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计算机辅助设计在客专铁路隧道洞门施工放样中的应用

摘要：本文结合长株潭城际客运铁路贺家冲隧道帽檐斜切式隧道洞门的测量放样，主要介绍
如何通过AUTOCAD三维建模功能获取隧道洞门测量放线数据，并就洞门外业主要测量放样工作进行了探讨，对提高施工放样效率有一定的帮助。
关键词：帽檐斜切式 AUTOCAD 三维建模 测量放样

一、前言
铁路客运专线多数采用帽檐式斜切洞门，其特点是能最大限度地减少高速运行列车进入隧道瞬间，高压气流对列车的损害和不良影响，是我国近年才引进的一项先进设计。目前大多数隧道洞门设计采用隧道洞门设计参考图，取消了隧道洞门轮廓线坐标表，施工单位如何通过参考图上仅有的平、立、正面图来得到放样数据，以及如何实施测量放样工作，是一个值得探讨的课题。目前，计算机三维辅助设计技术在建筑工程行业的应用为我们提供了一个可靠而有效的方法。
二、工程概况
贺家冲隧道全长1125m，穿越贺家冲山脉，地处丘陵区，自然高差约90m，自然坡度约20°，地形起伏，洞口多辟为民房，从谷地内为水塘、水田。隧道设计速度200km/h，线间距为4.4m。进出口洞门设计均采用帽檐斜切式隧道洞门，斜切面1：1.25，仰坡1：1.15。帽檐斜切式隧道洞门结构系在洞衬砌斜面架设一斜切椭圆台（环）面帽檐构筑而成，该椭圆台面以初砌斜椭圆面为底面，其轴线通过底面椭圆中心并与之垂直，其迹线与底面椭圆长。洞门侧视轮廓图及结构剖面图如图1、2，表1所示。

图1 洞门侧视轮廓图
图2 洞门结构示意图
表1 帽檐轮廓线椭圆要素 mm
轮廓线编号
a
b
c
d
x
0
0
0
0
y
1820
1820
2510
2360
z
3080
3080
2390
2530
长轴
9650
10770
10740
11500
短轴
6030
6730
6710
7180
帽檐式斜切式洞门4条椭圆曲线a、b、c、d长短轴均不相同，且其圆心位于与线路方向垂直的不同平面内，每个椭圆所在的平面与水平方向的夹角也是不同的，使得每条曲线的放样数据要经过数学公式推导，才能计算得出，这样做不仅麻烦，同时也会降低挡头模板尺寸

的计算精度。本文利用AutoCAD的三维建模功能进行计算，只要严格按照设计尺寸建立洞门部位的模型，则轮廓线上关键点的相对坐标和衬砌挡头模板尺寸就可以利用AutoCAD的计算功能在三维模型上自动进行计算。
三、创建三维模型
（一）绘制洞身三维模型
1.在CAD主视图中，使用绘图工具按照设计尺寸绘制出洞口初砌轮廓平面图，如下图3所示。

图3 初砌断面轮廓平面图
2.使用（绘图/建模/拉伸）EXTRUDE命令将平面图形转变为实体模型。利用VPOINT命令调整好视角，最后对实体模型进行着色即可生成直观模型图，如下图4所示。

图4 初砌三维实体图
（二）剖切1：1.25洞身获得轮廓线a、b、c、d
1.在剖切之前，需要先绘制出剖切面，利用UCS命令的3POINT命令即三点确定一个新坐标系命令，将新坐标系放在垂直于衬砌模型纵向轴线的平面上，再使用（修改/三维操作/剖切）SLICE命令，按1：1.25的斜切面剖切洞身，即沿XY坐标平面剖切，最后删除不用部分，被剖切面即为轮廓线a、b所在面。如下图5所示。

图5 剖切后初砌实体图
2.再利用“I-I剖视面”中轮廓线cd上顶点至椭圆台轴线的垂直距离为长轴、以中心点至两侧长度为短轴，以垂足至椭圆台轴线与剖视图轮廓线c、d对应的帽檐轮廓线相交的交点O1、O2的距离为延伸长度，旋转三维椭圆台实体图。即使用cone命令指定椭圆e命令进行三维椭圆锥旋转操作。使用（修改/三维操作/剖切）SLICE命令剖切出洞门轮廓c、d线所在平面，剖切出的轮廓线即为c、d轮廓线。至此，洞门轮廓线a、b、c、d均已获得。如下图6所示。

图6 三维椭圆旋转图
（三）获取放样数据
洞门三维模型建好后，就可以在模型上利用AutoCAD的自动计算功能进行相对坐标等的计算操作。下面以计算斜截面内轮廓线d为例来说明如何在三维模型上进行计算。
从三维模型中提取出轮廓线d的正面图和侧面图，图中可以直接标注尺寸，如图7所示，即为放样中需要的尺寸数据。

图7 轮廓线d放样尺寸
四、洞门测量放样
（一）列出轮廓线坐标表
1.洞门结构沿隧道中轴面,即图示Y-Z面对称。获得轮廓线后，取洞门结构半侧轮廓线按一定间隔在高程（Y）方向、里程（Z）方向布14个放样点（布点数根据实际情况调整），本文仅以轮廓线d为示例，如图8：

图8 半侧轮廓线d放样布点图
2.利用半侧轮廓线放样布点CAD图提取高程值（Y）、里程值（Z）、中心支距值（X），列出各轮廓线坐标表，如下表2：

表2 洞门轮廓线d坐标表
坐标
点号
Z（cm）
轮廓线d
X（cm）
Y（cm）
1
0

2
64.36
222.74
39.0
3
139.49
312.77
79.0
4
246.81
392.88
129.0
5
354.13
504.93
229.0
6
461.45
582.18
329.0
7
568.77
637.4
429.0
8
676.09
676.0
529.0
9
783.41
700.75
629.0
10
890.73
713.07
729.0
11
998.05
713.62
829.0
12
1051.71
702.41
929.0
13
1094.64
687.29
999.0
14
1136.5
669.2
1059.0

（二）现场测量放样
测量放样须配合并满足现场施工需要。由于帽檐的4条轮廓线全为坐标控制，若使用组合模板存在较大的困难，所以选用拼装模板与木模配合使用。该洞门分为3次浇筑，故需多次测量放样及复核。第一次浇筑明洞段，第二次浇筑延伸段及斜切段，最后施工帽檐。
明洞段和斜切段施工时，内模均采用全断面液压衬砌台车，外模和端模均采用木模，测量放样主要以定位台车中线、高程位置以及断面尺寸为主
明洞段衬砌施工完后，将衬砌台车推至斜切和延伸段，此阶段测量放样除定位台车及断面外，还须放样轮廓线a、b坐标以便斜切面安装模板。现场以隧道洞门口向洞内的距离（Z）、隧道中线至轮廓线的距离（X）以及轮廓线至沟槽顶面的相对高差（Y）三个坐标值控制测量。

斜切和延伸段完成后衬砌台车不动，以衬砌台车为帽檐内模支撑点，明洞衬砌和边坡为帽檐外模支撑点安装帽檐模板浇筑混凝土，此阶段不需定位台车及断面尺寸，仅需放样轮廓线c、d，模板安装好后还需复测并做出相应的调整。
五、结语
本文以贺家冲隧道帽檐式洞门施工测量为例，探讨了如何将AutoCAD三维技术应用到测量放线内业计算工作中，以及洞门施工各阶段测量放样的主要工作，相信在隧道、桥梁等工程施工中，一定会有更多问题可以通过计算机三维辅助技术来更好、更快、更有效地解决。

参考文献

[1]李磊．中文版AUTOCAD2005三维图形设计[M]．北京：清华大学出版社，2004．
[2]边鹏飞．AutoCAD2000在隧道洞门施工放样中的应用[J]．测绘通报，2002，(5)：32-33．
[3]唐星．铁路客运专线隧道洞门选型及设计[J]．铁道勘测与设计,2005,(6)：41-45．

（注：专业文档是经验性极强的领域，无法思考和涵盖全面，素材和资料部分来自网络，供参考。可复制、编制，期待你的好评与关注）