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运营公路隧道土建结构定期检查病害信息 管理系统研究
发布时间：2022-12-25 11:21
目录
第1章引言 1
1.1研究的背景和意义 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究的目的和意义 3
1.2国内外研究现状 3
1.2.1运营隧道土建结构病害检测及技术状况评定 3
1.2.2运营隧道土建结构病害信息管理系统开发现状 4
1.2.3 BIM技术在地下工程的应用 6
1.2.4新的检测技术的发展 7
1.3主要研究内容 10
1.4研究方法和技术路线图 10
1.4.1研究方法 10
1.4.2技术路线图 11
第2章运营公路隧道土建结构定期检查技术及要求 12
2」隧道基础资料收集 12
2.2隧道病害检测技术 12
2.2.1病害种类及特征 12
2.2.2检测方法及要求 17
2.2.3病害结果记录 19
2.3隧道病害数据的管理 21
2.4隧道病害技术状况评定 21
2.4.1评定方法 21
2.4.2评定标准 23
2.5隧道维修养护意见 23
2.6本章小结 25
第3章BIM技术在运营隧道衬砌病害检测结果三维可视化中的应用 26
3.1隧道衬砌病害三维可视化实现的技术思路 26
3.2隧道结构组成与特征分析 26
3.2.1公路隧道标准断面轮廓 27
3.2.2公路隧道紧急停车带断面轮廓 29
3.2.3公路隧道的线形 30
3.2.4车行及人行横通道 31
3.3隧道结构病害位置信息的提取及比例换算 32
3.3.1特征点位置的提取 32
3.3.2位置信息的转换 33
3.4平面坐标向空间坐标的转化 33
3.4.1公路隧道两车道的坐标转化 34
3.4.2公路隧道三车道的坐标转化 36
3.4.3公路隧道紧急停车带的坐标转化 38
3.4.4曲线隧道的坐标转化 38
3.4.5车行及人行横通道区段的坐标转化方法 39
3.5 Revit的二次开发 40
3.6隧道衬砌病害的三维可视化 41
3.7本章小结 43
第4章隧道定期检查病害信息管理系统的开发 44
4」系统开发目的 44
4.2系统开发环境 44
4.3数据库系统设计 44
4.3.1数控库设计概述 44
4.3.2系统的需求分析 45
4.3.3系统流程图设计 46
4.3.4系统的概念设计 47
4.3.5系统的逻辑设计 49
4.3.6系统的物理设计 51
4.4系统的主要功能 51
4.5本章小结 55
第5章 工程实例应用 56
5.1隧道概况 56
5.1.1隧道设计信息 56
5.1.2隧道地质信息 56
5.1.3隧道结构信息 56
5.2隧道病害信息的管理 58
5.2.1病害的录入 58
5.2.2病害的三维展示 59
5.3隧道技术状况的评价 62
5.4隧道维修养护建议 62
5.5本章小结 64
结论 65
致谢 66
参考文献 67
攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目 72
附录A公路隧道定期检查记录表和技术状况评定标准 73
附录B Rev it开发程序 79
附录C XX隧道病害展布图 86
C.1左线病害展布图 86
C.2右线病害展布图 88
第1章引言
1.1研究的背景和意义
1.1.1研究背景
我国幅员辽阔，地理位置优越，却地形复杂，其中近75%的国土面积都是山地和 重丘，为缩短行车里程，提高交通效率，保护自然环境，节约土地，在山区中修路越 来越多的选择隧道方案⑴。近些年我国经济的高速发展，对我国的交通运输提出更高的 需求，促使我国交通基础设施的高速发展，使得我国公路隧道数量激增，规模也越来 越大。我国公路隧道发展历程见表
表11我国公路隧道发展历程表
20世纪 20世纪 20世纪 21世纪初 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
从表1-1可以看到，我国公路隧道自2000年后发展速度迅猛，从2000-2008年, 隧道规模翻了三倍，从2008年〜2012年，又翻了一倍。截止到2013年底，全国公路隧 道共计11359座，总长960.56万米，比2012年增加1337座、155.29万米，其中特长 隧道562座、250.69万米，长隧道2303座、393.62万米。我国公路隧道的快速发展， 不仅仅是隧道数量增加，隧道的长度、修建难度也屡屡刷新，如我国最长的公路隧道 终南山隧道长1&02 km,位列亚洲第一。公路隧道线形的设计更从以往单一的直线形 发展到曲线形，甚至螺旋线形，修建隧道的难度不断加大〔％总之，我国已成为世界上 隧道数量最多、发展最快的国家，同时我国也处于隧道工程建设高速发展的时期。
然而由于国内隧道地质情况复杂，加上施工、设计、后期养护维修等多方面原因， 随着运营隧道的不断使用，逐渐出现一些病害，引起隧道衬砌、路面、洞门以及附属 结构破坏或故障，影响隧道的正常使用⑶。
据原铁道部资料统计，1999年铁路运营隧道失格率为65.2%, 2000年铁路隧道失 格率为65.7%, 2005年铁路隧道失格率为60%-其中部分隧道损坏严重，已严重影响 行车安全，如2000年9月兴安岭隧道发生了衬砌掉块的现象，2001年10月达成铁路 沿线隧道出现大范围的掉块，险些造成交通事故[19~20]o
我国公路隧道相较于铁路隧道，隧道断面大，结构形式多变，地质情况复杂，施 工方法落后，设计理论不够成熟，使得我国公路隧道病害也很严重，已经成为制约我 国隧道工程发展的重要因素⑷。截至2011年底，重庆市高速公路投入使用的187座隧 道，约1/3左右的隧道出现渗漏水病害，对于长度超过1000 m以上的长、特长隧道, 60.4%的隧道岀现渗漏水病害⑸；贵州省崇尊高速、清镇高速、镇胜高速等46座隧道 存在不同长度的渗漏水，90%以上的的渗漏形式为线渗漏回。
隧道病害具有普遍性，不仅仅是我国，世界上其他国家的隧道都受到隧道病害的 困扰。1986年日本对北海道302座公路隧道进行调查，其中46.7%的隧道出现衬砌开 裂、渗漏水及冰冻的病害现象⑺。1990年，日本对全国运营的4307座隧道全部进行了 调查，其中最常见的病害的衬砌开裂，60%的隧道存在渗漏水病害，其他类型的病害 占24%[2】。在欧美由于隧道运营时间较长，受冻害、盐害、施工等多方面的因素的影 响,许多隧道都出现了不同程度的病害叫叫在我国台湾地区，1999年中部发生Chi-Chi 地震后的调查显示，57座山岭隧道中有49座存在衬砌开裂及渗水、混凝土剥落、衬砌 错台、洞门破损等病害
隧道病害严重影响隧道结构安全，为了保证隧道的安全运营和结构的长期稳定， 延长隧道使用寿命，需要对隧道进行结构检查，隧道管理者基于隧道结构检查资料， 科学评价隧道结构的健康状态，制定有效的整治措施。由此可见，隧道检查资料作为 隧道维修养护的重要依据，其数据保存的极为重要，但是我国现行的隧道检查资料， 大都是利用纸质保存，数量巨大，容易遗失且可读性差，查阅困难，管养效率低下。
随着信息技术在我国基础建设的推广和应用，为了提高隧道管养效率，我国部分 省份，逐渐开发了隧道管养系统，实现隧道的信息化管理，但是这些管理系统存在两 方面问题：一方面，现行的隧道管理系统，功能不完善，对隧道安全的评定方法与规 范的评定方法有所出入；另一反面，现有的隧道管理系统，对隧道的病害展示，仍停 留在CAD二维展示，失真较为严重，不利于隧道安全状况的评定。
综上所述，近年来我国公路隧道的规模不断扩大，隧道病害也日益凸显，给隧道 养护带来了极大的不便，为了提高隧道养护效率，实现隧道病害的三维展示和信息化 管理，更好的对隧道进行安全评定，科学的制定隧道维修养护意见，亟需开发一套隧 道病害信息管理系统。
1.1.2研究的目的和意义
目前我国隧道养护管理工作，信息化程度不高，仅部分省份拥有隧道的信息化管 理系统，而且这些隧道管养系统，存在系统功能不完善，对隧道病害展示效果差等问 题，此外这些管理系统，对隧道安全状况的评价方法与现行的规范有一定出入，需进 一步研究。
本文基于BIM技术对运营公路隧道土建结构定期检查病害信息管理系统进行了研 究，以解决隧道衬砌病害的三维可视化的问题，并对隧道的病害信息实现存储和管理， 然后进行土建结构定性和定量相结合技术状况评定，最终制定出隧道的维修养护意见。 本系统能够真实的还原的隧道病害的分布，更准确的对隧道安全状态进行评定，科学 的制定维修养护意见，提高了隧道养护的效率，具有很大的实用价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1运营隧道土建结构病害检测及技术状况评定
法国国营铁路公司早在1980年就制订了铁路隧道养护标准，其中包括铁路隧道的 检测方法、安全状况的评价、保养维修方法和病害处治方案。该隧道养护标准给岀对 铁路隧道进行定性判定的评定方法[功。
日本自上个世纪70年开始使用健全度的概念来判定隧道的“健全程度” [23】。日本 根据1979年和1986年两次铁路隧道的检查结果，制订了《铁道土木构造物等维持管 理标准》[24],其中包括日本铁路隧道的病害检查方法、病害原因的推定、安全度的判 定和隧道病害处治建议。结构检查分为总体检查和个别检查，不同检查方式有不同的 判定方法。在总体检查中，通过定性的判定方法，根据各个构件中最危险的构件来判 定隧道的安全度；在个体检查中，既有定量的判定方法，也有定性的判定方法。对于 日本的公路，《公路隧道维持管理便览》中提供了公路隧道检测方法、隧道等级划分标 准、病害评定方法和隧道整治方法〔如。
德国铁路隧道养护规范的规定，铁路隧道每隔三年必须由政府专家组织一次检查， 对运营不超过25年的隧道检查周期可以是六年。为了更好的对隧道进行检查，政府部 分专门配备的隧道检查车，可以在检查车上对隧道衬砌结构进行检查。检测的方式是 把病害记录在专用的病害记录表上，并由检测人员通过损坏数码1、2、3进行评定， 然后通过定量的方法评价隧道的健康状态，并给出相关的维修的施工方案卩6^®
德国公路署则推行了无损检测方法，并制定了《无损伤检测隧道内壳的规范》。该 规范提供了无损伤隧道检查方法、以及病害的判定标准，但该规范只提供了定性的评 价方法，没有提供定量的评价方法SI。
美国的《铁路交通隧道和地下建筑物检查方法和程序》【29］,调查了北美、欧洲和 亚洲近50家铁路运营单位隧道检测方法，但是这些检测方法没有提供检测结果的判定 方法，仅部分提供了定性的判定方法。而美国政府制定的公路和铁路隧道检测手册卩°】， 不仅提出了隧道检査的技术要求，而且提供对病害的定量或定性的评定方法。
根据我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准一隧道》［31］,使用劣化度对隧道的安全 状态进行判定，但是该方法的只给出了定性的评价方法。
我国于2003年发布的《公路隧道养护规范》中将公路隧道健康状态分为3类，对 于健康状况的的判定方法，规范也只给出了定性的评价方法。在我国2015年新发布的 《公路隧道养护技术规范》(JTGH12-2015)中，将隧道的安全状态分为0到4五类。 采用定性和定量结合的方法，通过逐段逐洞隧道土建结构各分项技术状况值进行评定, 在此基础上确定各分项技术状况，最后进行土建结构技术状况评定。
综上所述，世界各国对于隧道安全的状况评价方法比较丰富、种类较多，但对隧 道安全状况评定方法大都是定性的评价方法。我国公路隧道评定，先从国外引进的检 查方法，到2003年规范发布对隧道健康状况进行定性的判定，再到2015年新规范， 实现了对隧道健康状况的进行定性和定量相结合的的判定，这种判定方法更为成熟， 减少了人为的因素，使得判定结果更加可靠。
1.2.2运营隧道土建结构病害信息管理系统开发现状
随着工程界对地下工程数字化系统的迫切需要和学术界对此的日益重视，地下工 程数字化研究已成为当前一些学者研究的热点。
日本国铁于1986年最早开发了专家系统(TIMES-1)用以推定病害原因，并在日 本铁路上得到推广应用，取得了良好的的经济效益。TIMES-1是由主机和终端组成， 主机的作用是依据从终端传输的检测数据推定病害原因，并返回到终端，终端的主要 功能是输入检测数据，并对病害进行健全度评定，并且保存这些数据。TIMES-1的最 大的特点是根据隧道的病害特征、隧道运营环境和隧道的设计资料，推断隧道病害的 主要原因［32~34］。
2001年，美国一家公司为美国政府部门开发了 TMS系统，用以隧道的养护管理工 作，其主要功能是收集隧道设计资料、病害图像资料、文本资料和维修养护情况，进 而可以通过数据的比较，判断隧道病害的发展情况。此外，TMS软件还可以根据隧道 病害的情况，通过定性的方法评定出隧道的安全等级。
2004年，长崎大学的研究人员依据日本公路隧道维修养护规范，开了公路隧道病 害管养系统［均。其功能包括：(1)把现场检测的数据远程传输到系统内；(2)技术人 员可以通过网络远程登录该系统，并且查阅检测数据，然后在系统上给出评价建议；(3) 隧道管理人员可以随时查询隧道的病害信息和安全状况，了解隧道动态，及时与相关 部分沟通；(4)根据隧道的病害现状，对隧道病害发展进行预测，并对隧道安全进行 预警，并给出隧道处治建议。
在我国，关宝树于1990年最早开发了 TDD系统〔殉。主要的功能包括：(1)根据 隧道病害特征、运营环境和设计资料，推定病害成因；(2)根据隧道病害的发展趋势 以及各构件的严重程度提示详细检查项目；(3)根据隧道的病害情况判定隧道的健全 度；(4)根据隧道的安全状况，制定隧道的整治措施。
1994年，陕西交通厅根据我国公路管理的现状及特点，开发了“地市级公路数据 库管理系统”。该系统功能特点为：国内首次引入GIS技术，可以提供病害图、表的输 出，并且进行病害的查询〔"I。
福建省交通科学技术研究所联合多家科研单位于2002年联合开发出隧道管理系统 【珂。该隧道管理系统的主要功能有：(1)依据《公路养护规范》，使用现代化的管理方 法对隧道进行信息化管理，包括隧道的基本信息、病害数据、养护建议等；(2)对隧 道的各种信息进行查阅，并且能够生成检查报告。
2007年罗鑫在总结前人研究的基础上，通过全面深入的研究隧道健康诊断方法， 用层次分析法建立了一套公路隧道健康状态的定量化诊断方法，并以微软Visual Studio.Net 2003为平台开发了公路隧道健康状态诊断系统。
2009年王勇提出决定隧道结构安全的9个评估指标，然后通过专家调查确定指标 权重，采用模糊理论构建了评价模型，最后开发了动态评价系统［40］o
2009年刘洋将三角模糊的概念运用到传统的层次分析法，研究了模糊评判矩阵的 排序方法，通过专家打分法确定指标权重，结合健康检测系统的数据采集，对隧道的 安全状况进行评估，预测隧道未来运营状况⑷】。
2010年杜焕用层次分析法建立了铁路隧道衬砌评价系统，得到15种隧道病害的权 重，基于此理论，开发了铁路隧道衬砌状态检测数据管理系统，经过实际工程测试， 本系统满足了检测部分的需求［竝】。
2014年台湾国道高速公路局委托中兴工程顾问社，开发了一套符合隧道全生命周 期思维的“国道隧道维护管理系统”。该系统的是面向协助管理单位的，包括四个子系 统，各子系统功能如下［切；
（1）安检数据记录子系统：对隧道现场检测工作进行记录，并将数据进行整理、 统计，然后以表格形式输出维修建议；（2）维护管理数据建制子系统：对隧道维护管 理数据进行管理，包括新增和编辑功能；（3）隧道数据管控子系统：建立检测项目， 安检项目建立，输入检测数据；（4）维护管理数据查询子系统：查询并下载检测数据， 并且进行统计分析。
综合国内外相关成果的研究现状，对于隧道健康状况的评定，大部分只给出了隧 道病害判定标准，并且对隧道的安全状况进行定性的评价方法，没有给出隧道安全状 态的定量评价方法，部分给出隧道安全状况评价方法的隧道管理系统，各方面指标与 最新规范有所出入，需要进一步确定；对隧道病害的展示仍然停留在在平面展示的层 面，阅读性较差，具有一定的失真，不能真实的反映病害在隧道中的分布情况。
1.2.3 BIM技术在地下工程的应用
建筑信息模型是Building Information Modeling的缩写,简称BIM。它起源于美国， 创新性的将信息化技术应用在建筑业，代表了先进的生产技术，其功能涵盖了项目的 全生命周期，包括设计、施工和运营等阶段，为各个专业的设计人员提供了协同合作 的平台，通过碰撞检查减少失误，为施工人员和业主提供了交流和浏览的平台，缩短 了工期，节约了生产成本，提高了工程质量。
统计表明，2009年美国建筑业300强企业中80%以上应用了 BIM技术。在日本， BIM应用已扩展到全国范围，并上升到政府推进的层面；新加坡政府相关部门积极推 广BIM技术，到2015年面积大约0.5万n?的建筑使用BIM技术建模；英国和韩国都 政府宣布，到2016年后公共项目不论大小，使用BIM将成为强制性法令图^役
西方发达国家的城市建设已经度过建设期，进入了运营维护阶段，地铁也是如此， 因此BIM的应用在地铁方面的应用主要体现运营维护阶段。例如，伦敦地铁应用BIM 技术对维多利亚站进行改造，涉及车站设计和施工管理阶段，耗资高达7亿英镑；加 拿大在多伦多使用BIM技术对地铁进行扩建改造；美国洛杉矶斥资51亿美元对既有 地铁进行延长，新增7个地铁站，延长线路9英里，要求全部使用BIM技术〔佝；瑞典 的斯德哥尔摩城市，修建连通北部和南部地区的公路，途中有一条21 km的隧道，隧 道有三处穿越梅拉伦湖底，隧道全部采用BIM技术对进行了设计和虚拟施工，大大提 高了效率【47］。
我国地下工程对BIM技术的应用，主要集中在地铁方面。应用最多的是我国香港， 已有20多座地铁建立了 BIM模型，占总数的四分之一，部分车站甚至实现了深层次 应用，如采光、烟雾、人流、能耗等，取得了很好的经济效益［创；南京地铁10号线的 城西路站、上海轨道交通11号线石龙路站、天津地铁红旗南路站、大连地铁1号线春 光街站和深圳地铁9号线人民南站，在管线综合设计中使用BIM技术，很好的解决了 管线之间的碰撞问题昭~5叫中铁隆设计院在进行西安地铁设计过程中，通过碰撞检查， 发现500多处错误，及时对模型进行了修改，有效的提高了工程质量〔河。
不仅仅是地铁建设，我国将BIM技术应用到隧道建设中。如中铁二院使用了 BIM 中的达索软件探索了铁路隧道的设计，包括设计、施工和运营三个阶段，建立了隧道 三维可视化模型，进行信息化建模［旳；中铁四院采用欧特克软件对铁路隧道的设计进 行探索，提出了山岭隧道的BIM设计技术路线，并对福平铁路新鼓山隧道进行了实际 工程应用，对该隧道采用BIM技术全线进行设计［旳。
由上述可以看到，近年来国内地铁地铁对BIM技术的使用越来越多，但主要停留 在设计和施工阶段。相比于地铁车站BIM技术的日益推广，隧道工程仍停留在二维设 计阶段，信息化水平低，是一种离散的资源管理模式，与BIM技术所代表的创新型生 成方式相差甚远［旳。隧道工程不同于民用建筑，隧道呈线状分布，与民用建筑的片状 分布不同，而且隧道工程的构成也与民用建筑不同，这些导致常规的BIM软件对隧道 项目的不适用。因此，我国对于BIM技术在隧道工程的应用，还处于探索阶段。
1.2.4新的检测技术的发展
随着技术发展，新技术应用逐渐推广到隧道检测方面，无损检测技术越来越得到 重视。无损检测技术具有效率高、精度高等特点，随着各国对无损检测技术的研究， 无损检测将逐渐替代传统的检测方法。
早在2003年，日本京都大学的Toshihiro Asakura等人就研究了铁路隧道衬砌检测 车，在检测车上安装了激光仪和线阵相机，通过这些设备进行扫描来采集隧道衬砌图
像［斶，后来该方法应用到公路隧道检测方面。我国在国内一些隧道已经进行了应用试
验，如图1-1所示，检测效果如图1-2所示。 道激光扫描系统（LTSS）,该系统利用激光扫描获得高分辨率的三维轮廓，在基础设施 中速度可达到100km^[57]oLTSS对公路和铁路隧道都有很好的适用性，如图1-3所示。 其检测每次只能检测隧道半幅，提高了精度，如图1-4所示。此外，LTSS可以自动处 理图像，识别隧道中的渗水和缺损等病害，并给出相应的检测报告。
图1-3 LTSS安装在公路和铁路检测车上
图1-4 LTSS扫描示意图
总体来说，无损检测技术能够快速、高效、准确的得到病害数据，极大的推进了 隧道检测水平的发展。但是如何体现这些检测数据就成了问题所在，如果仍是用平面 图来展示，会使得检测的效果大打折扣。将BIM技术与无损检测技术相结合，通过无 损检测得到病害数据，然后利用BIM技术实现病害三维可视化，将病害的分布在BIM 模型中“真实”的还原出来，会大大提高检测效率，这将成为检测技术未来的发展趋势。
1.3主要研究内容
文本基于BIM技术研发一套针对运用公路隧道土建结构定期检查病害信息管理系 统，旨在实现隧道快速、准确的检测，并且能够对隧道病害的统计分析、三维可视化 等功能，同时实现对隧道土建结构技术状况评定、给出相应的加固措施建议，提高隧 道养护管理工作效率。主要研究内容如下：
(1)总结我国目前运营公路隧道土建结构定期检测的技术要求：检查前的准备工 作、检查过程中的技术要求、检查完毕后对隧道土建结构的技术状况评定以及科学的 制定维修养护意见。
(2)对BIM技术在运营公路隧道衬砌结构病害中的应用展开研究，通过对运营 公路隧道的断面进行研究，借助AutoCAD和Revit的二次开发，实现隧道衬砌病害的 三维可视化。
(3)开发公路隧道土建结构定期检查病害信息管理系统，根据开发需求制定系统 流程图，完成数据库的概念设计、逻辑设计和物理设计，最后根据流程图进行系统界 面设计。
(4)通过代表性的公路隧道进行工程实例应用研究，对管理系统进行应用和完善。
1.4研究方法和技术路线图
1.4.1研究方法
(1)文献研究法
文献研究法主要是通过搜集、鉴别、整理和研究文献，然后形成对事实地科学认 识。通过网络、学校图书馆等方式，搜集与隧道定期检査、健康状态评定方法以及BIM 技术相关的论文、期刊、书籍等文献资料，充分了解国内外的研究现状，对本论文研 究积累丰富的信息。
(2)数学方法
通过研究隧道断面的几何特性，根据弧长公式，总结出隧道病害从平面坐标转换 为三维坐标的公式。
(3)案例研究法
通过对具体案例的进行分析研究，找到其中的规律进行应用。论文通过研究VBA 编程，将其应用到BIM软件中，针对某个隧道，进行实际应用，实现隧道衬砌病害的 三维可视化。
1.4.2技术路线图
技术路线图见图1-5所示。
图1-5技术路线图
第2章运营公路隧道土建结构定期检查技术及要求
定期检测是我国隧道最常用的土建结构检查方法，包括：检查前一隧道基础资料 的收集；外业一隧道现场检査工作，记录隧道的病害信息；内业一整理现场记录的图、 表资料，对隧道进行技术状况评定，并且制定维修养护建议，最后撰写定期检查报告。
2.1隧道基础资料收集
在检测一个隧道前需要对隧洞的基础资料进行收集，一方面有利于现场检测工作 的安排：通过隧道的里程分布、长度以及上次检测的病害严重程度安排进度；另一方 面在内业工作中，通过对比往年的检测资料，来判断隧道病害的发展趋势，此外收集 的资料，还可以满足撰写定期检查报告的需要。
基础资料收集的内容：隧道位置(所在高速线路的里程桩号)；隧道长度；隧道设 计标准；隧道平面和纵面线形；隧道水文地质资料以及隧道去年病害检测资料等。基 础资料收集的方法：可以通过隧道的相关管理单位查找，也可以通过上次定检的检测 单位查找。
2.2隧道病害检测技术
2.2.1病害种类及特征
根据《公路隧道养护技术规范》(JTG H12-2015)规定，土建结构的各个构件的 检查内容如下。
(1)洞口
①山体滑坡、岩石崩塌的征兆；边坡、碎落台、护坡道等是否缺口、冲沟、潜流、 涌水、沉陷、塌落等病害，如图2-1所示。
②护坡、挡土墙的裂缝、断缝、倾斜、鼓出、滑动、下沉的位置、范围及其程度， 是否存在表面风化、泄水孔堵塞、墙后积水、地基错台、空隙等现象，如图2-2所示。
(2)洞门
墙身有无开裂、裂缝；结构有无倾斜、沉陷、断裂；洞门与洞身连接有无环向裂 缝；衬砌有无起层、剥落，混凝土钢筋有无外露；墙背填料流失范围和程度。如图2-3 和图2*4所示。
图21边仰坡坍塌
图2-2洞口挡墙破损
图2-2洞门局部开裂
图2-4洞门装饰层剥落
(3)衬砌
衬砌有无裂缝，如图2-5~2-7所示;
衬砌有无渗漏水，如图2-8所示；衬砌表层
有无起层、剥落，如图2-9-2-10所示。
图2-6衬砌环向裂缝
（4）路面
路面是否有拱起、沉陷、错台、开裂、溜滑，如图2-11-2-13所示；路面上是否 存在（散）落物、油污、滞水、结冰或堆冰等，如图2-14所示。
检修道有无毁坏，盖板有无缺损，如图2-15-2-16所示。
图215检修道盖板缺失 图216检修道侧壁破损
(6)排水系统病害
排水系统有无破损，边沟和沉砂池盖板是否完好；边沟、沉砂池是否有无淤积堵
塞、杂物、滞水、结冰等现象，如图2-17-2-18所示。
图2-17排水沟冒水 图2-18沉砂池盖板堵塞
(7)吊顶及预埋件病害
吊顶板有无变形、破损；吊杆是否完好等，如图2-19〜2-20所示；有无漏水(挂
2.2.2检测方法及要求
隧道定期检查宜采用步行方式，必要时可通过可移动台车或高空作业车辅助方式, 配备必要的检査工具和设备，进行目测或量测检查。检査时应尽量靠近检査的构件， 对隧道各个部位依次检查，对病害进行详细的记录和有效标注，并通过数码相机对典 型病害进行拍照，最终绘制病害展示图。
隧道定期检查必要的工具和设备主要包括，如图2-25所示：
①尺寸测量——卷尺、钢卷尺、游标卡尺等；
②裂缝检查——带刻度的放大镜、宽度测定尺、测针、标线或裂缝宽度比对卡、 裂缝宽度仪等；
③材料劣化检査——锤子等；
④漏水检查一pH试验纸、温度计等；
⑤记录工具——隧道展示图纸、记录本、照相机或摄像机；
⑥升降设备一隧道高空作业车、可移动台架或升降台车；
此外包括清扫工具、交通控制标志牌板等也是必需的。
图2-25定期检查常用设施
定期检查工作的分配：
(1)地面检测组：采用步行方式，以封闭车道为主，未封闭车道一侧检测人员在 检修道上方行走;配备高强手电筒，对边墙及拱腰下方位置进行检测，如图2-26所示。
(2)高空作业组：配备高空作业车，对拱顶及拱腰上方位置进行检测，如图2-27 所示。
(3)交通管制组：负责交通管制、桩号划定等工作。
(4)拍照、记录病害并绘制病害展布图。
图2-26地面组现场检测 图2-27高空组现场检测
定期检查主要检査隧道洞口、洞门、衬砌、路面、检修道、排水系统、内装、吊 顶等部件。为防止漏检和统一记录次序，要求按以下顺序或步骤进行检查：
①有效组织人员对待检查隧道进行交通管制。
②交通管制完成后，组织人员从从小里程至大里程方向，每5 m间隔标画隧道里 程桩号。
③为方便数据处理，且避免检测误差，应按路线里程增长方向，从低桩号向高桩 号检査，对于左线隧道为保证检测过程中人员安全，则从大桩号向小桩号进行。
④遵循先右后左的检査顺序，在条件允许的情况下先检查右幅隧道，再检查左幅 隧道，单幅隧道遵循先右后左、先下后上的原则，对隧道左右半幅及上下部分逐次检 查。在有必要且有条件的情况下，采用高空作业车对检测部位进行近距离观察及测量。
⑤检查过程中，隧道结构检査应该先检査洞门和洞口，其余构件衬砌、内装、路 面等根据里程同时进行检，并要做好病害展布及记录工作。
⑥从隧道的一般断面来看，拱脚附近为非常薄弱的构造，结构往往发生在这个部 位，如基脚膨胀、路基下部冻胀、上拱、下沉等。在检査时，边沟内部的裂缝、边沟 盖板的凹凸和倾斜、路面裂缝、按缝错裂等状况都要进行观察并记录与展布图上。
⑦隧道定期检査结果应及时填入“定期检查记录表”，见附录表A-1,并绘制“隧道 展示图”，如图2-28所示，然后对隧道进行技术状况评定，给出维修养护意见。。
混凝土钢筋有无外露
（续表2-1）
标志
脏污
2.3隧道病害数据的管理
外业采集的数据，包括病害记录表、病害展示图和照片，这些数据是对隧道技术 状况评定的重要依据，也是编制报告的重要组成部分，因此对这些采集的数据管理十 分有必要。管理的方法如下：
(1)核对：每天检测完毕，项目负责人应对数据进行检查，如有发现错误或者异 常的地方，及时采取合理措施进行补检。
(2)整理：隧道检查的项目有9项，病害类型更是繁多，而在实际检查工作中， 每个项目所检查的隧道多达几十个，所以现场产生的纸质文档和照片会非常多，应及 时整理，避免资料遗失。
(3)录入：外业检测完毕撰写报告之前，应把检测的病害记录表输入Microsoft Office,把病害展示图输入AutoCAD,方便存储数据同时为撰写报告做准备。
(4)归档：把病害数据录入电脑后，及时把资料归档存储，方便以后查询。
2.4隧道病害技术状况评定
2.4.1评定方法
我国公路隧道养护技术规范，将公路隧道总体技术状况评定分为1类、2类、3类、 4类和5类，并分别给出定性描述，见表2-2所示。
表2-2公路隧道土建结构技术状况评定类别描述
技术状况评定类别 评定类别描述
1类 完好状态。无异常情况，或异常情况轻微，对交通安全无影响
2类 轻微破损。存在轻微破损，现阶段趋于稳定，对交通安全不会有影响
3类 中等破损。存在破损，发展缓慢，可能会影响行人、行车安全
4类 严重破损。存在较严重破坏，发展较快，已影响行人、行车安全
5类 危险状态。存在严重破坏，发展迅速，已危及行人、行车安全
技术状况评定的方法：应根据检查结果对隧道技术状况进行评定，评定应先逐洞、 逐段对隧道土建结构各分项技术状况进行状况值评定，在此基础上确定各分项技术状 况，再进行土建结构技术状况评定。洞口和洞门可以根据隧道进口和出口分别进行评 价；衬砌等其他构件，根据单位长度进行分段，一般取10-100 m；把车行横洞和人行 横洞当作主洞衬砌的一个评定单元，归入衬砌进行评定。土建结构技术状况评分按照 (2-1)计算：
JGCI = 10Q-卩一丄 £(兀(?厶><-^)] (2-1)
4曰 £叱
/=1
JGC\=max(7Gq) (2-2)
式中：Wj 分项权重，见表2-3；
JGCI,——分项状况值，值域0〜4；
JGCIy——各分项状况值；
J一检测段落号，按实际分段数量取值。
表2-3 土建结构各分项权重表
分项 分项权重Wj 分项 分项权重Wf
洞口 15 检修道 2
洞门 5 排水设施 6
衬砌 结构破损 40 吊顶及预埋件 10
衬砌渗漏水 内装饰 2
路面 15 交通标志、标线 5
土建结构技术状况评定分类界限值按表2-4分类。
表2-4 土建结构技术状况评定分类界限值
技术状况评分一 1类 土建结构技术状况评定分类
2类 3类 4类 5类
JGCI >85 >70, <85 >55, <70 >40, <55 <40
土建结构技术状况评定时，当洞口、洞门、衬砌、路面和吊顶及预埋件项目的评 定状况值达到3或4时，对将土建结构技术状况应直接评为4类或5类。
根据隧道养护规范，在公路隧道技术状况评定中，有下列情况之一时，隧道土建 技术状况评定应评为5类隧道：
(1)隧道洞口边仰坡不稳定，出现严重的边坡滑动、落石现象；
(2)隧道洞门结构出现大范围开裂、砌体断裂、脱落现象严重，可能危及行车道 内的通道安全；
(3)隧道拱部衬砌出现大范围开裂、结构性裂缝深度贯穿衬砌混凝土；
(4)隧道衬砌结构发现明显的永久变形，且有危及结构安全和行车安全的趋势；
(5)地下水大规模涌流、喷射，路面岀现涌流或大面积严重积水等威胁交通安全 的现象；
(6)隧道路面发现严重隆起，路面板严重错台甚至断裂，已经严重影响行车安全；
(7)隧道洞顶各种预埋件和悬吊件严重锈蚀或断裂，各种桥架和挂件出现严重变 形或脱落。
2.4.2评定标准
土建结构评定标准见表2-5,各个构件评定具体评定标准见附录表A-2〜表A-l 1 o
表2-5 土建结构技术状况评定标准表
状况值 评定因素
缺损程度 发展趋势 对行人、车辆安全的影响 对隧道结构安全的影响
0 无或非常轻微 无 无影响 无影响
1 轻微 趋于稳定 目前尚无影响 目前尚无影响
2 中等 较慢 将来会影响行人、 将来会影响隧道
车辆安全 结构安全
3 较严重 较快 已经妨害行人、车辆安全 已经影响隧道结构安全
4 严重 迅速 严重影响行人、车辆安全 严重影响隧道结构安全
2.5隧道维修养护意见
当隧道技术状况评定为1类时，按照正常养护即可；当隧道技术状况评定为2类 或3类时，需要对隧道进行保养维修；当隧道技术状况评定为4类或5类时，需要对 隧道进行病害处治。
（1）保养维修
洞口：及时清除洞口边仰坡上的危石、浮土，保持洞口边沟和仰坡上的排水沟完 好、通畅，修复存在轻微损坏的洞口挡土墙、洞门墙、护坡、排水设施和减光设施等 结构物的开裂、变形，维护洞口花草树林。
衬砌：衬砌出现起层、剥落，应及时清除；及时修补衬砌裂缝，并设立观测标记 进行跟踪观测；对衬砌的渗漏水应接引水管，将水导入边沟；冬季应及时清除洞顶挂 冰等。
路面：及时清除隧道内外路面的散落物和堆积物。及时修复、更换损坏的窖井盖 或其他设施盖板。当路面出现渗漏水时，应及时处理，将水引入边沟排出，防止路面 积水或结冰。
横通道：横通道内严禁存放任何非救援用物品，应及时清除散落杂物，修复轻微 破损结构；应定期保养横通道门，保证横通道清洁、畅通。
排水设施：保持排水设施完好，发现破损或缺失应及时修复；排水堵塞时，可用 高压水或压缩空气疏通。应及时清理排水边沟、中心排水沟、沉沙池等设施中的堆积 物，不定期检查排水沟盖板和沟墙，及时修复破损、翘曲的盖板。寒冷地区应及时清
除排水沟内结冰堵塞。排水的金属管道应定期做好防腐处理。
吊顶和内装：应保持吊顶和内装饰完好和整洁美观，当有破损、缺失时，应及时 修补恢复，不能修复的应及时更换。
预埋件：各种预埋件和桥架应保持完好、坚固、无锈蚀，当有缺损时，应及时更 换或加固。
检修道：应保持检修道平整、完好和畅通，检修道不得积水，当道板有破损、翘 曲或缺失时，应及时进行修复和补充。
交通标志：①应及时修补变形、破损的标牌，修复弯曲、倾斜的支柱，紧固松动 的连接构件；②对锈蚀损坏、老化失效的标志，应及时更换，缺失的应及时补充；③ 对损坏的限高及限速设施应及时维修。
交通标线：①对破损严重和脱落的标线应及时补划；②及时紧固松动的路标，发 现损坏或丢失的，应及时修复或补换。
隧道轮廓标应保持完整、清洁和醒目，当有损坏时，应及时修复或更换。
（2）病害处治
病害处治的目的是消除结构病害，使其达到正常使用的状态。选定病害处治方法， 重要的是要正确把握病害产生的原因，需要将有关隧道设计和施工技术资料、地质资 料和病害发生至今的过程作综合分析和研究。
我国地域广阔，隧道的地质条件和运营环境不同，且隧道受到自身结构及材料等
方面的控制，这就导致隧道病害产生的原因也是多方面的，如图2-29所示。
图2-29病害成因分类
外力因素包括：松弛土压、偏压、地层滑坡、膨胀性土压、承载力不足、静水压 等因素；
环境因素包括：冻害、盐害及有害气体和有害水等;
材料因素主要是指材质劣化；
施工和设计因素包括：衬砌背后空隙、衬砌厚度不足和无仰拱等。
针对不同的病害原因，有不同的病害处治方法，包括：衬砌背后注浆、防护网、 喷射混凝土等多种方法，各种方法的具体效果见附录表A-12o上述病害原因很少单独 出现，大部分为几种原因综合出现，因此在选定病害处治方法时，需要综合研究，充 分考虑单项和组合的处治方法。
2.6本章小结
本章详细全面的介绍了我国隧道土建结构定期检查的技术要求，检查前需要收集 好被检隧道的资料，检测过程中采用步行方式，必要时可通过可移动台车或高空作业 车辅助方式，配备必要的检査工具和设备，进行目测或量测检查，按照规定的方式识 别并记录病害，外业检测完毕后，要对检测数据核对、整理、录入和归档，进行妥善 的管理，最后根据检测的病害资料，进行土建结构技术状况评定，制定保养维修和病 害处治建议。
综上所述，我国公路隧道工程管理水平不高、信息化水平低，手段落后，运营公 路隧道的病害检测及处治在我国正逐步受到重视，有必要建立隧道信息化管养系统， 实现运营隧道的信息化管理，提高养护效率。
第3章BIM技术在运营隧道衬砌病害检测结果三维可视
化中的应用
随着BIM技术的日益推广，配套的软件也非常丰富，目前主流的建筑设计软件有 三款，分别为：Bentley公司开发的TriForma、Graphisofit公司开发的ArchiCAD和 Autodesk公司开发的Revit系列卩刃。而在国内，BIM使用的最为普遍的软件是Autodesk 公司的Revit系列软件，凭借其在建筑市场AutoCAD的广大用户平台的优势，有着很 好的市场表现，具有用户界面友好、具备由第三方开发的害了对象库，方便多个用户 参与项目的优势，因此本论文选用Autodesk公司的Revit Architecture软件来实现三维 可视化。
基于BIM技术在运营隧道病害检测中实现三维可视化，首先需要在病害展布图 CAD图纸中提取病害位置信息，然后将提取的平面坐标转化为空间坐标，最后在Revit 中实现隧道衬砌病害的三维可视化。
3.1隧道衬砌病害三维可视化实现的技术思路
结合BIM技术的特点和要求，采用BIM技术对公路隧道衬砌病害数据进行三维可 视化实现及进一步的加工，需要从如下步骤展开相应的工作：
(1)对公路隧道结构的空间和平面特征进行分析，从二维(平面)和三维(空间) 的角度对隧道结构的组成要素进行分析，分别建立基本的隧道结构空间模型。
(2)分析将CAD平面图形元素映射到三维隧道空间结构模型的原理及转换公式， 为实现隧道病害展示图元素的三维可视化奠定理论基础。
(3)分析隧道病害展示图的组成要素，提取平面CAD图形特征点的关键参数， 如病害的坐标位置、里程等，为隧道病害元素的三维可视化提供基础数据。
(4)将步骤(3)中所提取的隧道病害元素的基础数据，依据步骤(2)所确立的 转换公式，将隧道病害元素映射到步骤(1)所生成的隧道结构空间模型上，以实现隧 道病害从二维到三维的转化。
3.2隧道结构组成与特征分析
公路隧道结构的组成要素主要包括标准区段、加宽段(紧急停车带)、人行横洞及 车行横洞、洞门等部位，其平面特征包括断面型式、隧道线形(直线及曲线)，隧道的
空间特征则主要为其纵向坡度。利用BIM软件实现各隧道基本特征构件的空间建模, 并将各构件进行组合以实现公路隧道结构的空间模型建立。
3.2.1公路隧道标准断面轮廓
公路隧道内轮廓设计，首先应符合隧道建筑限界的要求，此外还应该考虑到洞内 路面、排水设施、装饰的要求，并为机电设施如通风、照明等提供安装空间，同时还 要考虑衬砌变形和施工误差，要安全、经济、合理的前提下在确定隧道的断面［60］o
隧道常用的标准内轮廓，受力形式较好，断面空间利用率高，即：拱部为单心半 圆或三心圆，侧墙为半径较大圆弧，仰拱和侧墙间用半径较小的圆弧连接。
根据各设计速度的建筑限界，各级公路隧道的双车道轮廓断面如图3-1〜图3-8所 示。由此可以发现，公路隧道两车道内轮廓的拱部大都为单心圆，而公路隧道三车道 内轮廓的拱部大都为三心圆，如图3-9所示⑹］。
图3-1二级公路两车道内轮廓图(40 km/h)
图3-2二级公路两车道内轮廓图(60 km/h)
图3-3二级公路两车道内轮廓图(80 km/h)
图3-4三级公路两车道内轮廓图(30 km/h)
图3-5四级公路两车道内轮廓图(20 km/h)
图3-6公速公路、一级公路两车道内轮廓图
(60 km/h)
图3-7公速公路、一级公路两车道内轮廓图(80
km/h)
图3-8高速公路、一级公路两车道内轮廓图
(120 km/h)
3.2.2公路隧道紧急停车带断面轮廓
据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004),紧急停车带应设置在长、特长隧道行 车方向的右侧，其主要功能是用来停放故障车辆、紧急情况下疏散交通及救援车辆和 救援小组用以紧急救援活动等，设置间距不宜大于750 mo紧急停车带的右侧加宽不 小于3.0 m,有效长度不应小于40 m,如图3T0所示。
在紧急停车带部位，隧道断面需要进行加宽处理，《公路隧道设计规范》中规定的 紧急停车带的标准内轮廓断面结构形式与图3-1相似，但是从图3-1所示的4心圆变 成了 5心圆，以适应隧道建筑限界的变化，如图3-11和图3-12所示。
图3-12三车道隧道紧急停车带内轮廓
3.2.3公路隧道的线形
出于通风和施工因素的考虑，隧道平面线形一般设计成直线。但在实际工程中， 隧道因地形地质条件、洞口接线、车辆运行安全等条件的限制，需要把隧道线形设计 成曲线。曲线隧道是指隧道轴线在线形上呈圆曲线、缓和曲线或者其他曲线。大部分 已建的曲线隧道，具有长度较短、半径较大的特点；部分曲线隧道为避免出入口朝向 东西方向，将洞口段设计成曲线⑷。而我国雅西高速的干海子隧道和铁寨子1号隧道, 更是设计成螺旋线形，半径小（最小半径600 m）,旋转角度大，堪称世界之最，如图 3~13所示。
图3-13两条高速公路螺旋型曲线隧道示意图
3.2.4车行及人行横通道
上、下行分离的独立双洞公路隧道，为满足紧急情况下救援及逃生需要，需设置 人行或车行横通道。
车行横通道内轮廓断面，一般有直墙式和曲墙式两种形式。曲墙式断面结构受力 更好，但曲墙式断面与主洞相交处施工困难，所以一般情况下车行横通道内轮廓断面 都采用直墙式。但在V、VI级软弱围岩地段，车行横通道应按曲边墙形式进行设计，
图3-14车行横通道内轮廓断面设计图例（单位：cm）
人行横通道内轮廓一般采用直边墙形式，如图3-15所示。
3.3隧道结构病害位置信息的提取及比例换算
要实现隧道衬砌病害的三维可视化，需要知道隧道衬砌病害的位置信息。根据《公 路隧道养护技术规范》(JTG H12-2015)规定，定期检测要将检查数据及病害绘入“隧 道展示图”，因此展示图里面含有隧道病害的详细位置信息。要提取病害特征点的位置 信息包括两点:里程位置z及距拱顶中轴线的长度L,这些信息反映在CAD图纸里面， 即为隧道病害相对洞口拱顶处的相对坐标。
3.3.1特征点位置的提取
在AutoCAD软件里，自带有提取点坐标的功能，再减去洞口拱顶的坐标，即为隧 道病害的位置信息。通常而言，隧道展布图是由多幅图纸组成的，每幅图纸检测的长 度一般为100 mo在隧道展布图中，各幅图纸的间距是不确定的，需要手动测量，对 提取平面坐标带来极大的不便，而且这种方法需要不断的计算，尤其是对特长隧道， 整个坐标的提取过程，会非常繁琐。因此需要用开发一个插件，能够实现自动提取平 面坐标。
AutoCAD支持使用多种开发工具进行二次开发，包括AutoLISP> Visual Basic、 VBA、Visual C++等，这些开发工具都有自己的特点，互有长短。其中，AutoLISP作 为AutoCAD自带的开发工具，不仅有普通设计语言的基本功能，而且还具备图形处理 的功能3】。
本文通过AutoLISP开发一个插件，提取病害的位置信息，在AutoCAD中输入命 令后，按照以下流程提取平面坐标：
(1)选择需要提取的图纸；
(2)将需要提取的衬砌病害放在指定的图层中；
(3)选择洞口的位置；
(4)指定图框的宽度；
(5)指定画图区前段到图框的间距；
(6)指定画图区后端到下一幅图框的间距；
(7)指定保存地址。
3.3.2位置信息的转换
在3.3.1节提取的平面坐标，只是CAD图纸里面的数据，没有实际意义。要把数
据反映出病害在实际隧道断面的具体位置，需要进行平面坐标转化。
以图3-16的病害的展布图中的衬砌病害斜向裂缝为例，洞门即为起点的位置，根
据 3.2.1 节，提取的坐标为(27.95, 16.14； 112.03, 40.95)。
图3-16隧道病害展布图位置信息
首先位置里程，通过测量可以知道，CAD图中的35表示实际里程10 m,因此图
3~16中病害的里程为:
病害距离隧道中线的距离：以某隧道的断面为例，拱部圆半径ri为562 cm,侧墙 圆“为718.5 cm,根据弧长计算公式，隧道内轮廓半幅弧长为10.4 mo通过测量知道， CAD图中半幅长度为58.5,因此图3-16中的病害距离隧道中线距离分别为：
3.4平面坐标向空间坐标的转化
为将如图3-17所示的隧道病害展示图中的病害元素从平面形式还原为三维形式, 需要建立将病害元素特征点从平面坐标向空间坐标的转换关系式。基本思路是以隧道 的拱顶轴线为基准，根据3.3节提取的病害特征点的里程和病害特征点至拱顶轴线的距
离厶通过弧长公式和坐标转换公式进行坐标换算，得到其空间坐标。
图3-17隧道病害展示图示例
3.4.1公路隧道两车道的坐标转化
标准的两车道公路隧道的轮廓断面为马蹄形断面，其拱部为单心半圆，断面形式 如图3-18所示。在三维坐标中规定：原点坐标为起拱线与隧道中线的交点，即为圆心 01，沿着隧道走向的方向为z方向，在隧道断面上，水平方向为x方向，垂直方向为y 方向。
图318两车道隧道轮廓断面图
如图3T8所示，厂为圆1的半径；尸2为圆2的半径；方为圆心0/和圆心02的垂 直距离；〃为圆心0?和圆心02的水平距离；将起拱线与隧道轮廓断面的交点定义为临 界点,从顶点到临界点的弧长为临界弧长Z‘； a为圆心O/和两个圆心02圆心的夹角。
当L<L'时，可通过公式(3-1)〜(3-2)计算。
L = (3-1)
180
'x=q・sin 0
< (3-2)
、y=r} -cosff
其中，e为角度,x、y为三维空间坐标。
当L> L7时，可通过公式(3-3)和(3-7)计算。
L-U = (3-3)
180
因为圆心位置发生了变化，为方便计算特征点的坐标，需要先将坐标系原点从。 平移至。2得到坐标系 W，丁‘)，并沿着逆时针旋转角度a得到坐标系(x〃， 如图3-19所示。在新坐标中，计算公式如下：
x,-r2-cos0
< , (3-4)
、y=_A^.sin0
把坐标从新坐标转化为新坐标，需要旋转并且平移，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
将公式(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+仪-cos "sin a-h
如此经过上述公式的计算，可以得到两车道标准断面衬砌病害的三维空间坐标。 两车道公路隧道的轮廓断面，根据公路设计速度和等级的不同，断面样式较多，有采 用单心圆的，也有采用三心圆的，既有尖拱又有坦拱，曲率不一。本文采用公路隧道 两车道最常见的一种内轮廓断面进行坐标计算，其他形式的内轮廓断面的坐标计算， 均可以通过调整d和方的值，带入上述公式计算。
3.4.2公路隧道三车道的坐标转化
公路隧道三车道的轮廓断面图，其拱部为三心圆，侧墙为大半径圆弧。在这个断 面中，规定起拱线和隧道中线的交点为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。
如图3-20所示，◎为圆1的半径；厂为圆2的半径；匕为圆3的半径；方为圆心 O?和原点O的垂直距离；力为圆心02和原点O的水平距离；03为圆心。3和原点O 的水平距离；a为圆02起点与X轴的夹角；内轮廓上圆弧半径变化出分别为临界点1 和临界点2,对应的弧长分别为临界弧长厶‘和临界弧长力‘。
当L< 时，可通过公式(3-8)和(3-9)计算。
L = & *4 (3-8)
180
x=q-sin^
] (3-9)
y=r\-cos0-h
当L1, <L<L2,时，可通过公式(3-10)〜(3-14)计算。
(3-10)
因为圆心位置发生了变化，因此需要变换坐标，把坐标移动到02的位置并旋转,
建立新坐标，如图3-21所示。在新坐标中，计算公式如下:
把坐标从新坐标转化为旧坐标，需要顺时针旋转并且平移，公式如下:
'x*=x,-cosa'-y,-sin a
(3-12)
x=x*+J2
(3-13)
将公式(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)
如此经过上述公式的计算，可以得到三车道标准断面衬砌病害的三维空间坐标。
3.4.3公路隧道紧急停车带的坐标转化
根据图3-11和图3-12,可以发现紧急停车带的轮廓断面，其拱部为三心圆，侧墙 为大半径圆弧的马蹄形断面，与三车道隧道的标准断面类似，所示紧急停车带断面的 空间坐标的计算方法与其三车道隧道标准断面的计算方法相同，本文就不再赘述。
由于紧急停车带的隧道中线与正常隧道的中线不重合，见图3-22所示，但是空间 坐标必须以正常隧道的中心为原点，所以紧急停车带的空间坐标仍进行一次坐标平移。
图3-22紧急停车带隧道中线与正常隧道中线
隧道的紧急停车带的轮廓断面与标准的轮廓断面，在侧墙的大半径圆弧是相同的,
所以，起拱线的位置也是相同的。因此『坐标相同，只需要平移x坐标，计算公式见
（3-17）o 一般而言，根据公路隧道设计规范，的标准值为1.75 m0
（x^=x+Ar
| （3-17）
3.4.4曲线隧道的坐标转化
当隧道区段位于单一曲线上时，隧道的中心线在半径为R的圆弧上，沿隧道曲线 区段的里程长度为隧道中轴线圆弧的弧长（如图3-23所示）。因此，其坐标值计算思 路是先按直线段的计算方法求出隧道断面上病害特征点的（x, z）,再通过极坐标转化 公式得出隧道中轴线的空间坐标值（珀，4）＞与病害特征点的（x, z）进行叠加得到 曲线段病害特征点的空间坐标值（*，令）。丁坐标表示隧道病害的高度，因此其值保
持不变。
首先计算隧道中心线的坐标，根据里程得到角度，然后极坐标公式得到中心线的
图3-24人行横洞计算图示
当L< L 7时，可通过公式(3-21)〜(3-22)计算。
“叱 (3-21)
180
'x=r-sin 9
' (3-22)
,尸q・COS0
其中，0为角度，小丁为三维空间坐标。
当L> L,时，可通过公式(3-23)计算。
x=r
“ (3-23)
[y=L-L'
车行横洞内轮廓断面，一般有直墙式和曲墙式两种形式，见图3-14o其直墙式的 计算方法与人行横洞的计算方法相同，曲墙式断面的计算方法与标准的两车道公路隧 道的计算方法相同，就不再赘述。
根据上述计算方法，可以得到车行横洞及人行横洞区段的病害特征点的局部空间 坐标，要把局部坐标转化到全局坐标系，需要进行坐标修正：
(1)竖向修正：横向通道的坐标要进行y坐标的调整，人行横洞的底面与正常隧 道的检修道高度持平，车行横洞的底面与正常隧道的路面高度持平；
(2)平面修正：根据横向通道的布置，进行x、z坐标修正。
3.5 Revit的二次开发
在Revit可以较为容易的创建一个隧道模型，但难点在于如何在Revit软件实现衬 砌病害的三维可视化。Revit软件在复杂曲面上操作有些缺陷，只能通过手动选择点来 画出病害，不能输入坐标，误差较大，而且还只能逐条病害的录入，极为不便。要想 实现精确而又快速的的画入病害，需要借助Revit的二次开发。
Revit软件不仅可以通过菜单栏和工具条进行手动建模，还可以通过程序接口API 借助外部命令，通过外部编写程序进行批量建模。通过API可以访问Revit各功能，进行 批量化建模，也可以根据用户需求编写软件扩展软件的功能【呦。
本文使用Microsoft Wsual C#开发一^插件，实现批量画线'思路如下：（1）选 取隧道衬砌的表面，将面转化为面几何，保证点能投影到面上；（2）输入点的起点和 终点，分别投影到面上，然后连线，将线段等距的划分成10段，再将新生成的点投影 到面上，然后逐段连接这些点，生成新的线；（3）批量导入线的坐标，然后循环，最 终达到批量生成线的目的。开发程序见附录B。
3.6隧道衬砌病害的三维可视化
根据隧道的内轮廓断面，在Revit里面建造隧道的三维模型，然后提取该隧道的病 害信息，根据3.4节的坐标转换公式，进行坐标转化，利用Revit的二次开发，实现该 隧道病害三维可视化，图3-25为隧道病害三维展示。
图3-25隧道病害的三维展示图
图3-26为紧急停车带病害展示图，图3-27为车行横洞与紧急停车带的连接部分， 图3-28为人行横洞与紧急停车带的连接部分，可以看到，BIM技术对隧道病害的三维 展示，适用于隧道不同断面和部位。
图3-27车行横洞与紧急停车带三维病害展示 图3-28人行横洞与紧急停车带三维病害展示
图3-29为曲线隧道的病害展示图，图3-30为该隧道的病害三维展示，可以看到
BIM技术对隧道病害的三维展示，适用于隧道不同的隧道线形。
图3-30曲线隧道的病害三维展示
通过其实际效果可知，BIM技术能够实现隧道土建结构各组成部位处的病害三维 可视化演示，应用这些结构组合即可实现公路隧道的病害三维可视化展示。隧道病害 数据图像的三维可视化工作，使隧道结构病害更为形象和直观，也能提高隧道的技术 状况评定、日常维护管理等工作的效率。
3.7本章小结
本章对BIM技术在运营公路隧道衬砌结构病害中的应用展开了研究，通过对 AutoCAD和Revit的二次开发实现隧道衬砌病害三维可视化，得到以下结论：
(1)通过对公路隧道结构的组成进行分析，使用BIM对其基本结构进行建模， 通过这些要素的组合可以实现常见公路隧道土建结构BIM模型的建立。
(2)通过平面到空间坐标关系计算式的推导，得出了从隧道病害展示图中提取病 害特征点空间位置坐标的方法，且与隧道结构空间模型对应关系良好。
(3)BIM技术可以实现公路隧道土建结构的建模及衬砌病害的三维可视化展示，
为运营公路隧道的病害检査、维修养护等工作提供一定的便利。
第4章 隧道定期检查病害信息管理系统的开发
4.1系统开发目的
用户使用隧道信息管理系统应该可达到以下目的：
（1） 掌握隧道的基本信息，了解隧道结构性能运行的状态，评估结构的安全性;
（2） 管理隧道的病害信息，对隧道进行技术状况评定；
（3） 根据隧道的安全状态，科学的制定维修养护建议。
4.2系统开发环境
系统是在微软Visual Studio.net 2015平台上运用ASP.NET开发的。ASP .NET具 有对全编译语言的支持；程序代码与页面内容分离；配置简单和工作效率高等优点。 数据库的创建是在SQL Server数据库管理系统中实现的，通过ADO.NET进行数据库 的访问。
4.3数据库系统设计
4.3.1数控库设计概述
数据库作为隧道系统的核心，是整个系统中因此数据库的规划和设计是整个系统 设计中最重要的部分，数据库一方面有存储、统计、查询和分析各种信息的功能，另 一方面还起到各管理机构传递数据的作用。因此，在对公路隧道运营安全管理业务需 求详细分析的前提下，对公路隧道的各项指标进行采集与检测，建立一个动态的、开 放的数据库是必不可少的。
系统所处理的各种数据，通过不同的方式输入计算机，通过软件处理对隧道进行 评定和决策分析，如图4-1所示，以数据库为中心，描述了数据库与输入输出之间的 关系。根据规范设计规定，数据库设计一般经过以下6个阶段。
（1） 需求分析：全面、准确地了解并分析用户需求，以便系统能够满足用户需求。
（2） 概念设计：对需求分析进行归纳和总结，得到一个独立的、具体的DBMS 概念模型（E-R图）。
（3） 逻辑设计：将概念模型（E-R图）装换为DBMS支持的逻辑模型（关系模 型）。
图41数据库管理系统功能
(4)物理设计：为逻辑模型选择最合适应用环境的物理结构，即确定存储结构和
存取方法，包括数据的存放位置、存取路径及系统配置。
(5)数据库实施：建立并且编制数据库，对数据库进行调试，并且进行试运行。
(6)数据库运行和维护：在数据库系统运行过程中，根据反馈出来的问题不断地
对其进行调整和修改。
4.3.2系统的需求分析
根据系统的开发目的，本系统面向的用户为：隧道检测单位、设计单位、科研所、 隧道运营管理部门。对不同的用户而言，该系统应能满足以下各自的需求：
(1)对隧道所在的高速公路进行管理，进行添加和删除，并且能够编辑高速公路 的线路信息，如线路长度、线路编号和线路桩号里程等。
(2)对隧道进行管理，进行添加和删除，并且能够编辑隧道的基本信息，系统将 此信息保存到数据库中，为隧道技术状况评定提供依据。
(3)隧道检测单位能对病害信息进行管理，包括增加、删除、修改病害，并生成 的初步的检测报告。
(4)隧道相关管理养护部门及其他研究单位能对调査检测数据能进行査询，并将 査阅的的结果进行下载。
(5)能够对隧道的数据进行统计和分析，以图和表格的形式输出，如公路隧道定 期检查病害表格和隧道展布图等
4.3.3系统流程图设计
根据用户的实际需求，对系统功能进行总体规划，通过对本系统上述用户对系统 的实际需求，设计出系统流程图，如图4-2所示。
|检测报告和
隧道展示图
图4~2系统流程图
针对隧道的管理，主要包括四个方面：
(1)隧道基本信息
实现对已有隧道基本信息的修改，对新加隧道病害信息的修改，包括：隧道名称、 起点里程、隧道长度、衬砌类型、洞门类型、路面类型、排水方式、通风方式、设计 资料和施工资料。
(2)病害信息管理
对隧道检测病害信息进行批量的输入，并且能够查询和修改。包括：洞门、洞口、 衬砌、路面、检修道、排水系统、吊顶及预埋件、内装饰和标志标线的病害。
(3)土建技术状况的评定
对隧道的土建结构进行技术状况安全评定，并给出相应的评价结果。
(4)隧道维修养护
根据隧道的评定结果，制定保养维修建议或病害处治方案。
4.3.4系统的概念设计
所谓的E-R模型就是指实体(Entitiy)和联系(Relation),实体是指现实世界中 存在的对象或客观事情，可以是人也可以是物，还可以是抽象的概念等；联系是指实 体和实体间存在的关系；实体和联系都有各自的属性。E-R模型图，就是用矩形框表 示实体，用椭圆表示属性，用菱形框表示联系，使用指向性的线段将其连接，并在指 向线上标注“1”、“M”、“N”等值，分别表示实体之间的联系是一对一、一对多或多 对多等关系。
概念结构设计方法一般采用自下而上的方法，先建立系统各组成部分的局部E-R 模型，如图4-3〜图4-5所示，再建立总体的E-R模型，如图4-6所示。
图4-3病害信息实体形态
图4-5线路信息实体形态
图4-6系统全局概念模式图
4.3.5系统的逻辑设计
在数据库设计过程中，将E-R图转换为关系模型的实质就是把实体、实体的属性 以及实体的联系转变成关系模式。当一个实体转换为关系模型中的一个关系时，实体 的属性就是关系的属性。将E-R图转换为关系时，三种联系方式各自有不同的转换方 式。
①一对一联系的转换
一对一联系可以通过与该联系所涉及的任意一方对应的关系模式合并来完成转换。 具体做法就是，在这个关系模式的属性中加入另一方实体的码和联系本身的属性。
②一对多联系的转换
转换一对多的联系，需要将该联系与n方对应的关系模型合并。具体做法是，将 一方实体的码及联系本身的属性添加到n方对应的关系模式中。
③多对多联系的转换
将多对多的联系转换为一个独立的关系模式，需要将该联系相关连的各实体的码 以及联系本身的属性都转换为关系的属性。
关系模型的数据结构非常简单，实体及实体之间的联系均是单一的数据结构，也 就是说关系模型中的数据逻辑结构就是一张由行和列组成的二维表。通过对表的结构 设计来定义表拥有的字段和特性，字段特性包括名称，数据类型，长度以及精度等。 数据表的设计举例如下：
(1)用户管理表
该表为系统的用户管理表，该表决定了使用者的权限，主要包括用户名，用户的
密码等相关信息。如表4-1所示： 表4-1用户管理表
序号 字段 数据类型 备注
1 管理员ID 整型(int) 主键
2 用户名 字符型(char)
3 用户密码 字符型(char)
4 使用权限 字符型(char)
5 注册时间 时间型(datetime)
(2)高速公路信息表
该表为高速公路线路管理表，在该表中涵盖了高速公路线路名称，高速公路信息 线路的基本信息，如表4-2所示：
表4-2高速公路信息表
序号 字段 数据类型 备注
1 高速公路ID 整型（int） 主键
2 高速公路名称 字符型（char）
3 高速公路线路代码 字符型（char）
4 高速公路起止桩号 字符型（char）
5 通车时间 时间型(datetime)
（3）隧道基本信息表
该表为隧道基本信息管理表，表中包括隧道的名称，隧道的里程桩号，隧道的结
构信息和设计信息等，如表4-3所示：
表4-3隧道基本信息表
序号 字段 数据类型 备注
1 公路隧道ID 整型(int) 主键
2 隧道名称 字符型（char）
3 所在高速公路名称 字符型（char）
4 隧道长度 字符型（char）
5 隧道起止桩号 字符型（char）
（4）隧道病害信息表
该表为隧道病害管理表，该表包括隧道产生病害的构件，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
序号 字段 数据类型 备注
1 隧道病害ID 整型（int） 主键
2 公路隧道ID 整型(int) 外键
3 病害所在构件 字符型（char）
4 病害类型 字符型（char）
5 病害位置 字符型（char）
6 病害桩号 字符型（char）
（5）隧道维修养护建议表
该表为隧道的维修养护建议，表中包括隧道上次检测的时间，隧道保养维修的建
议和病害处治方法，如表4-5所示：
表4-5隧道维修养护建议表
序号 字段 数据类型 备注
1 隧道维修养护建议ID 整型（int） 主键
2 公路隧道病害ID 整型（int） 外键
3 隧道安全评价结果 字符型（char）
4 保养维修建议 字符型（char）
5 病害处治建议 字符型（char） ・•・
4.3.6系统的物理设计
所谓的数据库物理设计，就是为设计好的逻辑数据模型配置一个符合应用环境要 求的物理结构。由于数据库物理设计，不面向一般用户，因此不考虑用户的理解方便， 其设计目标有两项：一是提高数据库的性能；二是节省存储量。其中提高数据库性能 更为重要。
物理设计的主要内容包括如下：（1）确定数据的存储安排；（2）存取路径的选择 与调整；（3）确定系统配置。
4.4系统的主要功能
登陆界面简介：在系统登录界面输入用户密码即可进入系统，如图4-7所示。
图4-7系统登录界面
线路界面简介：可以添加或者删除线路；点击“线路信息”命令即可査询和修改 线路的基本信息；点击''隧道信息”即可进入隧道管理的界面，如图4-8所示。
隧道管理界面：首先可以添加或者删除隧道,其次有“基本信息”、“病害信息”、 “技术状况评定”和“维修养护意见”四个命令，分别有相应的界面，包括了隧道基 本信息的录入、病害信息的录入、健康状况的评定和维修养护意见的制定，如图4-9 所示。
图4-9隧道管理界面
隧道基本信息界面：进行隧道基本信息的录入，包括隧道名称、里程桩号、长度、 衬砌类型、洞门类型、路面类型、排水方式、通风方式、最大净高、最大净宽、隧道 设计资料、施工资料等，如图4-10所示。
图410隧道基本信息界面
隧道病害信息界面：首先选择检查的项目，然后选择病害类型和病害位置，输入 病害里程和病害长度/面积，点击“添加”即可。病害的输入还支持与Excel表格互导, 实现快速的输入，如图4-11所示。
病口【消nn衬砌:暫面［检緣遵I菇黍系级［吊顶公预埋件;内共祎：标志标线轮堺线 病害类型
坏向开裂 ▼:
病害摘述
位査
竟度
面积
添加▼
農片
CKD
类型 位養 里程 长度 宽度 面积
怖开裂 左边堪 ZKD333+004 300 删,¥ |
坏向开裂 左边埴 ZKD333+O44 345 |
图4~12所不。
权重
涸口 15 凋门5 衬砌破债25 姿覇水10 路面15
捡修逋2 排水设施6 洌里件10 内装怖2 标志标线10
洞口、滔门技术状况评定
洞口 澗门
进口 0 出口 0 邊口 0 出口 0|一
里程ZK + ~ + 长度100
衬砌 渗瑤水 路面 检絵通
排水设施 吊顶及黄埋件 内装怖 标志标线 匚麺口
毘程 衬砌破损 倾水 路面 检修道 排水设施 预埋件 内装筛 标志総
ZK2358+300*2358+400 0 0 0 0 0 0 0 0 郦][ 修改|
ZK2358+400*2358+500 0 0 0 0 0 0 0 0 郦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 删涂］［ 修改|
ZK2358+700邈 3S8+800 0 0 0 0 0 0 0 0 m j|
左右线|左线 ▼」［刷新I I保存并评定］得分：100. 00 分类类 I儆分类］
图412技术状况评定界面
维修养护建议界面：软件会根据技术评定状况，判定出需要保养维修的项目，并 给出保养维修建议，也可以通过删除或添加命令，添加需要保养维修养护的项目，点 击修改，对保养维修建议进行修改，如图4-13所示；点击病害处治，•可以选择处治方
案。
左矽；左统 T「剧磺I
图4-13维修养护建议界面
4.5本章小结
本章首先介绍了运营公路隧道土建结构定期检查病害信息管理系统的的开发目标、 开发环境，然后着重介绍了该系统的数据库设计过程，通过对系统的需求分析，设计 出该系统的流程图，进而对数据库进行概念设计，得到E-R图，然后将概念模型（E-R 图）转换为DBMS支持的逻辑模型（关系模型），最后进行物理设计，完成数据库设 计。本章在最后对系统功能的进行了设计，主要是依据系统设计流程图为线索进行各 个界面的功能介绍。
第5章工程实例应用
5.1隧道概况
5.1.1隧道设计信息
XX高速公路隧道为分离式双洞单线行驶隧道，隧道中心桩号为K2386+550,全长 500 mo该隧道所在的公路等级为四车道高速公路；隧道计算行车速度为80 km/h；隧 道建筑界限为双洞四车道净宽9.75 m、净高5.0 m；隧道路面横坡为直线段单向坡2%； 设计交通量为2026年小客车32150辆/日。
隧道位于分离式路基段，为左右线分离的双洞，测量轴线与隧道中线相距5米， 隧道基本位于直线上。
5.1.2隧道地质信息
隧址区出露地层为角闪石英闪长岩、石英闪长岩根据《公路工程地质勘察规范》 (JTJ064—98)有关规定，将隧址区围岩类别划分为I、II、III、IV、V等五类，洞口 段覆盖层厚，处于全〜强风化带内，稳定性差〜较差，围岩类别为I、II、III类，洞身段 围岩处于弱风化和强风化带内，围岩类别为IV、V类，稳定性好〜较好。
洞身工程地质评价：浅埋段围岩为全一强风化角石英闪长岩带，岩体呈砂石松散 状、碎裂状碎石结构，风化带网状裂隙发育，体裂隙率16〜24条/n?,裂隙延伸长0.5〜2.0 m,属闭合性或微张开性裂隙，裂隙面平直呈稍干状，多见风化泥充填。该带纵波速度 为1100-2000 m/s,平均值1500 m/s,岩体完整性系数为0.1左右，属II类围岩。拱部 开挖时，易产生坍塌，侧壁易沿网状风化裂隙形成软弱面产生滑移，稳定性差。雨季 施工时有浸水或小流水现象，易加剧拱部坍塌及侧壁失稳。
隧道洞身段围岩为弱风化石英闪长岩、角闪石英闪长岩，其相变接触带较破碎。 岩体呈碎裂状碎石结构、块状镶嵌结构。节理裂隙发育〜较发育，多属闭合性剪切节理 裂隙和微张裂隙，结构面平直，多见铁质浸染及泥膜现象，稳定性好〜较好。
5.1.3隧道结构信息
隧道基本情况详见表5-1,隧道内轮廓及建筑界限见图5-1,隧道洞口如图5-2〜 图5-5所示。
表5-1 XX隧道概况表
1隧道名称
XX隧道
隧道全长
(m)
左：500
右：500
路面类型沥青混凝土 8
7
17
20
23
2
5
11
14
上次定期 检査分类
0寸9
00卜
S
图5-1 XX隧道内轮廓及建筑界限图(单位:cm)
图5-3 XX隧道左线B端洞口全景
图5-4 XX隧道右线A端洞口全景
图5-5 XX隧道右线B端洞口全景
5.2隧道病害信息的管理
5.2.1病害的录入
隧道病害的录入有两种方式，一种是现场检测模式，通过选择的方式逐条的手动 输入,另一种是对已有的检测数据，通过导入Excel表格批量输入。
对XX隧道的病害，洞门、洞口等构件的病害较少，用过手动输入的方式录入病 害；衬砌病害较多，将病害数据复制到Excel模板中，如图5-6所示，通过导入Excel 表格实现批量输入，结果如图5-7所示。隧道病害展布图见附录C。
A F G H I
图5-6隧道病害Excel模板
洞口 |洞门 衬砌 KB ；检修遵！排水奈袋i吊顶友预埋件丨内潼怖|标志标第晌
病害类盘
病害扼述
位贵|SSiS 7
里程 ZK 2358 + 300
长度
竟度
面稅
照片 I測览1
CAD |作圏］
左右线 妙 “ I网新—】 r~<x~］厂耳耳一］［保存］
图5-7 XX隧道衬砌病害批量输入
5.2.2病害的三维展示
根据隧道的基本信息，建立隧道的三维模型，如图5-8所示。病害的展示如图5-9 和图5~10所不。
图5-8 XX隧道模型
取隧道里程YK2358+300700,其病害展布图如图5T1所示，病害的三维展示如 图5-12和图5-13所示，可以看出，隧道左、右边墙的病害三维展示与隧道展布图是 ——对应的，真实的“还原”了隧道衬砌病害在隧道中的分布。
图511 XX隧道右线局部病害展布图
图513 XX隧道右边墙病害三维展示
5.3隧道技术状况的评价
根据本文2.4节所述的方法，对XX隧道进行技术状况评定，评价结果见表格5-1 所示。
表51 XX隧道技术状况评定
洞门、洞口技术 状况评定 洞口 进口 0 15 洞门 进口 1 5
出口 0 岀口 0
状况值
编号 ZK2358+ 衬砌破损渗漏水 路面 检修道 排水设施 预埋件 内装饰 标丿忐 标线
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
权重呦 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 土建结构评定等级 2类
系统会根据隧道长度自动进行分段，默认的长度是100 m,技术人员可以根据需 求进行长度的修改。将上述各分项的评定值输入系统，系统会自动计算出评定结果， 如图5-14所示，系统计算的结果是78,评定为2类。
此外，系统不仅支持对隧道的定量的评定，也可以对隧道进行定性的判定。当洞 口、洞门、衬砌、路面和吊顶及预埋件的评定状况值达到3或4时，系统会直接把隧 道土建机构技术状况评定为4类或5类。同时，当隧道某些构件病害较为严重，出现 结构性的破坏，或者可能危及行车安全，技术人员可以通过“修改分类”，直接将隧道 评为5类。
5.4隧道维修养护建议
系统会根据隧道各分项技术评定值，将大于1的构件选出来，给出相应的保养维 修的建议，如图5-15所示。同时，技术人员可以对需要进行保养维修的构件进行删除 或者添加，也可以对系统给出保养维修建议根据实际情况进行修改。
图515 XX隧道保养维修建议
此外，技术人员还可以根据隧道的病害严重程度，决定是否需要进行病害处治。 如果需要病害处治，技术人员可以通过病害原因、隧道病害特征以及预期效果，合理 的选择病害处治方案。
5.5本章小结
本章将隧道管理系统进行了工程实际应用，测试中系统可以对隧道病害信息进行 信息化管理，通过Excel批量导入病害，大大的提高了隧道病害管理的效率；利用BIM 实现隧道衬砌病害的三维可视化，真实的“还原”病害在隧道中的分布，可以更加准 确的对隧道进行技术状况评定，科学的制定维修养护意见，具有一定的实用价值。
结论
本文根据我国目前的最新隧道养护规范，对运营公路隧道的定期检测病害管理系 统进行了开发，重点研究了我国公路隧道定期检测技术要求、基于BIM技术对隧道衬 砌病害进行三维可视化研究、公路隧道土建结构定期检查病害信息管理系统等方面， 取得以下主要成果：
（1） 根据我国现行的隧道养护规范，结合现场检查工作经验，总结我国运营公路 隧道土建结构定期检查的技术要求。
（2） 通过对公路隧道结构的组成要素及空间特性分析，利用BIM技术实现衬砌 病害的三维可视化展示，真实的“还原”衬砌病害在隧道中的分布，为运营公路隧道 的病害检查、维修养护等工作提供一定的便利。
（3） 简述公路隧道病害管理系统的开发目标和开发环境，详细介绍了系统数据的 开发过程，从需求分析到概念设计，再到逻辑设计，最后进行物理设计。通过工程实 例应用，说明该系统运行稳定，界面友好，并具有使用灵活、方便快速、操作简便等 特点，实现了隧道病害的信息化管理，提高了隧道管理的效率，具有很大的应用价值。
本文建立了基于BIM技术的运营公路隧道土建结构定期检查病害信息管理系统, 但尚有许多有待进一步深入进行的研究工作：隧道土建结构检查除了定期检查，还包 括日常检查、应急检查和专项检查，需要对本系统进行完善，添加土建结构的日常检 查、应急检查和专项检查，使其应用更加广泛；利用BIM技术实现病害三维可视化仍 需要一进步研究，使得病害三维可视化不仅仅是衬砌病害，还包括路面、检修道和排 水系统等其他构件，此外，在三维模型中，病害信息的标注也需要进一步研究。
致谢
时光飞逝，转眼间就要告别在西南交大七年的学习生活。依然清楚的记得2009年 本科入学时候的那份憧憬，记得2013年保送读研时的自豪，然而我就要毕业奔赴工作 方位，但是这些年的学习经历，将会成为我人生中最为值得留恋的美好回忆。我由衷 的感谢母校对我的培养，母校严谨求学、求实创新的精神将时刻激励着我。
首先，非常感谢我的导师蒋雅君副教授。蒋老师是我在学术道路上的引路人，本 文从选题到修改再到定稿，每一阶段都凝聚着蒋老师的心血。硕士期间，蒋老师更是 给我提供了很多到现场实践的机会，使我能够将理论和实际相结合，提高自己的综合 能力。三年来，蒋老师严谨的科研态度、渊博的学识、勤劳的作风，时刻勉励这我， 不仅让我在读研期间受益匪浅，更让我受益终生，特向导师致以最诚挚的感谢！
读研三年，作者得到了杨其新教授的帮助和指导，感谢杨老师，杨老师严谨治学， 对学术一丝不苟的精神深深的影响着我，在此向王老师致以崇高的敬意。
三年的时间，与师兄弟间的相处是让人难以忘怀的。感谢我的同门师兄弟，我们 一起走过了研究生三年时光，难忘我们共同学习，共同奋斗，在他们身上我学到了很 多有用的东西。
感谢室友何俊、郭新明、杨守峰和刘科，与你们兄弟般的情谊，必将是我一生美 好的回忆。
感谢我的家人，我的朋友，感谢他们的鼓励让我得以顺利完成毕业设计论文。
李明博
2016年5月1日
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