AutoCAD技术在编制和分析隧洞地质展示图中的应用

AutoCAD技术在编制和分析隧洞地质展示图中的应用陈志坚李筱艳(河海大学土木学院南京210098)摘要：针对隧洞地质展示图的重要性及其手工作图所存在的缺陷，本文介绍了AutoCAD在地质展示图中的应用，着重阐述了原始资料的录入、图幅翻转、图形编辑和结构面出露线的理论校核以及应用AutoCAD内嵌语言Autolisp实现隧洞横剖面图和高程平切面图的自动生成技术。该程序已成功地应用于小浪底导流洞展示图的编制和洞室区岩体结构与稳定空间分析。关键词：隧洞地质展示图AutoCADAutolisp图幅翻转自动生成隧洞施工地质编录图客观地反映了开挖面地层分布和断层等结构面的出露迹线、产状和物质组成等，但有其局限性，主要表现在它不能直观、系统、全面地反映空间信息（如断层在空间的展布规律，节理裂隙的空间组合等）。而在洞群区根据先期开挖洞室的编录资料分析后期开挖洞室的地质条件并指导洞室开挖设计具有实际的意义。另外对图件的拼接、修正和转换困难，而大型水工隧洞往往分断面开挖并及时进行支护，所以隧洞施工地质编录图往往需多次拼接，尤其是先期开挖的上导洞缺乏地质编录资料时，以洞顶为中心的展示图，其穿过洞顶的结构面迹线被分割为不连续的两段。为了使地质编录图连续完整，往往需将原始的以洞顶为中心的地质编录图转换为以洞底为中心的展示图。显然，手工制图欲实现这种转换是困难的，而在计算机上利用图形软件却很容易实现。此外，原始图件上存在的不规范符号和标注，借助计算机修改也很方便。随着计算机技术的发展和应用的日益推广，有许多图形软件可以弥补这些不足。AutoCAD作为一种功能强大的图形软件，在工程建设领域正以其使用、接口、开发方便而被广泛使用。本文阐述AutoCAD及其内嵌语言Autolisp在隧洞施工地质展示图编制中的应用。1展示图的编制1.1图形输入矢量图的输入一般宜采用数字化仪，其优点在于可进行分层输入，输入后的失量文件可直接进行编辑，但手工操作的输入过程较麻烦。矢量图也可以用扫描仪快速输入，形成栅格文件，再用专门的图象处理软件进行栅—矢转换，但目前栅—矢转换技术还不十分成熟，且转换过程中精度损失较多，输入和转换过程都不能进行分层，后期编辑工作较烦琐。故仅在有大量资料需输入时采用。若采用数字化仪输入，AutoCAD本身有方便的数字化接口。设置好数字化仪后，鼠标被数字化仪拾取器代替，先规定图形界限（LIMITS）：左下角和右上角坐标，即可开始图形输入（PLINE可同时设置线条的线型、宽度和颜色）。根据地质图图例标准，地质界线的设置如表所示。输入时将不同属性的图形存放在不同的层，如图框（lay0）、地层（stratum）、断层（fault）、节理裂隙（joint）、地下水（gwater）等，则会给后期的编辑和分析工作带来很大方便。结构面类型线条设置断层地层界线岩组界线节理裂隙地下水分布线型CONTINUOUSDOTCONTINUOUSCONTINUOUSDASHDOT2线宽（mm）0．60．40．20．0（默认）0．3颜色REDBLACKBLACKBLACKBLUE表1结构面线条设置1.2图幅的翻转若欲将以洞顶为中心的原始图件转换为以洞底为中心的展开图，可由对称性原理，以原编录图的洞顶中心线为界，将原始图件分成左半侧和右半侧两部分，分别以两侧的腰线为轴作上、下两部分边墙的镜像对称（MIRROR）。如果原始施工地质编录图精度较高，则中心线重合且所有的同一结构面迹线对接。但由于手工绘图的误差，往往需重新画出合理的展示图中心线并连接同一结构面的迹线（PEDIT）。由于图形是分层输入的，在作MIRROR时必须首先确认要翻转的图层是否切实处于可编辑状态。同样，可以将不要翻转的图框层冻结（FREEZE）。1.3图形编辑由于用PLINE输入的是由折线段组成的多义线，它不仅看起来粗糙而且不符合实际的出露迹线形状，所以须用AutoCAD的多义线编辑功能（PEDIT）进行光滑处理。对地质编录或手工输入形成的节理裂隙、地层界线、断层线之间的交切关系进行校核。编辑时可充分应用分层输入和存放的优越性，用层控制（LAYERCONTROL）进行逐层编辑，将未被正在编辑的层置于冻结（FREEZE）状态，使其可以显示作为参照，但不能进行修改。1.4理论迹线模型及其校核结构面与洞室的空间关系有三种模型：⑴结构面走向与洞轴线垂直时，结构面出露迹线在洞壁展示图上与洞轴线垂直，迹线长为在圆形洞室断面上出露的弧段的长度，若结构面切穿洞室，则其长为洞室的周长。⑵结构面走向与洞轴线平行时，结构面出露迹线在洞壁展示图上与洞轴线平行，迹线长为其实际长度。⑶结构面走向与洞轴线既不垂直也不平行时，结构面出露迹线在洞壁空间上为椭圆，在展示图上为一个周期的正弦或余弦曲线。显然⑴和⑵是⑶的特例，可把⑶作为普遍适应的结构面出露迹线。实际上，许多结构面（如节理）的延伸长度较短，很少切穿整个洞室，其出露迹线在展示图上不完整。对于连续分布的断层和地层，研究其出露迹线形态有重要意义。由于在洞室开挖过程中难免有超、欠挖现象，手工描绘时也存在误差。因此，需要利用Autolisp编制绘制结构面理论迹线的程序，用以评价超、欠挖的程度和校核结构面出露迹线的绘图误差。1.5开挖断面与展开方式示意图开挖的施工工艺是决定施工质量的主要因素。因此，开挖断面分区图也是重要组成部分，如图1左侧所示的1、2、3、4表示施工顺序。两弧段表示洞室横剖面上两次开挖底面在展示图的对应展开位置。2空间分析2.1展示图中存在的问题⑴用AutoCAD编制的展示图中包括了各种现场实测资料和统计资料，这些资料可以为设计和施工部门提供依据，并指导后期开挖。但在应用过程中，不能具体直观地知道各种结构面的空间展布情况、结构面与洞室的空间交切关系。工程中常用的空间分析方法是切制地质剖面图。应用AutoCAD编制的Autolisp程序可以根据展示图自动地切制任意方向的地质剖面图和某高程的平切面图，并据此分析洞室区结构面的空间信息。⑵自然界中的结构面都不可能是绝对平直的，其在空间的展布情况很难用产状和洞壁出露迹线来明确表示。为此，在一个洞室群的几个洞室之间需建立一个统一的三维坐标空间，切制统一的剖面。分析这个统一剖面上结构面的展布，可校核近似的产状表示和手工描图所引起的误差。2.2横剖面图的自动生成展示图中完整的结构面出露迹线应是一个周期的正弦或余弦曲线，在任意桩号处切一剖面，在展示图上为一条直线，它与结构面至少有两个交点。但许多结构面与剖面都出现一个交点的情况。原因有以下几种：⑴先期开挖的上中导洞编录资料缺失，而且结构面走向和洞轴线斜交；⑵节理或小断层延伸较短，只表现为正弦或余弦曲线的一部分；⑶地层受断层错动，成为不连续的面。对于交点分别为一个和两个的情况，应在程序中判断后分别进行计算。取洞室中轴线与洞口断面的交点为原点，沿洞轴线指向洞内为X轴的正方向，以原点向左边墙中心线的垂向为Y轴正方向，垂直XOY面向上为Z轴正方向。展开方式为从洞顶剖开，以洞底为中心展开。当交点为一个时，须输入结构面的产状和结构面倾向与洞轴线的交角，由式⑴所给真倾角和视倾角的换算关系，求出当结构面倾向与洞轴线有交角（γ）时，结构面在洞轴线方向的视倾角。tanβ=tanα.tanγ⑴式中：α、β分别为结构面的真倾角和视倾角；γ为结构面的倾向与洞轴线的交角。据此，可直接按结构面的视倾角在剖面圆上画出结构面在剖面上的投影线。当交点为两个时，可直接由两点在展示图上的坐标求出其在剖面圆（隧洞为圆形洞室时，横剖面与洞室的交线为圆）上的弧坐标。首先，将隧洞展示图上结构面与剖面线相交的各点按⑵、⑶和⑷式向剖面圆上转化。`Xi=Xi’⑵Yi=Rsin（Yi’/R）⑶Zi=-Rcos（Yi’/R）⑷式中Xi、Yi、Zi为结构面与剖面圆相交的点的坐标；Xi’、Yi’为展示图上剖面线与结构面交点的坐标。然后，根据象限位置求出其弧坐标。在两点连线方向上分别向圆外画线，即为结构面在横剖面上的迹线。程序中可设置与图形输入时一样的线型、线宽和颜色来区别结构面类型。2.3高程平切面图的自动生成实际的洞轴线往往具有一定的坡度。穿过洞室的某一高程平切面与洞室的交线为椭圆。其长半轴A=R/sin，短半轴B=R，式中R为洞室半径，为洞室坡度。这样的椭圆在展开图上为一条余弦曲线，其迹线可在展示图上画出。在高程平切面图上，各结构面的延伸方向为其走向的方向。与切制剖面图类似，结构面与这条迹线相交时可有一个或两个交点。用类似的方法可分别在高程平切面图上画出结构面的迹线。剖面图和高程平面图自动生成的程序流程如图2所示。程序用AutoCAD内嵌的Autolisp语言编制，由主程序可循环调用多个子程序。程序有很好的用户界面，能随时提示用户输入数据和信息，程序自动完成计算和转换，并调用AutoCAD命令完成绘制剖面图。3结论由于原始的洞室施工地质编录图是由地质工程师手工描绘的，洞室开挖过程中不可避免的超、欠挖不能在展示图上得到反映。所以难免存在手绘迹线与实际出露线之间的误差，这些误差的存在使地质编录图很难客观反映结构面在空间的实际展布，给使用人员带来困难。应用Autolisp程序可验证和校核原始资料，使地质编录图更客观、更适用。图2剖面图和高程平切面图自动生成程序流程在工程实际中，为了保证洞室开挖期间的安全稳定性，大断面洞室的开挖往往需先开挖导洞或分断面开挖，洞群区的不同洞室开挖也有先有后。因此，利用先期开挖洞室的施工编录资料所建立的洞室区岩体信息系统，不仅可作为竣工验收资料，而且可对洞室区的结构面空间展布、围岩稳定等进行系统分析。给设计和施工单位提供依据，指导隧洞后期开挖工作，减少隧洞开挖的盲目性。同时也可为洞室运行期间的安全监测提供更全面、更直观的原始地质资料和空间模型。用AutoCAD编制洞室地质展示图并切制地质横剖面图和平切面图是建立岩体空间信息系统的基础。参考文献：1深入剖析Autolisp，陈文贤等编著，学苑出版社，1994年2构造地质学，徐开礼等编著，地质出版社，1984年本文系E-mail投稿，收稿日期1999年8月25日