地下工程空间结构图二维化展绘的方法及应用

陈斌 刘著

中核工程咨询有限公司 北京 100071

地下工程因其节约土地资源、具有较强隐蔽性等特点，在重要的工业、交通运输、矿山、军事等领域应用较为广泛。但由于其建造费用高，且受地面荷载、地下水文、地质变化、地震等因素影响，其在使用一定时期后会呈现出一些普遍的病害现象，如裂隙、渗漏、潜蚀、结构移位、冒顶片帮等。因此及时的发现这些结构性病害、及时做出稳定性评价，并进行维修、保护、加固，对确保地下空间结构安全稳定显得尤为重要。

以四川某地下硐室结构稳定性评价项目为例。评价对象已经运营近30多年，受常年地质水文及多次地震影响。运营单位发现该硐室两侧墙体、附属结构墙体、拱顶、掌子面等存在多处结构病害，须对其进行稳定性评价。下文重点介绍进行稳定性评价的前提条件，即绘制一幅地下空间结构的依比例尺结构病害详细平面图。

1 结构病害底图绘制过程及方法

绘制病害的底图的过程：实测结构病害特征点、线→绘制结构空间三维图→选择展开轴线→坐标转换→绘制展开二维平面图。其中选择恰当的参考展开轴线、坐标转换是绘制展开二维平面图的关键步骤，展开轴线选择的恰当与否是直接影响最终平面图的形式及附属结构投影分离的程度，坐标转换是结构立面通过转换参数而直接转换成平面的严密数学方法。

1.1 实地测绘结构病害特征部位

首先，在硐室口处建立三维控制网，获得各控制点的坐标及高程值。然后，在硐室内部稳定部位埋设次级控制点，采用支导线的形式将硐室内外控制点进行联测，获得硐室内部次级控制点的坐标及高程值[1]。最后，采用免棱镜全站仪将硐室建筑特征点及硐室墙体、拱顶、及附属建筑物结构部位的病害特征点分类按序编号依次进行测量，例如1号裂缝特征点编号为1L01、1L02、……。该方法相比于激光扫描测绘数据量大幅减少、处理数据难度较低。

1.2 绘制结构空间三维图

将硐室结构特征点、线的实际测量数据通过专用三维软件绘制于图上，并在硐室结构上的病害点依照外业记录的类型和编号分类整理并依次标注于三维结构图上。例如，本硐室结构局部三维病害标注后的结构图如图1。

图1 某硐室局部三维结构病害图

1.3 展开轴线的选择

展开轴线一旦选定，展开后的平面图形就唯一确定了。因此，展开轴线的选择需遵循一定的规则，即：展开后有利于表示硐室全部结构面；附属构筑物分离于主体结构物的数量较少；展开后的平面尺寸具有较高精度（1cm左右）；便于标注全部结构病害等[2]。综合以上原则，最终确定选择主硐室拱顶底面纵向中轴线为展开参考轴线，如图2所示。

1.4 坐标转换及绘制展开后二维平面图

空间立面沿着选定的展开轴线展绘成平面图，需要通过选择一条公共参考线（展开轴线）的两端点坐标值，建立起立面与平面坐标的4个转换参数（2个平移参数、1个旋转参数、1个缩放参数）。由于硐室侧墙走向平行于硐室拱顶纵向中轴线，因此选择该线作为公共参考轴线是有利的。

设定该参考线的走向与X轴平行，结合原坐标系（X0，Y0，H0）下的X0轴。计算出X轴与X0轴之间的夹角，对待展开对象进行沿着X轴旋转相应角度，于是获得展开轴线端点在两个坐标系下的坐标值。将原侧墙结构实测空间特征点的高程值H作为平面图的Y轴建立二维平面坐标系。通过展开轴线两端点在（X，Y，H0）和（X，H0）两个坐标下的坐标值，求得二维坐标转换参数，转换侧墙结构体及结构病害点的坐标[3]。其余附属建构筑按照类似步骤一一进行转换，获得图2所示的平面展开图。

图2 硐室局部展开后二维平面图

2 应用领域

通过上述步骤，实现了复杂的地下结构物从：“空间三维→展开后二维”的变换过程。该方法能够广泛应用于对立面细部结构的研究，适用于建筑物墙面结构、地下空间结构、高大烟囱、水塔、大坝等的分析、研究。能够为稳定性评价、结构病害分析提供一份精确的依比例结构立面投影图。

3 结论

复杂结构物的立面投影图展示及分析研究是长期困扰工程地质人员的一个难题，上述测绘方法较好的实现了立面图二维化的问题。为评价人员提供了一个可供展示和进一步加工的基础底图，且比例精度较高，立面结构特征点在展开后平面图上可读、可量测、可编辑。