铁路路基岩溶动态设计软件的开发与应用

张东卿 薛 元 肖朝乾

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

铁路路基岩溶动态设计软件的开发与应用

张东卿 薛 元 肖朝乾

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

岩溶发育具有隐蔽性、复杂性的特点，有限的地质勘探难以准确、完整的揭示其发育特征。目前高速铁路项目为确保整治效果及运营安全，一般采用动态设计整治方案，利用施工钻孔，探灌结合，进一步更全面的验证、揭示岩溶特征。动态设计通常采用交互式绘图平台AutoCAD，其功能强大，易于操作，但其功能具有普适性，不能很好得满足岩溶整治动态设计的特定需求，故导致了设计工作量大、效率低、繁琐易出错的难题。针对上述问题，本文作者以C#.net为开发工具对AutoCAD进行了二次开发，实现了导入路基断面数据、定义整治原则、先期工程平断面自动设计、后期工程平断面自动设计、数量计算、生成设计说明及图面布置等功能。软件已应用于多个项目的实际生产，大幅提高了设计效率，同时提高了设计的精准性。

路基； 岩溶整治； 动态设计； C#.net； AutoCAD

路基岩溶整治动态设计是指根据地质勘察资料进行先期岩溶整治设计及施工，根据先期施工中钻孔和注浆反馈的信息和资料，对地质结论、设计参数及设计方案进行再验证，如确认原设计条件有较大变化，则及时进行方案调整，完成后续整治的方法。动态设计能够最大限度弥补因岩溶的隐蔽性、复杂性导致的地质勘探的局限性，减小注浆工程处理隐患，将安全风险消灭在过程中。但同时带来了设计工作量大、设计过程繁琐、工期紧张的难题，要求设计单位投入较多的人力资源参与设计。

路基岩溶整治动态设计中广泛应用的是AutoCAD软件，其基本功能强大，易于操作，设计人员认同度高，但其功能具有普适性，在专业性较强的领域应用时具有局限性，因而不能很好地满足岩溶整治动态设计的特定需求，导致设计效率较低，需要对其进行二次开发。基于此需求开发了路基岩溶整治动态设计软件，实现了岩溶整治平、断面图的自动设计和数量统计、图面布置等功能，大幅提高了设计效率。

AutoCAD常用的二次开发方式有ObjectARX，VBA，AutoLisp/Visual Lisp以及AutoCAD.net。其中AutoCAD.net完全面向对象，拥有强大功能，并采用了垃圾回收机制，由.net框架自行判断内存回收的时机并实行回收，解决了令C++程序员头痛的内存泄露问题，此外还具有支持混合语言开发和高级API访问等多项优点，故选用其作为二次开发工具。

1 软件总体设计

1.1 功能模块构成

通过对岩溶整治动态设计全流程的调研，明确了软件要具有基本设置、导入路基断面数据、定义整治原则、先期工程平断面设计、后期工程平断面设计、数量计算、生成设计说明及图面布置等功能，才能够实现大幅提高设计效率的预期目的。据此，软件划分为四大模块，功能模块组织如图1所示。

图1 软件功能模块组织

1.2 软件使用界面

为方便用户使用，建立了用户菜单文件(cuix格式)，在AutoCAD环境下通过菜单加载命令加载上述文件即可实现软件菜单栏和工具栏的加载。加载后的菜单栏和工具栏如图2所示。

图2 软件工具栏和菜单栏

一般情况下，需要通过AutoCAD环境的“Netload”命令才能调用.net的程序集，为提高效率，在安装文件内增加了修改注册表的子程序，实现了CAD在启动时自动加载相关程序集。

2 基本设置模块

2.1 定义整治原则

在进行岩溶整治动态设计时，首先要明确整治原则。整治原则包括：平面整治宽度、注浆深度以及注浆孔布置等。其中平面整治宽度的定义以路堤坡脚、路堑侧沟平台外缘以及挡墙墙踵为基准点；注浆深度的定义以基岩面、溶洞底板为基准面，并同时考虑溶洞顶板的厚高比；注浆孔布置原则主要包括孔间距和孔起始位置。上述原则的定义均通过一个对话框来完成，如图3所示。定义好的整治原则将以有名对象字典的格式保存到CAD文件的数据库中，再次打开该CAD文件时，软件即可自动获取整治原则的信息，而不用重新定义。

此外，为便于团队协作，软件还提供了导入导出设计原则的功能。设计负责人定义好整治原则并导出为txt格式，分发给设计者，设计者导入即可使用，避免了重复定义。

图3 整治原则定义窗口

2.2 导入路基断面数据

在定义了整治原则后，为了确定加固范围，还需要获取设计范围内各设计断面的数据，如路堤坡脚、路堑平台侧沟外缘、挡墙墙踵的位置等。上述数据的获取是通过读取特定格式的txt文件来实现的，txt文件每一行代表一个路基断面的数据。

根据具体的设计情况，生成txt格式路基断面数据文件有两种方式。(1)若路基断面设计文件为采用某公司开发的“路基设计辅助软件2008”软件设计生成的RWSG格式文件，则可直接从RWSG格式文件中导出断面数据。(2)若路基断面设计文件为CAD格式文件，则允许用户在软件使用界面和CAD设计文件之间进行切换，逐个设计断面点选距离来生成数据文件。

2.3 其他

此外，软件在进行自动设计时，还需要输入一些基本参数，包括起讫点里程、冠号和平断面比例。同时，为了便于后续绘图使用，还需要对CAD环境进行初始化，包括创建边界属性块、注浆孔属性块、标注样式、字体等。

3 断面图自动设计模块

3.1 纵断面特征识别

地勘专业提供的物探断面图均是CAD格式文件，该格式虽然具有直观、设计者使用方便等优点，但若想直接应用于程序自动设计，则有较大困难。原因在于CAD文件包含了大量无序的信息和图素，但岩溶整治动态设计所关注的实际上只有其中部分关键图素，如土石分界线、充填溶洞、溶蚀破碎带等；但上述关键图素在CAD文件内没有特殊的标识，因此软件无法从众多图素中筛选出所需要的部分，无法直接获得关键图素的句柄，也就不能对其操控，进行自动设计。对此，提出如下解决方案：设计者在物探断面内为程序指定一个参考样本，同时指定筛选特征，筛选特征包括对象类型、图层、线型及颜色(上述特征可单独使用也可组合使用)，程序将会自动过滤出整个物探断面中与参考样本特征相同的图素，并获得其操控句柄。纵断面识别特征同样以有名对象字典的形式保存到CAD文件数据库内。以充填溶洞轮廓线为例，若用户指定的样本颜色为120、线型为Bylayer，则整个物探断面内颜色120、线型为Bylayer的线条均会被识别为充填溶洞轮廓线。通过这种间接方式，程序获得了关键图素的句柄，从而为后续的自动设计奠定基础。特征识别窗口如图4所示。

图4 纵断面特征识别窗口

3.2 断面图自动设计

岩溶整治的断面图设计，是根据路肩线、土石分界线和充填溶洞的相对位置关系按照整治原则确定注浆加固轮廓线。通常采用的整治原则为土石分界线下5 m，充填溶洞周边2 m，对于顶板厚高比大于5 m的溶洞可不处理。在传统手工设计中，这一过程技术难度不高，但因设计对象较多，操作非常繁琐，效率极低，是整个设计流程中耗时最多的部分。经仔细研究，对设计过程进行分解和逻辑关系判断，最终实现了程序自动设计，其流程如图5所示。

图5 断面图自动设计流程图

在上述流程中，最为关键的技术是对偏移后的土石分界线和溶洞轮廓线进行处理获取加固轮廓线过程。软件自动设计完成的断面图如图6所示。

图6 软件完成的断面设计图

3.3 手动局部修改

从图6中可以看出，在完成自动设计后，存在部分溶洞未被处理。从理论上讲，该部分溶洞都是程序根据整治原则严格判定后不需要进行处理的，但是其中有个别溶洞距离注浆加固轮廓线很近或者本身尺寸相对较大，设计者主观认为需要进行整治处理的。在进行软件开发时，充分考虑到了这种情况，设置了手动局部修改的功能，该功能要求用户在自动设计完成的基础上，先选择注浆轮廓线，再点选要处理的溶洞，即可完成修改。

4 平面图自动设计模块

4.1 先期工程平面图设计

先期工程平面图设计是指根据整治原则和获取的断面数据，在地勘专业提供的物探图上标注平面加固范围和布置注浆孔。主要方法和步骤如下：(1)软件首先以对话框的形式要求用户选择存储断面数据的txt文件，在读取文件后，软件对数据文件进行解析，判定断面为路堤或路堑，以及是否设有挡墙，并获取各基准点的位置；(2)根据整治原则，如路堤坡脚外5 m，路堑侧沟平台外2 m，挡墙墙踵外2 m等，确定每个断面左右两侧加固边界到线路中线的距离；(3)软件要求用户在CAD窗口内选择线路中线并指定线路起点位置，据此软件自动确定设计区间内左右两侧加固边界的坐标，并以二维点的形式保存到一个二维点点集内；(4)软件依据边界点集绘制一个封闭的加固边界，并标注边界点；(5)按照整治原则指定的注浆孔间距对封闭的加固边界对应的内接矩形范围进行遍历，如果遍历点在加固边界内，则按照间隔要求绘制探导孔或I序孔，否则不绘制。在上述过程中，判定点是否在多段线内部是一个难点，软件采用的是射线法，即从给定点出发沿X轴正方向做一条射线，如果射线与多段线交点个数为奇数，则点在多段线内；如果为偶数，则点在多段线外部。软件自动设计完成的平面图如图7所示。

图7 软件完成的平面设计图

4.2 后期工程平面图设计

指先期工程施工完成后，地勘专业根据施工情况，对设计范围的岩溶塌陷情况进行后次评判，将其划分为极易塌陷区、易塌陷区和不易塌陷区。设计者则根据分区情况进行后期工程设计，对于易塌陷区要增设Ⅱ序孔，对于极易塌陷区则要增设Ⅱ序孔和Ⅲ序孔，而对于不易塌陷区，则不需要进行后期工程设计。因此，软件在进行后期工程平面图自动设计时，首先面临的难题与纵断面自动设计一致，即关键图素(分区边界线)的识别和获取，采用与纵断面自动设计一致的解决方案，即通过给定样本来自动筛选。在明确了分区边界后，软件自动确定已有的探导孔和I序孔的位置，并进行Ⅱ序孔和Ⅲ序孔的布设。

5 其他功能

5.1 数量计算

在采用传统方法进行数量计算时，因注浆孔数量较多，通常采用的计算方法是计算钻孔长度的平均值，这样计算虽然得到了简化，但却只能反映总的钻孔长度，而不能反映每个孔的具体情况，一方面造成了计量不精准，另一方面在审核施工单位提供的先期工程资料时缺乏必要的参照依据。

为此，软件开发了数量计算功能，通过在每个注浆孔位置绘制构造线，获取其与地面线、土石分界线、注浆加固轮廓线的交点来精确的计算出钻土长度和钻石长度，最终以列表的形式给出每个注浆孔的类型、编号、位置、钻土长度、钻石长度等，实现了精细化设计。

5.2 审核先期工程资料

在动态设计流程中，审核先期工程资料是重要的一环。施工单位在按照先期工程设计图进行施工后，需要根据实际钻孔和注浆情况向设计单位提供资料，设计单位对此进行审核，以核实是否有超钻、欠钻的情况。以往，这一过程均是人工逐孔完成，耗时费力，且易出错，为此，软件设置了一键审核先期工程资料的功能。审核者将施工单位提供的注浆孔一览表(Excel格式)导入软件，程序读取Excel表格中的数据，逐孔将施工资料和设计资料进行对比，如施工资料记录的钻孔长度大于设计长度则认为是超钻，反之，则认为是欠钻。

5.3 生成设计说明和图面布置

为提高设计效率和实现标准化，软件还设置了生成设计说明和图面布置的功能。设计说明是以属性块的形式插入到CAD内，设计者可以对关键信息进行修改，同时还允许设计者针对不同的项目自定义设计说明模板。图面布置则是以插入动态块的形式实现，允许设计者拖动夹点快速改变图框大小。

6 结束语

岩溶整治动态设计流程多，工作量大，采用传统人工方法在AutoCAD环境内进行交互式绘图，操作繁琐枯燥，且因技术难度不高，不易调动设计者积极性。为此，在对定义设计原则、平面图自动设计、断面图自动设计、数量计算、先期工程资料审核等设计过程的自动化技术进行了研究的基础上，利用C# .net 技术对AutoCAD进行了二次开发，研制出了路基岩溶整治动态设计软件。据测试，相比传统方法，使用软件进行设计时，效率提高了2～3倍，有效节约了人力资源，同时还减少了人为出错几率，并实现了精确数量计算，提高了设计精细化程度。目前该软件已应用于六盘水至安顺城际铁路、成都至贵阳客运专线等多个项目，带来了明显的技术和经济效益。

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Development and Application of Software for dynamic Design of Railway Subgrade Karst

ZHANG Dongqing XUE Yuan XIAO Chaoqian

(China Railway Eryuan Engineering Group Co．，Ltd．，Chengdu 610031，China)

Due to the concealment and complexity of Karst development, it is difficult to disclose accurately and completely its development characteristics by limited geological exploration. To ensure the effectiveness of treatment and safety of operation, the solution of dynamic design is usually adopted in the high speed railway project. With the help of the construction drilling hole and in combination with exploration and grouting , the karst features are more completely disclosed. The interactive drawing platform AutoCAD characterized by powerful function and simple operation is usually used for dynamic design. But the universality of AutoCAD cannot meet the specific need of dynamic design of Karst treatment, which causes heavy design workload, low efficiency and tedious and prone problems. In view of such problems, taking C#.net as development tool in AutoCAD environment, a new software is developed, it has the functions of introduction of subgrade section data, definition of design principles, automatic plan and section design of phase I and phase II of the project, calculation of quantities, generation of design notes, and drawing arrangement. The software has been applied in multiple projects. Benefited from this software, the design efficiency is substantially increased and the design accuracy is improved.

subgrade; karst treatment; dynamic design; C#.net; AutoCAD

2016-04-19

张东卿(1987-)，男，工程师。

1674—8247(2016)05—0030—05

U213.1

A