1.1.1.1 隧道地下工程三维数字地层模型
三维数字地层模型（3D digital stratigraphic model）是通过数字技术将地下地层的各种地质、地球物理和地球化学数据集成起来，建立起来的一种描述地下地质体三维几何形态和物性参数的数学模型。该模型通过对地层的三维可视化和空间分析，能够提供更加精确的地质信息，对于矿产资源勘探、开采、地质灾害预测和环境保护等方面具有重要意义（Wu, H., & Wang, D.，2015）。
三维数字地层模型通常是基于大量采集的地质数据构建而成的。这些数据包括地球物理勘探数据、钻孔数据、采样数据、地质地球化学数据等。数字地层模型的建立是一个将各种地质数据相互整合的过程，主要分为数据整合和模型建立两个阶段。
在数据整合阶段，首先需要对不同来源的数据进行处理和整合。一般采用数据采集、数据清理、数据储存、数据管理和数据共享等方法将不同类型的地质数据进行整合，以便后续建模过程使用。在这个阶段，还需要进行数据质量评估和控制，包括对数据的精度、分辨率、有效性、一致性等方面的评估，以保证数据的可靠性和准确性。
在模型建立阶段，采用数字化技术将整合的数据转换为三维数字地层模型。一般可以采用三维建模软件，如Gocad、Petrel、Surpac等，来构建地质体的三维形态。在构建的过程中，需要根据数据的特点和采集方式，选择合适的建模方法，以获得最优的模型结果。同时，还需要进行模型的精度评估，以保证模型的可靠性和准确性。
三维数字地层模型的优点在于可以提供准确、直观、高效的地质信息，并能够对地质地球化学等多种信息进行综合分析。它可以帮助地质工作者更好地理解地质体的结构、物性和特征，并在矿产资源勘探、开采等方面提供更加精细和全面的地质信息。同时，数字地层模型还可以用于预测地质灾害的发生和发展趋势，提供环境保护和生态治理方面的支持。
在隧道透明地下工程中，通过计算机软件构建出具有时空关系的三维地质模型，可以有效提高工程质量和安全性，降低成本和风险（谢建兵等，2017）。
首先，三维数字地层模型可以提高隧道勘察和设计的精度和效率。在隧道勘察和设计中，需要获取地质信息和地下结构信息，以便进行隧道的位置选择、断面设计、支护方案等方面的决策。传统的勘察方法往往是依靠钻探、地质剖面、地下水位测量等方式获取地质信息，但这些方法往往不够全面、准确、可靠，而且工作量大，费时费力。通过三维数字地层模型，可以将多种数据整合起来，构建出高精度的地质模型，包括地层分布、地层厚度、岩性、断层和构造等信息，从而为隧道勘察和设计提供精确的地质信息和地下结构信息，避免由于地质信息缺失或错误导致的工程设计失误。
其次，三维数字地层模型可以帮助隧道施工方案的优化和风险控制。在隧道施工过程中，往往会受到地质条件、地下水、地表地形、工程设施等多种因素的影响，因此需要通过建立三维数字地层模型来进行施工方案的优化和风险控制。通过三维数字地层模型，可以对隧道工程的进度、质量、成本和安全进行模拟分析，优化施工方案，降低风险。例如，通过模拟分析隧道施工过程中的地应力和变形，可以评估隧道支护方案的有效性，预测支护结构的稳定性；通过模拟分析隧道施工过程中的地下水位、地下水压、地下水渗流等参数，可以评估隧道的排水和防渗能力，优化隧道施工的排水方案。
基于三维数字地层模型，可以进行隧道建设的可行性分析和设计优化。通过对地质信息、地层结构、地下水流动等进行数字化建模和模拟，可以预测隧道建设过程中可能遇到的问题，如地质灾害、水文地质问题等，并制定相应的应对措施。
在隧道建设前期，可以利用三维数字地层模型对隧道开挖进行仿真，包括隧道开挖后的地层变形、应力分布、岩体开裂、地表沉降等情况。通过模拟分析，可以评估隧道建设对地下环境和地表环境的影响，提前预防和控制可能出现的安全问题。
在隧道建设中期，三维数字地层模型可以为隧道的施工提供支持。在隧道开挖过程中，不断更新模型，及时反映实际开挖的情况，通过模拟分析，为隧道施工提供指导和决策支持。同时，三维数字地层模型可以与实时监测数据进行比对分析，实现对隧道施工过程的实时监测和预警。
在隧道建设后期，三维数字地层模型可以为隧道的维护和管理提供支持。通过对地下环境和地表环境的数字化建模，可以对隧道周边环境的变化进行实时监测和评估，为隧道的日常维护和管理提供科学的依据。
总之，三维数字地层模型的应用可以提高隧道建设的安全性、可靠性和效率，减少隧道建设和运营中的风险和损失，为隧道工程的发展和进步提供坚实的支撑。
隧道及其附属设施模型（Tunnel and its ancillary facilities model）是指基于三维数字化技术建立的隧道结构、道路、桥梁、排水、通风、照明等各类附属设施的模型。通过建立这些模型，可以对隧道施工、运营、维护等各个阶段进行全面的数字仿真，实现隧道工程全寿命周期管理，提高施工效率，降低工程风险，保障隧道工程安全运营。
隧道及附属设施模型建立的主要步骤包括数据采集、数据预处理、数据分析、建模及可视化等环节。具体来说，其建立过程包括以下几个方面：
数据采集：隧道及附属设施模型建立的第一步是进行数据采集。采集内容主要包括隧道的地理位置、地形、地质条件、地下水情况、施工图纸、设计参数等各类数据。数据的采集可以通过各种测量仪器、遥感技术、摄像机等多种手段进行。
数据预处理：数据采集完成后，需要对数据进行预处理，包括数据质量检查、数据格式转换、数据筛选、数据拓扑关系建立等处理。这些预处理操作是为了保证数据的正确性、完整性和一致性，使数据符合建模的要求。
数据分析：在数据预处理的基础上，需要对数据进行分析，确定各类隧道附属设施之间的关系和特征。这些分析可以通过计算机视觉、机器学习等技术进行，以确定设施的类型、数量、尺寸、形状和位置等关键参数。
建模：建立隧道及附属设施模型是基于分析结果，采用三维建模软件进行建模操作，将分析结果转化为三维数字模型。在建模过程中，需要根据实际情况确定模型的精度、分辨率和模型格式等参数，以保证模型的准确性和可用性。
可视化：隧道及附属设施模型的可视化是为了更好地展现模型的特点、优缺点和操作方法，便于用户理解和使用。通过可视化技术，可以实现模型的立体展示、动态交互和多维度查询，满足用户在设计、施工和管理过程中的各种需求。
隧道及附属设施模型是指将隧道及其附属设施的物理特征、结构和地质信息通过数字化手段转换为三维模型，实现对隧道及其附属设施进行数字化仿真和监测分析，以提高隧道的设计、建设和运营效率。
一般而言，隧道及其附属设施包括隧道本身、进口和出口、支护结构、通风系统、排水系统等。这些设施的建设和运营需要充分考虑地质条件、土层结构、地下水位、地下管线等因素，因此，采用数字化手段进行建模和仿真是非常必要的。
在建立隧道及附属设施模型时，需要进行数据采集、处理和分析。首先，需要获取隧道的地质地形数据，包括地质构造、岩性、地下水位等信息。此外，还需要采集隧道的设计图纸、工程量清单和施工方案等资料。通过对这些数据的分析和处理，可以建立精细的隧道及附属设施模型。
在隧道及附属设施模型中，每个部件都具有自己的属性，包括几何形状、材质、强度等参数。同时，模型还可以模拟隧道在不同工况下的受力情况，如地震、风荷载、温度变化等，以评估隧道结构的安全性和稳定性。此外，隧道及附属设施模型还可以用于分析通风、照明、排水、消防等设施的设计和运行效率。
隧道及附属设施模型的建立和应用，可以在隧道建设的各个阶段中发挥作用。在规划设计阶段，可以使用模型对不同方案进行评估，优化隧道设计，提高隧道的安全性和经济性。在施工阶段，模型可以用于指导施工过程，分析和评估隧道结构的受力情况，指导支护结构的设计和施工，提高施工效率和安全性。在运营维护阶段，模型可以用于隧道设施的监测和评估，及时发现隐患，提高设施的维护效率和安全性。
一般来说，隧道及附属设施模型包括以下内容：
- 隧道地质模型：主要包括隧道所经过的地层类型、地层厚度、地层倾角、岩性、结构构造等，这些参数可以通过现场地质勘探、采样、试验等手段获取，并通过数字化技术进行建模和分析。
- 隧道结构模型：主要包括隧道的截面形状、尺寸、曲率、倾斜度、支护结构等，这些参数可以通过工程设计图纸、现场测量等方式获取，并通过数字化技术进行建模和分析。
- 隧道施工模型：主要包括隧道的开挖方式、施工工艺、支护方式、进尺速度、施工时间等，这些参数可以通过施工计划、监测数据、实测数据等手段获取，并通过数字化技术进行建模和分析。
- 隧道运营模型：主要包括隧道的交通流量、车速、车辆类型、路面状况、设施设备运行状况等，这些参数可以通过交通监测、设施设备监测等手段获取，并通过数字化技术进行建模和分析。
- 隧道维护模型：主要包括隧道的维修保养、设施设备维护、安全管理等，这些参数可以通过维护记录、设施设备检测、现场检查等手段获取，并通过数字化技术进行建模和分析。
隧道及附属设施模型在工程建设、运营和维护过程中具有重要的应用价值。通过模型分析，可以优化隧道施工方案、提高施工效率、降低施工成本；可以评估隧道的交通流量、疏导能力、通行安全性等，提高隧道的运行效率和服务质量；可以预测隧道的维修保养需求、及时排除隐患，保障隧道的安全可靠性。同时，隧道及附属设施模型也可以为决策者提供数据支持和决策依据，实现科学管理和精细化运营。