地下工程空間結構圖二維化展繪的方法及應用

陳斌 劉著

中核工程咨詢有限公司 北京 100071

地下工程因其節約土地資源、具有較強隱蔽性等特點，在重要的工業、交通運輸、礦山、軍事等領域應用較為廣泛。但由于其建造費用高，且受地面荷載、地下水文、地質變化、地震等因素影響，其在使用一定時期后會呈現出一些普遍的病害現象，如裂隙、滲漏、潛蝕、結構移位、冒頂片幫等。因此及時的發現這些結構性病害、及時做出穩定性評價，并進行維修、保護、加固，對確保地下空間結構安全穩定顯得尤為重要。

以四川某地下硐室結構穩定性評價項目為例。評價對象已經運營近30多年，受常年地質水文及多次地震影響。運營單位發現該硐室兩側墻體、附屬結構墻體、拱頂、掌子面等存在多處結構病害，須對其進行穩定性評價。下文重點介紹進行穩定性評價的前提條件，即繪制一幅地下空間結構的依比例尺結構病害詳細平面圖。

1 結構病害底圖繪制過程及方法

繪制病害的底圖的過程：實測結構病害特征點、線→繪制結構空間三維圖→選擇展開軸線→坐標轉換→繪制展開二維平面圖。其中選擇恰當的參考展開軸線、坐標轉換是繪制展開二維平面圖的關鍵步驟，展開軸線選擇的恰當與否是直接影響最終平面圖的形式及附屬結構投影分離的程度，坐標轉換是結構立面通過轉換參數而直接轉換成平面的嚴密數學方法。

1.1 實地測繪結構病害特征部位

首先，在硐室口處建立三維控制網，獲得各控制點的坐標及高程值。然后，在硐室內部穩定部位埋設次級控制點，采用支導線的形式將硐室內外控制點進行聯測，獲得硐室內部次級控制點的坐標及高程值[1]。最后，采用免棱鏡全站儀將硐室建筑特征點及硐室墻體、拱頂、及附屬建筑物結構部位的病害特征點分類按序編號依次進行測量，例如1號裂縫特征點編號為1L01、1L02、……。該方法相比于激光掃描測繪數據量大幅減少、處理數據難度較低。

1.2 繪制結構空間三維圖

將硐室結構特征點、線的實際測量數據通過專用三維軟件繪制于圖上，并在硐室結構上的病害點依照外業記錄的類型和編號分類整理并依次標注于三維結構圖上。例如，本硐室結構局部三維病害標注后的結構圖如圖1。

圖1 某硐室局部三維結構病害圖

1.3 展開軸線的選擇

展開軸線一旦選定，展開后的平面圖形就唯一確定了。因此，展開軸線的選擇需遵循一定的規則，即：展開后有利于表示硐室全部結構面；附屬構筑物分離于主體結構物的數量較少；展開后的平面尺寸具有較高精度（1cm左右）；便于標注全部結構病害等[2]。綜合以上原則，最終確定選擇主硐室拱頂底面縱向中軸線為展開參考軸線，如圖2所示。

1.4 坐標轉換及繪制展開后二維平面圖

空間立面沿著選定的展開軸線展繪成平面圖，需要通過選擇一條公共參考線（展開軸線）的兩端點坐標值，建立起立面與平面坐標的4個轉換參數（2個平移參數、1個旋轉參數、1個縮放參數）。由于硐室側墻走向平行于硐室拱頂縱向中軸線，因此選擇該線作為公共參考軸線是有利的。

設定該參考線的走向與X軸平行，結合原坐標系（X0，Y0，H0）下的X0軸。計算出X軸與X0軸之間的夾角，對待展開對象進行沿著X軸旋轉相應角度，于是獲得展開軸線端點在兩個坐標系下的坐標值。將原側墻結構實測空間特征點的高程值H作為平面圖的Y軸建立二維平面坐標系。通過展開軸線兩端點在（X，Y，H0）和（X，H0）兩個坐標下的坐標值，求得二維坐標轉換參數，轉換側墻結構體及結構病害點的坐標[3]。其余附屬建構筑按照類似步驟一一進行轉換，獲得圖2所示的平面展開圖。

圖2 硐室局部展開后二維平面圖

2 應用領域

通過上述步驟，實現了復雜的地下結構物從：“空間三維→展開后二維”的變換過程。該方法能夠廣泛應用于對立面細部結構的研究，適用于建筑物墻面結構、地下空間結構、高大煙囪、水塔、大壩等的分析、研究。能夠為穩定性評價、結構病害分析提供一份精確的依比例結構立面投影圖。

3 結論

復雜結構物的立面投影圖展示及分析研究是長期困擾工程地質人員的一個難題，上述測繪方法較好的實現了立面圖二維化的問題。為評價人員提供了一個可供展示和進一步加工的基礎底圖，且比例精度較高，立面結構特征點在展開后平面圖上可讀、可量測、可編輯。