較大圓弧，仰拱和側墻間用半徑較小的圓弧連接。
根據各設計速度的建筑限界，各級公路隧道的雙車道輪廓斷面如圖3-1?圖3-8所 示。由此可以發現，公路隧道兩車道內輪廓的拱部大都為單心圓，而公路隧道三車道 內輪廓的拱部大都為三心圓，如圖3-9所示⑹］。
圖3-1二級公路兩車道內輪廓圖(40 km/h)
圖3-2二級公路兩車道內輪廓圖(60 km/h)
圖3-3二級公路兩車道內輪廓圖(80 km/h)
圖3-4三級公路兩車道內輪廓圖(30 km/h)
圖3-5四級公路兩車道內輪廓圖(20 km/h)
圖3-6公速公路、一級公路兩車道內輪廓圖
(60 km/h)
圖3-7公速公路、一級公路兩車道內輪廓圖(80
km/h)
圖3-8高速公路、一級公路兩車道內輪廓圖
(120 km/h)
3.2.2公路隧道緊急停車帶斷面輪廓
據《公路隧道設計規范》(JTG D70-2004),緊急停車帶應設置在長、特長隧道行 車方向的右側，其主要功能是用來停放故障車輛、緊急情況下疏散交通及救援車輛和 救援小組用以緊急救援活動等，設置間距不宜大于750 mo緊急停車帶的右側加寬不 小于3.0 m,有效長度不應小于40 m,如圖3T0所示。
在緊急停車帶部位，隧道斷面需要進行加寬處理，《公路隧道設計規范》中規定的 緊急停車帶的標準內輪廓斷面結構形式與圖3-1相似，但是從圖3-1所示的4心圓變 成了 5心圓，以適應隧道建筑限界的變化，如圖3-11和圖3-12所示。
圖3-12三車道隧道緊急停車帶內輪廓
3.2.3公路隧道的線形
出于通風和施工因素的考慮，隧道平面線形一般設計成直線。但在實際工程中， 隧道因地形地質條件、洞口接線、車輛運行安全等條件的限制，需要把隧道線形設計 成曲線。曲線隧道是指隧道軸線在線形上呈圓曲線、緩和曲線或者其他曲線。大部分 已建的曲線隧道，具有長度較短、半徑較大的特點；部分曲線隧道為避免出入口朝向 東西方向，將洞口段設計成曲線⑷。而我國雅西高速的干海子隧道和鐵寨子1號隧道, 更是設計成螺旋線形，半徑小（最小半徑600 m）,旋轉角度大，堪稱世界之最，如圖 3~13所示。
圖3-13兩條高速公路螺旋型曲線隧道示意圖
3.2.4車行及人行橫通道
上、下行分離的獨立雙洞公路隧道，為滿足緊急情況下救援及逃生需要，需設置 人行或車行橫通道。
車行橫通道內輪廓斷面，一般有直墻式和曲墻式兩種形式。曲墻式斷面結構受力 更好，但曲墻式斷面與主洞相交處施工困難，所以一般情況下車行橫通道內輪廓斷面 都采用直墻式。但在V、VI級軟弱圍巖地段，車行橫通道應按曲邊墻形式進行設計，
圖3-14車行橫通道內輪廓斷面設計圖例（單位：cm）
人行橫通道內輪廓一般采用直邊墻形式，如圖3-15所示。
3.3隧道結構病害位置信息的提取及比例換算
要實現隧道襯砌病害的三維可視化，需要知道隧道襯砌病害的位置信息。根據《公 路隧道養護技術規范》(JTG H12-2015)規定，定期檢測要將檢查數據及病害繪入“隧 道展示圖”，因此展示圖里面含有隧道病害的詳細位置信息。要提取病害特征點的位置 信息包括兩點:里程位置z及距拱頂中軸線的長度L,這些信息反映在CAD圖紙里面， 即為隧道病害相對洞口拱頂處的相對坐標。
3.3.1特征點位置的提取
在AutoCAD軟件里，自帶有提取點坐標的功能，再減去洞口拱頂的坐標，即為隧 道病害的位置信息。通常而言，隧道展布圖是由多幅圖紙組成的，每幅圖紙檢測的長 度一般為100 mo在隧道展布圖中，各幅圖紙的間距是不確定的，需要手動測量，對 提取平面坐標帶來極大的不便，而且這種方法需要不斷的計算，尤其是對特長隧道， 整個坐標的提取過程，會非常繁瑣。因此需要用開發一個插件，能夠實現自動提取平 面坐標。
AutoCAD支持使用多種開發工具進行二次開發，包括AutoLISP> Visual Basic、 VBA、Visual C++等，這些開發工具都有自己的特點，互有長短。其中，AutoLISP作 為AutoCAD自帶的開發工具，不僅有普通設計語言的基本功能，而且還具備圖形處理 的功能3】。
本文通過AutoLISP開發一個插件，提取病害的位置信息，在AutoCAD中輸入命 令后，按照以下流程提取平面坐標：
(1)選擇需要提取的圖紙；
(2)將需要提取的襯砌病害放在指定的圖層中；
(3)選擇洞口的位置；
(4)指定圖框的寬度；
(5)指定畫圖區前段到圖框的間距；
(6)指定畫圖區后端到下一幅圖框的間距；
(7)指定保存地址。
3.3.2位置信息的轉換
在3.3.1節提取的平面坐標，只是CAD圖紙里面的數據，沒有實際意義。要把數
據反映出病害在實際隧道斷面的具體位置，需要進行平面坐標轉化。
以圖3-16的病害的展布圖中的襯砌病害斜向裂縫為例，洞門即為起點的位置，根
據 3.2.1 節，提取的坐標為(27.95, 16.14； 112.03, 40.95)。
圖3-16隧道病害展布圖位置信息
首先位置里程，通過測量可以知道，CAD圖中的35表示實際里程10 m,因此圖
3~16中病害的里程為:
病害距離隧道中線的距離：以某隧道的斷面為例，拱部圓半徑ri為562 cm,側墻 圓“為718.5 cm,根據弧長計算公式，隧道內輪廓半幅弧長為10.4 mo通過測量知道， CAD圖中半幅長度為58.5,因此圖3-16中的病害距離隧道中線距離分別為：
3.4平面坐標向空間坐標的轉化
為將如圖3-17所示的隧道病害展示圖中的病害元素從平面形式還原為三維形式, 需要建立將病害元素特征點從平面坐標向空間坐標的轉換關系式。基本思路是以隧道 的拱頂軸線為基準，根據3.3節提取的病害特征點的里程和病害特征點至拱頂軸線的距
離厶通過弧長公式和坐標轉換公式進行坐標換算，得到其空間坐標。
圖3-17隧道病害展示圖示例
3.4.1公路隧道兩車道的坐標轉化
標準的兩車道公路隧道的輪廓斷面為馬蹄形斷面，其拱部為單心半圓，斷面形式 如圖3-18所示。在三維坐標中規定：原點坐標為起拱線與隧道中線的交點，即為圓心 01，沿著隧道走向的方向為z方向，在隧道斷面上，水平方向為x方向，垂直方向為y 方向。
圖318兩車道隧道輪廓斷面圖
如圖3T8所示，廠為圓1的半徑；尸2為圓2的半徑；方為圓心0/和圓心02的垂 直距離；〃為圓心0?和圓心02的水平距離；將起拱線與隧道輪廓斷面的交點定義為臨 界點,從頂點到臨界點的弧長為臨界弧長Z‘； a為圓心O/和兩個圓心02圓心的夾角。
當L<L'時，可通過公式(3-1)?(3-2)計算。
L = (3-1)
180
'x=q?sin 0
< (3-2)
、y=r} -cosff
其中，e為角度,x、y為三維空間坐標。
當L> L7時，可通過公式(3-3)和(3-7)計算。
L-U = (3-3)
180
因為圓心位置發生了變化，為方便計算特征點的坐標，需要先將坐標系原點從。 平移至。2得到坐標系 W，丁‘)，并沿著逆時針旋轉角度a得到坐標系(x〃， 如圖3-19所示。在新坐標中，計算公式如下：
x,-r2-cos0
< , (3-4)
、y=_A^.sin0
把坐標從新坐標轉化為新坐標，需要旋轉并且平移，公式如下：
'x*=xr-cos a -y«sin a
,, … <3-5)
、y =y ?8sa+x sma
r x=x9-d
v
y=y'-h
將公式(3-4)?(3-6)合并，可以得到公式(3-7)o
{
x=r2 -cos&?cosa+々 -sin 0sina-d
(3-7) y~-r2 sin 0 cos a+儀-cos "sin a-h
如此經過上述公式的計算，可以得到兩車道標準斷面襯砌病害的三維空間坐標。 兩車道公路隧道的輪廓斷面，根據公路設計速度和等級的不同，斷面樣式較多，有采 用單心圓的，也有采用三心圓的，既有尖拱又有坦拱，曲率不一。本文采用公路隧道 兩車道最常見的一種內輪廓斷面進行坐標計算，其他形式的內輪廓斷面的坐標計算， 均可以通過調整d和方的值，帶入上述公式計算。
3.4.2公路隧道三車道的坐標轉化
公路隧道三車道的輪廓斷面圖，其拱部為三心圓，側墻為大半徑圓弧。在這個斷 面中，規定起拱線和隧道中線的交點為原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸。
如圖3-20所示，◎為圓1的半徑；廠為圓2的半徑；匕為圓3的半徑；方為圓心 O?和原點O的垂直距離；力為圓心02和原點O的水平距離；03為圓心。3和原點O 的水平距離；a為圓02起點與X軸的夾角；內輪廓上圓弧半徑變化出分別為臨界點1 和臨界點2,對應的弧長分別為臨界弧長厶‘和臨界弧長力‘。
當L< 時，可通過公式(3-8)和(3-9)計算。
L = & *4 (3-8)
180
x=q-sin^
] (3-9)
y=r\-cos0-h
當L1, <L<L2,時，可通過公式(3-10)?(3-14)計算。
(3-10)
因為圓心位置發生了變化，因此需要變換坐標，把坐標移動到02的位置并旋轉,
建立新坐標，如圖3-21所示。在新坐標中，計算公式如下:
把坐標從新坐標轉化為舊坐標，需要順時針旋轉并且平移，公式如下:
'x*=x,-cosa'-y,-sin a
(3-12)
x=x*+J2
(3-13)
將公式(3-11)?(3-13)合并，可以得到公式(3-14)。
x=r2 •8S0?cosa+々 *sin 0?sin a+J2
、y=-r2 -sin &?cosa十々 cos^-sin a
(3-15)
x-rycos0-d3
(3-16)
如此經過上述公式的計算，可以得到三車道標準斷面襯砌病害的三維空間坐標。
3.4.3公路隧道緊急停車帶的坐標轉化
根據圖3-11和圖3-12,可以發現緊急停車帶的輪廓斷面，其拱部為三心圓，側墻 為大半徑圓弧的馬蹄形斷面，與三車道隧道的標準斷面類似，所示緊急停車帶斷面的 空間坐標的計算方法與其三車道隧道標準斷面的計算方法相同，本文就不再贅述。
由于緊急停車帶的隧道中線與正常隧道的中線不重合，見圖3-22所示，但是空間 坐標必須以正常隧道的中心為原點，所以緊急停車帶的空間坐標仍進行一次坐標平移。
圖3-22緊急停車帶隧道中線與正常隧道中線
隧道的緊急停車帶的輪廓斷面與標準的輪廓斷面，在側墻的大半徑圓弧是相同的,
所以，起拱線的位置也是相同的。因此『坐標相同，只需要平移x坐標，計算公式見
（3-17）o 一般而言，根據公路隧道設計規范，的標準值為1.75 m0
（x^=x+Ar
| （3-17）
3.4.4曲線隧道的坐標轉化
當隧道區段位于單一曲線上時，隧道的中心線在半徑為R的圓弧上，沿隧道曲線 區段的里程長度為隧道中軸線圓弧的弧長（如圖3-23所示）。因此，其坐標值計算思 路是先按直線段的計算方法求出隧道斷面上病害特征點的（x, z）,再通過極坐標轉化 公式得出隧道中軸線的空間坐標值（珀，4）＞與病害特征點的（x, z）進行疊加得到 曲線段病害特征點的空間坐標值（*，令）。丁坐標表示隧道病害的高度，因此其值保
持不變。
首先計算隧道中心線的坐標，根據里程得到角度，然后極坐標公式得到中心線的
圖3-24人行橫洞計算圖示
當L< L 7時，可通過公式(3-21)?(3-22)計算。
“叱 (3-21)
180
'x=r-sin 9
' (3-22)
,尸q?COS0
其中，0為角度，小丁為三維空間坐標。
當L> L,時，可通過公式(3-23)計算。
x=r
“ (3-23)
[y=L-L'
車行橫洞內輪廓斷面，一般有直墻式和曲墻式兩種形式，見圖3-14o其直墻式的 計算方法與人行橫洞的計算方法相同，曲墻式斷面的計算方法與標準的兩車道公路隧 道的計算方法相同，就不再贅述。
根據上述計算方法，可以得到車行橫洞及人行橫洞區段的病害特征點的局部空間 坐標，要把局部坐標轉化到全局坐標系，需要進行坐標修正：
(1)豎向修正：橫向通道的坐標要進行y坐標的調整，人行橫洞的底面與正常隧 道的檢修道高度持平，車行橫洞的底面與正常隧道的路面高度持平；
(2)平面修正：根據橫向通道的布置，進行x、z坐標修正。
3.5 Revit的二次開發
在Revit可以較為容易的創建一個隧道模型，但難點在于如何在Revit軟件實現襯 砌病害的三維可視化。Revit軟件在復雜曲面上操作有些缺陷，只能通過手動選擇點來 畫出病害，不能輸入坐標，誤差較大，而且還只能逐條病害的錄入，極為不便。要想 實現精確而又快速的的畫入病害，需要借助Revit的二次開發。
Revit軟件不僅可以通過菜單欄和工具條進行手動建模，還可以通過程序接口API 借助外部命令，通過外部編寫程序進行批量建模。通過API可以訪問Revit各功能，進行 批量化建模，也可以根據用戶需求編寫軟件擴展軟件的功能【呦。
本文使用Microsoft Wsual C#開發一^插件，實現批量畫線'思路如下：（1）選 取隧道襯砌的表面，將面轉化為面幾何，保證點能投影到面上；（2）輸入點的起點和 終點，分別投影到面上，然后連線，將線段等距的劃分成10段，再將新生成的點投影 到面上，然后逐段連接這些點，生成新的線；（3）批量導入線的坐標，然后循環，最 終達到批量生成線的目的。開發程序見附錄B。
3.6隧道襯砌病害的三維可視化
根據隧道的內輪廓斷面，在Revit里面建造隧道的三維模型，然后提取該隧道的病 害信息，根據3.4節的坐標轉換公式，進行坐標轉化，利用Revit的二次開發，實現該 隧道病害三維可視化，圖3-25為隧道病害三維展示。
圖3-25隧道病害的三維展示圖
圖3-26為緊急停車帶病害展示圖，圖3-27為車行橫洞與緊急停車帶的連接部分， 圖3-28為人行橫洞與緊急停車帶的連接部分，可以看到，BIM技術對隧道病害的三維 展示，適用于隧道不同斷面和部位。
圖3-27車行橫洞與緊急停車帶三維病害展示 圖3-28人行橫洞與緊急停車帶三維病害展示
圖3-29為曲線隧道的病害展示圖，圖3-30為該隧道的病害三維展示，可以看到
BIM技術對隧道病害的三維展示，適用于隧道不同的隧道線形。
圖3-30曲線隧道的病害三維展示
通過其實際效果可知，BIM技術能夠實現隧道土建結構各組成部位處的病害三維 可視化演示，應用這些結構組合即可實現公路隧道的病害三維可視化展示。隧道病害 數據圖像的三維可視化工作，使隧道結構病害更為形象和直觀，也能提高隧道的技術 狀況評定、日常維護管理等工作的效率。
3.7本章小結
本章對BIM技術在運營公路隧道襯砌結構病害中的應用展開了研究，通過對 AutoCAD和Revit的二次開發實現隧道襯砌病害三維可視化，得到以下結論：
(1)通過對公路隧道結構的組成進行分析，使用BIM對其基本結構進行建模， 通過這些要素的組合可以實現常見公路隧道土建結構BIM模型的建立。
(2)通過平面到空間坐標關系計算式的推導，得出了從隧道病害展示圖中提取病 害特征點空間位置坐標的方法，且與隧道結構空間模型對應關系良好。
(3)BIM技術可以實現公路隧道土建結構的建模及襯砌病害的三維可視化展示，
為運營公路隧道的病害檢査、維修養護等工作提供一定的便利。
第4章 隧道定期檢查病害信息管理系統的開發
4.1系統開發目的
用戶使用隧道信息管理系統應該可達到以下目的：
（1） 掌握隧道的基本信息，了解隧道結構性能運行的狀態，評估結構的安全性;
（2） 管理隧道的病害信息，對隧道進行技術狀況評定；
（3） 根據隧道的安全狀態，科學的制定維修養護建議。
4.2系統開發環境
系統是在微軟Visual Studio.net 2015平臺上運用ASP.NET開發的。ASP .NET具 有對全編譯語言的支持；程序代碼與頁面內容分離；配置簡單和工作效率高等優點。 數據庫的創建是在SQL Server數據庫管理系統中實現的，通過ADO.NET進行數據庫 的訪問。
4.3數據庫系統設計
4.3.1數控庫設計概述
數據庫作為隧道系統的核心，是整個系統中因此數據庫的規劃和設計是整個系統 設計中最重要的部分，數據庫一方面有存儲、統計、查詢和分析各種信息的功能，另 一方面還起到各管理機構傳遞數據的作用。因此，在對公路隧道運營安全管理業務需 求詳細分析的前提下，對公路隧道的各項指標進行采集與檢測，建立一個動態的、開 放的數據庫是必不可少的。
系統所處理的各種數據，通過不同的方式輸入計算機，通過軟件處理對隧道進行 評定和決策分析，如圖4-1所示，以數據庫為中心，描述了數據庫與輸入輸出之間的 關系。根據規范設計規定，數據庫設計一般經過以下6個階段。
（1） 需求分析：全面、準確地了解并分析用戶需求，以便系統能夠滿足用戶需求。
（2） 概念設計：對需求分析進行歸納和總結，得到一個獨立的、具體的DBMS 概念模型（E-R圖）。
（3） 邏輯設計：將概念模型（E-R圖）裝換為DBMS支持的邏輯模型（關系模 型）。
圖41數據庫管理系統功能
(4)物理設計：為邏輯模型選擇最合適應用環境的物理結構，即確定存儲結構和
存取方法，包括數據的存放位置、存取路徑及系統配置。
(5)數據庫實施：建立并且編制數據庫，對數據庫進行調試，并且進行試運行。
(6)數據庫運行和維護：在數據庫系統運行過程中，根據反饋出來的問題不斷地
對其進行調整和修改。
4.3.2系統的需求分析
根據系統的開發目的，本系統面向的用戶為：隧道檢測單位、設計單位、科研所、 隧道運營管理部門。對不同的用戶而言，該系統應能滿足以下各自的需求：
(1)對隧道所在的高速公路進行管理，進行添加和刪除，并且能夠編輯高速公路 的線路信息，如線路長度、線路編號和線路樁號里程等。
(2)對隧道進行管理，進行添加和刪除，并且能夠編輯隧道的基本信息，系統將 此信息保存到數據庫中，為隧道技術狀況評定提供依據。
(3)隧道檢測單位能對病害信息進行管理，包括增加、刪除、修改病害，并生成 的初步的檢測報告。
(4)隧道相關管理養護部門及其他研究單位能對調査檢測數據能進行査詢，并將 査閱的的結果進行下載。
(5)能夠對隧道的數據進行統計和分析，以圖和表格的形式輸出，如公路隧道定 期檢查病害表格和隧道展布圖等
4.3.3系統流程圖設計
根據用戶的實際需求，對系統功能進行總體規劃，通過對本系統上述用戶對系統 的實際需求，設計出系統流程圖，如圖4-2所示。
|檢測報告和
隧道展示圖
圖4~2系統流程圖
針對隧道的管理，主要包括四個方面：
(1)隧道基本信息
實現對已有隧道基本信息的修改，對新加隧道病害信息的修改，包括：隧道名稱、 起點里程、隧道長度、襯砌類型、洞門類型、路面類型、排水方式、通風方式、設計 資料和施工資料。
(2)病害信息管理
對隧道檢測病害信息進行批量的輸入，并且能夠查詢和修改。包括：洞門、洞口、 襯砌、路面、檢修道、排水系統、吊頂及預埋件、內裝飾和標志標線的病害。
(3)土建技術狀況的評定
對隧道的土建結構進行技術狀況安全評定，并給出相應的評價結果。
(4)隧道維修養護
根據隧道的評定結果，制定保養維修建議或病害處治方案。
4.3.4系統的概念設計
所謂的E-R模型就是指實體(Entitiy)和聯系(Relation),實體是指現實世界中 存在的對象或客觀事情，可以是人也可以是物，還可以是抽象的概念等；聯系是指實 體和實體間存在的關系；實體和聯系都有各自的屬性。E-R模型圖，就是用矩形框表 示實體，用橢圓表示屬性，用菱形框表示聯系，使用指向性的線段將其連接，并在指 向線上標注“1”、“M”、“N”等值，分別表示實體之間的聯系是一對一、一對多或多 對多等關系。
概念結構設計方法一般采用自下而上的方法，先建立系統各組成部分的局部E-R 模型，如圖4-3?圖4-5所示，再建立總體的E-R模型，如圖4-6所示。
圖4-3病害信息實體形態
圖4-5線路信息實體形態
圖4-6系統全局概念模式圖
4.3.5系統的邏輯設計
在數據庫設計過程中，將E-R圖轉換為關系模型的實質就是把實體、實體的屬性 以及實體的聯系轉變成關系模式。當一個實體轉換為關系模型中的一個關系時，實體 的屬性就是關系的屬性。將E-R圖轉換為關系時，三種聯系方式各自有不同的轉換方 式。
①一對一聯系的轉換
一對一聯系可以通過與該聯系所涉及的任意一方對應的關系模式合并來完成轉換。 具體做法就是，在這個關系模式的屬性中加入另一方實體的碼和聯系本身的屬性。
②一對多聯系的轉換
轉換一對多的聯系，需要將該聯系與n方對應的關系模型合并。具體做法是，將 一方實體的碼及聯系本身的屬性添加到n方對應的關系模式中。
③多對多聯系的轉換
將多對多的聯系轉換為一個獨立的關系模式，需要將該聯系相關連的各實體的碼 以及聯系本身的屬性都轉換為關系的屬性。
關系模型的數據結構非常簡單，實體及實體之間的聯系均是單一的數據結構，也 就是說關系模型中的數據邏輯結構就是一張由行和列組成的二維表。通過對表的結構 設計來定義表擁有的字段和特性，字段特性包括名稱，數據類型，長度以及精度等。 數據表的設計舉例如下：
(1)用戶管理表
該表為系統的用戶管理表，該表決定了使用者的權限，主要包括用戶名，用戶的
密碼等相關信息。如表4-1所示： 表4-1用戶管理表
序號 字段 數據類型 備注
1 管理員ID 整型(int) 主鍵
2 用戶名 字符型(char)
3 用戶密碼 字符型(char)
4 使用權限 字符型(char)
5 注冊時間 時間型(datetime)
(2)高速公路信息表
該表為高速公路線路管理表，在該表中涵蓋了高速公路線路名稱，高速公路信息 線路的基本信息，如表4-2所示：
表4-2高速公路信息表
序號 字段 數據類型 備注
1 高速公路ID 整型（int） 主鍵
2 高速公路名稱 字符型（char）
3 高速公路線路代碼 字符型（char）
4 高速公路起止樁號 字符型（char）
5 通車時間 時間型(datetime)
（3）隧道基本信息表
該表為隧道基本信息管理表，表中包括隧道的名稱，隧道的里程樁號，隧道的結
構信息和設計信息等，如表4-3所示：
表4-3隧道基本信息表
序號 字段 數據類型 備注
1 公路隧道ID 整型(int) 主鍵
2 隧道名稱 字符型（char）
3 所在高速公路名稱 字符型（char）
4 隧道長度 字符型（char）
5 隧道起止樁號 字符型（char）
（4）隧道病害信息表
該表為隧道病害管理表，該表包括隧道產生病害的構件，病害在左洞右洞，病害
的里程和位置，以及隧道病害的描述，如表4-4所示：
表4-4隧道病害信息表
序號 字段 數據類型 備注
1 隧道病害ID 整型（int） 主鍵
2 公路隧道ID 整型(int) 外鍵
3 病害所在構件 字符型（char）
4 病害類型 字符型（char）
5 病害位置 字符型（char）
6 病害樁號 字符型（char）
（5）隧道維修養護建議表
該表為隧道的維修養護建議，表中包括隧道上次檢測的時間，隧道保養維修的建
議和病害處治方法，如表4-5所示：
表4-5隧道維修養護建議表
序號 字段 數據類型 備注
1 隧道維修養護建議ID 整型（int） 主鍵
2 公路隧道病害ID 整型（int） 外鍵
3 隧道安全評價結果 字符型（char）
4 保養維修建議 字符型（char）
5 病害處治建議 字符型（char） ?•?
4.3.6系統的物理設計
所謂的數據庫物理設計，就是為設計好的邏輯數據模型配置一個符合應用環境要 求的物理結構。由于數據庫物理設計，不面向一般用戶，因此不考慮用戶的理解方便， 其設計目標有兩項：一是提高數據庫的性能；二是節省存儲量。其中提高數據庫性能 更為重要。
物理設計的主要內容包括如下：（1）確定數據的存儲安排；（2）存取路徑的選擇 與調整；（3）確定系統配置。
4.4系統的主要功能
登陸界面簡介：在系統登錄界面輸入用戶密碼即可進入系統，如圖4-7所示。
圖4-7系統登錄界面
線路界面簡介：可以添加或者刪除線路；點擊“線路信息”命令即可査詢和修改 線路的基本信息；點擊''隧道信息”即可進入隧道管理的界面，如圖4-8所示。
隧道管理界面：首先可以添加或者刪除隧道,其次有“基本信息”、“病害信息”、 “技術狀況評定”和“維修養護意見”四個命令，分別有相應的界面，包括了隧道基 本信息的錄入、病害信息的錄入、健康狀況的評定和維修養護意見的制定，如圖4-9 所示。
圖4-9隧道管理界面
隧道基本信息界面：進行隧道基本信息的錄入，包括隧道名稱、里程樁號、長度、 襯砌類型、洞門類型、路面類型、排水方式、通風方式、最大凈高、最大凈寬、隧道 設計資料、施工資料等，如圖4-10所示。
圖410隧道基本信息界面
隧道病害信息界面：首先選擇檢查的項目，然后選擇病害類型和病害位置，輸入 病害里程和病害長度/面積，點擊“添加”即可。病害的輸入還支持與Excel表格互導, 實現快速的輸入，如圖4-11所示。
病口【消nn襯砌:暫面［檢緣遵I菇黍系級［吊頂公預埋件;內共祎：標志標線輪堺線 病害類型
壞向開裂 ▼:
病害摘述
位査
竟度
面積
添加▼
農片
CKD
類型 位養 里程 長度 寬度 面積
怖開裂 左邊堪 ZKD333+004 300 刪,¥ |
壞向開裂 左邊埴 ZKD333+O44 345 |
圖4~12所不。
權重
涸口 15 凋門5 襯砌破債25 姿覇水10 路面15
撿修逋2 排水設施6 洌里件10 內裝怖2 標志標線10
洞口、滔門技術狀況評定
洞口 澗門
進口 0 出口 0 邊口 0 出口 0|一
里程ZK + ~ + 長度100
襯砌 滲瑤水 路面 檢絵通
排水設施 吊頂及黃埋件 內裝怖 標志標線 匚麺口
毘程 襯砌破損 傾水 路面 檢修道 排水設施 預埋件 內裝篩 標志総
ZK2358+300*2358+400 0 0 0 0 0 0 0 0 酈][ 修改|
ZK2358+400*2358+500 0 0 0 0 0 0 0 0 酈jl 修改j
ZK2358+500~2358+600 0 0 0 0 0 0 0 0 sm ][ 修改|
2X2358+600^2358+700 0 0 0 0 0 0 0 0 刪涂］［ 修改|
ZK2358+700邈 3S8+800 0 0 0 0 0 0 0 0 m j|
左右線|左線 ▼」［刷新I I保存并評定］得分：100. 00 分類類 I儆分類］
圖412技術狀況評定界面
維修養護建議界面：軟件會根據技術評定狀況，判定出需要保養維修的項目，并 給出保養維修建議，也可以通過刪除或添加命令，添加需要保養維修養護的項目，點 擊修改，對保養維修建議進行修改，如圖4-13所示；點擊病害處治，•可以選擇處治方
案。
左矽；左統 T「劇磺I
圖4-13維修養護建議界面
4.5本章小結
本章首先介紹了運營公路隧道土建結構定期檢查病害信息管理系統的的開發目標、 開發環境，然后著重介紹了該系統的數據庫設計過程，通過對系統的需求分析，設計 出該系統的流程圖，進而對數據庫進行概念設計，得到E-R圖，然后將概念模型（E-R 圖）轉換為DBMS支持的邏輯模型（關系模型），最后進行物理設計，完成數據庫設 計。本章在最后對系統功能的進行了設計，主要是依據系統設計流程圖為線索進行各 個界面的功能介紹。
第5章工程實例應用
5.1隧道概況
5.1.1隧道設計信息
XX高速公路隧道為分離式雙洞單線行駛隧道，隧道中心樁號為K2386+550,全長 500 mo該隧道所在的公路等級為四車道高速公路；隧道計算行車速度為80 km/h；隧 道建筑界限為雙洞四車道凈寬9.75 m、凈高5.0 m；隧道路面橫坡為直線段單向坡2%； 設計交通量為2026年小客車32150輛/日。
隧道位于分離式路基段，為左右線分離的雙洞，測量軸線與隧道中線相距5米， 隧道基本位于直線上。
5.1.2隧道地質信息
隧址區出露地層為角閃石英閃長巖、石英閃長巖根據《公路工程地質勘察規范》 (JTJ064—98)有關規定，將隧址區圍巖類別劃分為I、II、III、IV、V等五類，洞口 段覆蓋層厚，處于全?強風化帶內，穩定性差?較差，圍巖類別為I、II、III類，洞身段 圍巖處于弱風化和強風化帶內，圍巖類別為IV、V類，穩定性好?較好。
洞身工程地質評價：淺埋段圍巖為全一強風化角石英閃長巖帶，巖體呈砂石松散 狀、碎裂狀碎石結構，風化帶網狀裂隙發育，體裂隙率16?24條/n?,裂隙延伸長0.5?2.0 m,屬閉合性或微張開性裂隙，裂隙面平直呈稍干狀，多見風化泥充填。該帶縱波速度 為1100-2000 m/s,平均值1500 m/s,巖體完整性系數為0.1左右，屬II類圍巖。拱部 開挖時，易產生坍塌，側壁易沿網狀風化裂隙形成軟弱面產生滑移，穩定性差。雨季 施工時有浸水或小流水現象，易加劇拱部坍塌及側壁失穩。
隧道洞身段圍巖為弱風化石英閃長巖、角閃石英閃長巖，其相變接觸帶較破碎。 巖體呈碎裂狀碎石結構、塊狀鑲嵌結構。節理裂隙發育?較發育，多屬閉合性剪切節理 裂隙和微張裂隙，結構面平直，多見鐵質浸染及泥膜現象，穩定性好?較好。
5.1.3隧道結構信息
隧道基本情況詳見表5-1,隧道內輪廓及建筑界限見圖5-1,隧道洞口如圖5-2? 圖5-5所示。
表5-1 XX隧道概況表
1隧道名稱
XX隧道
隧道全長
(m)
左：500
右：500
路面類型瀝青混凝土 8
7
17
20
23
2
5
11
14
上次定期 檢査分類
0寸9
00卜
S
圖5-1 XX隧道內輪廓及建筑界限圖(單位:cm)
圖5-3 XX隧道左線B端洞口全景
圖5-4 XX隧道右線A端洞口全景
圖5-5 XX隧道右線B端洞口全景
5.2隧道病害信息的管理
5.2.1病害的錄入
隧道病害的錄入有兩種方式，一種是現場檢測模式，通過選擇的方式逐條的手動 輸入,另一種是對已有的檢測數據，通過導入Excel表格批量輸入。
對XX隧道的病害，洞門、洞口等構件的病害較少，用過手動輸入的方式錄入病 害；襯砌病害較多，將病害數據復制到Excel模板中，如圖5-6所示，通過導入Excel 表格實現批量輸入，結果如圖5-7所示。隧道病害展布圖見附錄C。
A F G H I
圖5-6隧道病害Excel模板
洞口 |洞門 襯砌 KB ；檢修遵！排水奈袋i吊頂友預埋件丨內潼怖|標志標第晌
病害類盤
病害扼述
位貴|SSiS 7
里程 ZK 2358 + 300
長度
竟度
面稅
照片 I測覽1
CAD |作圏］
左右線 妙 “ I網新—】 r~<x~］廠耳耳一］［保存］
圖5-7 XX隧道襯砌病害批量輸入
5.2.2病害的三維展示
根據隧道的基本信息，建立隧道的三維模型，如圖5-8所示。病害的展示如圖5-9 和圖5~10所不。
圖5-8 XX隧道模型
取隧道里程YK2358+300700,其病害展布圖如圖5T1所示，病害的三維展示如 圖5-12和圖5-13所示，可以看出，隧道左、右邊墻的病害三維展示與隧道展布圖是 ——對應的，真實的“還原”了隧道襯砌病害在隧道中的分布。
圖511 XX隧道右線局部病害展布圖
圖513 XX隧道右邊墻病害三維展示
5.3隧道技術狀況的評價
根據本文2.4節所述的方法，對XX隧道進行技術狀況評定，評價結果見表格5-1 所示。
表51 XX隧道技術狀況評定
洞門、洞口技術 狀況評定 洞口 進口 0 15 洞門 進口 1 5
出口 0 岀口 0
狀況值
編號 ZK2358+ 襯砌破損滲漏水 路面 檢修道 排水設施 預埋件 內裝飾 標丿忐 標線
1 300?400 2 1 1 1 0 0 0
2 400?500 2 0 1 0 0 0 0 0
3 500?600 1 0 0 0 0 0 0 0
4 600?700 1 0 0 0 1 0 0 0
5 700?800 1 0 0 0 1 0 0 0
權重呦 25 15 15 2 6 10 2 5
JGCIi 2 1 1 1 1 0 0 0
JGC/ = 100- t
(=1 Z-J
< 1=1 /_ 78 土建結構評定等級 2類
系統會根據隧道長度自動進行分段，默認的長度是100 m,技術人員可以根據需 求進行長度的修改。將上述各分項的評定值輸入系統，系統會自動計算出評定結果， 如圖5-14所示，系統計算的結果是78,評定為2類。
此外，系統不僅支持對隧道的定量的評定，也可以對隧道進行定性的判定。當洞 口、洞門、襯砌、路面和吊頂及預埋件的評定狀況值達到3或4時，系統會直接把隧 道土建機構技術狀況評定為4類或5類。同時，當隧道某些構件病害較為嚴重，出現 結構性的破壞，或者可能危及行車安全，技術人員可以通過“修改分類”，直接將隧道 評為5類。
5.4隧道維修養護建議
系統會根據隧道各分項技術評定值，將大于1的構件選出來，給出相應的保養維 修的建議，如圖5-15所示。同時，技術人員可以對需要進行保養維修的構件進行刪除 或者添加，也可以對系統給出保養維修建議根據實際情況進行修改。
圖515 XX隧道保養維修建議
此外，技術人員還可以根據隧道的病害嚴重程度，決定是否需要進行病害處治。 如果需要病害處治，技術人員可以通過病害原因、隧道病害特征以及預期效果，合理 的選擇病害處治方案。
5.5本章小結
本章將隧道管理系統進行了工程實際應用，測試中系統可以對隧道病害信息進行 信息化管理，通過Excel批量導入病害，大大的提高了隧道病害管理的效率；利用BIM 實現隧道襯砌病害的三維可視化，真實的“還原”病害在隧道中的分布，可以更加準 確的對隧道進行技術狀況評定，科學的制定維修養護意見，具有一定的實用價值。
結論
本文根據我國目前的最新隧道養護規范，對運營公路隧道的定期檢測病害管理系 統進行了開發，重點研究了我國公路隧道定期檢測技術要求、基于BIM技術對隧道襯 砌病害進行三維可視化研究、公路隧道土建結構定期檢查病害信息管理系統等方面， 取得以下主要成果：
（1） 根據我國現行的隧道養護規范，結合現場檢查工作經驗，總結我國運營公路 隧道土建結構定期檢查的技術要求。
（2） 通過對公路隧道結構的組成要素及空間特性分析，利用BIM技術實現襯砌 病害的三維可視化展示，真實的“還原”襯砌病害在隧道中的分布，為運營公路隧道 的病害檢查、維修養護等工作提供一定的便利。
（3） 簡述公路隧道病害管理系統的開發目標和開發環境，詳細介紹了系統數據的 開發過程，從需求分析到概念設計，再到邏輯設計，最后進行物理設計。通過工程實 例應用，說明該系統運行穩定，界面友好，并具有使用靈活、方便快速、操作簡便等 特點，實現了隧道病害的信息化管理，提高了隧道管理的效率，具有很大的應用價值。
本文建立了基于BIM技術的運營公路隧道土建結構定期檢查病害信息管理系統, 但尚有許多有待進一步深入進行的研究工作：隧道土建結構檢查除了定期檢查，還包 括日常檢查、應急檢查和專項檢查，需要對本系統進行完善，添加土建結構的日常檢 查、應急檢查和專項檢查，使其應用更加廣泛；利用BIM技術實現病害三維可視化仍 需要一進步研究，使得病害三維可視化不僅僅是襯砌病害，還包括路面、檢修道和排 水系統等其他構件，此外，在三維模型中，病害信息的標注也需要進一步研究。
致謝
時光飛逝，轉眼間就要告別在西南交大七年的學習生活。依然清楚的記得2009年 本科入學時候的那份憧憬，記得2013年保送讀研時的自豪，然而我就要畢業奔赴工作 方位，但是這些年的學習經歷，將會成為我人生中最為值得留戀的美好回憶。我由衷 的感謝母校對我的培養，母校嚴謹求學、求實創新的精神將時刻激勵著我。
首先，非常感謝我的導師蔣雅君副教授。蔣老師是我在學術道路上的引路人，本 文從選題到修改再到定稿，每一階段都凝聚著蔣老師的心血。碩士期間，蔣老師更是 給我提供了很多到現場實踐的機會，使我能夠將理論和實際相結合，提高自己的綜合 能力。三年來，蔣老師嚴謹的科研態度、淵博的學識、勤勞的作風，時刻勉勵這我， 不僅讓我在讀研期間受益匪淺，更讓我受益終生，特向導師致以最誠摯的感謝！
讀研三年，作者得到了楊其新教授的幫助和指導，感謝楊老師，楊老師嚴謹治學， 對學術一絲不茍的精神深深的影響著我，在此向王老師致以崇高的敬意。
三年的時間，與師兄弟間的相處是讓人難以忘懷的。感謝我的同門師兄弟，我們 一起走過了研究生三年時光，難忘我們共同學習，共同奮斗，在他們身上我學到了很 多有用的東西。
感謝室友何俊、郭新明、楊守峰和劉科，與你們兄弟般的情誼，必將是我一生美 好的回憶。
感謝我的家人，我的朋友，感謝他們的鼓勵讓我得以順利完成畢業設計論文。
李明博
2016年5月1日
參考文獻
[1]中華人民共和國交通部.JTG D70—2004公路隧道設計規范[S].北京：人民交通出 版社,2004.
[2]王峰.曲線公路隧道營運通風關鍵參數研究[D].成都：西南交通大學,2007.
[3]葉英.運營隧道管養指南[M].人民交通出版.北京,2013.
[4]湯淵.公路隧道健康數字化系統開發[D].上海：同濟大學,2007.
[5]鄒育麟，何川，周藝，張政，傅家鮑.重慶高速公路現役營運隧道滲漏水病害統計 及成因分析[J].公路交通科技.2013, (1): 86-93.
[6]陳健蕾，劉學增，張文正，張佳成.貴州省公路隧道滲漏水調查及統計分析[J].現代 隧道技術,2011,48(5):7-11.
[7]蒲春平.隧道襯砌的裂縫與滲水及其整治研究[D].上海:同濟大學,199&
[8]AkiraH. Development of expert systems in JNR. Japanese Railway Engineering [J]. 1986, 26(3): 16?20.
[9]Kazuaki K, Minoru K, Tsutomu T ET al.Stucture and construction examples of tunnel reinforcement method using thin steel panels.Nippon Steel Technical Report, 2005, 92:45?50.
[10]LivioL, Gabriele D M, CorradoZ, etal. Rehabilitation of highway tunnels-techniques and procectures. In: Proceedings of AITESTTA 2001 world tunnel congress.volume2, session2-3. Bologna: Patron Editore, 2001.
[11]ITA WG Maintenance and Repair. Report on the damaging effects of water on tunnels during their working liffe. Tunneling and Underground Space Technology, 1991, 6 (1):11 ?76.
[12]Won.J.P, Lee.S.W. Performance of synthetic macrofibres in reinforced concrete for tunnellinings [J]. Magazine of Concrete Research, 2009(61):165-12
[13]Richards J A.Inspection, maintenance and repair of tunnels: international lessons and practice [J] .Tunnelling and Underground Space Technology, 1998, 13(4): 369?375.
[14]Abramson L, Boscardin M D. Tunnel rehabilitation [J].Geotechnical Special Publication, 1999, 90:912?924.
[15]Abramson O, Derobert X .Non—destructive testing of fired tunnel walls [J]:The Mont- Blanc Tunnel case study. NDT and E International, 2003, 36(6); 411-418.
[16]RomerM .Swiss tunnel structures: concrete damage by formation of thaumasite. Cement and Concrete Composite, 2003, 25, 1111-1117.
[17]Suput J S, Mladenovic A, Cemilogar L,et al.Deterioration of mortar caused by the formation of thaumasite on the limestone cladding of some Slovenian railway tunnels. Cement and Concrete Composites, 2003, 25(8):1141-1145.
[18]Ramondenc P, Beaume A. Railway tunnel maintenance [J]. Rail International, 2004, 35(6/7): 36?40.
[19]Leemann A, Thalmann C, Studer W. Alkali-aggregate reaction in Swiss tunnels [J],Materials and Structures,2005,38(277):381?386.
[20]Chang C T, Chang S Y Prelimilary inspection of dam works and tunnels after Chi-Chi earthquake[J].Sino-Geotechnics,2000異7,101 ?108.
[21]Wang W L, Su J J, et al. Assessment of damage in mountain tunnels due to the Taiwan Chi~Chi earthquake [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2001, 16(3): 133 ?150.
[22]Eraud J. SNCF Policy in the Field of Inspection Maintenance and Renewal of Tunnel [J]. Travaux, 1984, 585:28?3&
[23]關寶樹.日本水工隧洞健全度的判定[J].隧道譯叢,1993(6):9-13.
[24]日本鐵道設施協會.日本鐵道土木造物維持管理標準•同解說(卜 > 才、兒).東京: 丸善株式會社出版事業部,2006.
[25]日本道路協會.道路卜> 維持管理便覽.東京:丸善株式會社出版事業部, 2000.
[26]吳成三.德國鐵路隧道的無損和無接觸的檢查方法[J].鐵道建筑,1993(3):13?15.
[27]馮曉燕.隧道病害分級和襯砌裂損整治技術研究[叨.北京：北方交通大學,2002.
[28]Friebel W~D, Krieger J. Quality assurance and assessing the state of road tunnels using non-destructive test methods [J]. Tunnel, 2002(10): 31?34.
[29]Russell H A, Gilmore J. Transit cooperative research program synthesis23-inspection policy and procedures for transit tunnels and underground structures. Washington D C: National Academy Press, 1997.
[30]Federal Highway Administration, Federal Transit Administration. Highway and rail transit tunnel inspection manual [J]. Washington D C, 2004.
[31]鐵道部工務局.鐵路工務技術手冊•隧道(修訂版).北京：中國鐵道出版社，1997.
[32]Akira H. Development of expert system in JNR [J].Japanese Railway Engineering, 1986, 26 (3): 16-20.
[33]Akira H. The railway tunnel diagnosis expert system [J], Journal of the Society of Instrument and Control Engineers, 198& 27(10):915?91.
[34]Hiroyuki K, Yoshio M, Akira H, et al. Development of expert system (TIMES-1) for tunnel inspection and diagnosis [J]. Quarterly Report of Railway Techincal Research Institute, 1989, 30(3):143?14&
[35]Mituhiro FUJII, Yujing JIANG, Y. Tanabashi. Database Development for Road Tunnel Maintenance and Management by Using Geographical information System: Tongji University [J]? Lst Joint Seminar Between Tongji University and Nagasaki University. Shanghai: University, 2004: 104?10&
[36]姜松湖，關寶樹.鐵路隧道病害(變異)診斷專家系統[幾隧道與地下工程，1992 (12) :44-55.
[37]朱經訓，李子成，孫慶翔.地市級公路數據庫管理系統的開發[J].交通與計算機， 1994, (5): 52- 5&
[38]黃章樹.公路隧道養護管理信息系統的設計與實現[J].電腦開發與應用，2002, 15 (6): 2- 3.
[39]羅鑫.公路隧道健康狀態診斷方法及系統的研究[D].上海：同濟大學,2007.
[40]王勇.運營公路隧道結構安全動態評估體系及評價方法研究[D].成都：西南交通 大學,2009.
[41]劉洋.廈門海底隧道健康監測與安全評估系統的研究[D].福州：華僑大學,2009.
[42]杜煥.鐵路隧道襯砌狀態檢測數據管理系統的研究與實現劉洋[D].北京：北京交 通大學,2010.
[43]李國榮，洪世勛，高憲章，等.國道隧道維護管理系的開發與應用[J]•隧道建設, 2014, 31 : 20-25.
[44]柯尉.BIM技術在地鐵車站工程中的應用初探[J].鐵道勘察與設計，2014, (2): 39-44.
[45]Fernando G. Banuelos Blanco, Haibo Chen. The Implementation of Building Information Modelling in the United Kingdom by the Transport Industry [A] // Arseni o Negro, Wemer Ballinger, ed. Proceedings of the World Tunnel Congress 2014[C]. Sao Paulo: Brazilian Tunneling Committee, 2014: 128.
[46]李多貴.BIM在地鐵工程的應用初探[J].工程質量,2013,31 (10): 52-54.
[47]B. Lindstrom, N. Outters. A case study of Virtual Design and Construction and BIM in theStockholm bypass, Europe's largest road tunnel project. [A]//Arsenio Negro, Wemer Ballinger, ed. Proceedings of the World Tunnel Congress 2014 [C]. Sao Paulo: Brazilian Tunneling Committee, 2014: 73.
[48]王慧琛，李炎鋒，趙雪鋒，等.BIM技術在地下建筑建造中的應用研究[J].中國科 技信息,2013, (15) : 72-73.
[49]于金勇，林敏.BIM技術在地鐵安裝工程中的應用[JJ. 土木建筑工程信息技術, 2013, 5(2), 86-91.
[50]沈亮峰.基于BIM技術的三維管線綜合設計在地鐵車站中的應用[J].工業建筑, 2013, 43 (6): 163-166.
[51]張祿.基于BIM技術的地鐵風水電安裝碰撞檢查[JJ.鐵道建筑技術，2014, (4): 93-95.
[52]劉卡丁，張永成，陳麗娟.基于BIM技術的地鐵車站管線綜合安裝碰撞分析研究 [J]. 土木工程與管理學報,2015, 32 (1) : 53-5&
[53]劉曉東，李春紅.開發建筑多專業三維協同設計系統的研究[J].科技情報開發與 經濟,2006, (19): 159-161.
[54]李坤.BIM技術在地鐵車站結構設計中的應用研究[J].鐵道工程學報，2015, (2): 103-10&
[55]李俊松，等.基于達索平臺的鐵路隧道工程全生命周期BIM技術應用探討[J].鐵 路技術創新,2014, (2) : 53-56.
[56]戴林發寶.隧道工程BIM應用現狀與存在問題綜述[J].鐵道標準設計,2015,(10): 99-113.
[57]John Laurent M.Sc., P.E. Use of 3D Scanning Technology for Automated Inspection of Tunnels[A]//Arsenio Negro, Wemer Ballinger, ed. Proceedings of the World Tunnel Congress 2014[C]. Sao Paulo: Brazilian Tunneling Committee, 2014: 119.
[58]王華夏.高速鐵路隧道襯砌裂縫圖像快速采集系統研究[D].四川：西南交通大學,
2010.
［59］ 陳麗娟.基于BIM的地鐵施工空間安全管理研究［叨.湖北：華中科技大學，2012.
［60］ 廖朝華，郭小紅.公路隧道設計手冊［M］.北京：人民交通出版社,2012.
［61］ 中華人民共和國行業標準.JTG D70-2004公路隧道設計規范［S］.北京：人民交通 出版社,2004.
［62］ 崔洪斌，方憶湘，張嘉飪，等.計算機輔助設計基礎及應用［M］.北京：清華大學出 版社,2006.
［63］ 劉喜平.基于AutoLISP的AutoCAD二次開發技術［J］.機械制造與自動化,2011, 4: 128-146.
［64］ 張藝晶，杜守軍，趙坤，張鵬飛.Revit軟件二次開發和項目上的應用研究［J］.河北 企業,2015, 11： 121-123.
相關標簽:
