基于BIM融合技術(shù)的復(fù)雜地質(zhì)路段綜合設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：王長(zhǎng)海（1981—），教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事交通數(shù)字化工程技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用工作。

文章針對(duì)某高速公路古滑坡及巖溶隧道的綜合設(shè)計(jì)難題，開展了激光雷達(dá)、實(shí)景三維及三維地質(zhì)建模等BIM融合技術(shù)研究，對(duì)該工程復(fù)雜地質(zhì)路段的古滑坡對(duì)象、巖溶隧道對(duì)象分別進(jìn)行了三維實(shí)體建模，并開展了基于BIM的體系化技術(shù)應(yīng)用，確保了復(fù)雜地質(zhì)路段工程安全，取得了較好的應(yīng)用效果。

BIM;古滑坡;巖溶隧道;激光雷達(dá);實(shí)景三維

U412A100333

0 引言

BIM （Building Information Modelling） 是三維數(shù)字化的代表性技術(shù)[1]，可以有效囊括工程項(xiàng)目測(cè)繪、勘察和設(shè)計(jì)等多個(gè)階段信息[2]。BIM技術(shù)的本質(zhì)是綜合信息的可視化表達(dá)和有效傳遞，能夠呈現(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)象的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)[3]，并可以基于三維數(shù)字信息逼真地模擬設(shè)計(jì)對(duì)象的真實(shí)信息。BIM技術(shù)能夠綜合提升交通項(xiàng)目測(cè)繪、勘察和設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量[4]，尤其是在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域或路段的綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用，具有顯著的效果。

通過BIM模型統(tǒng)一表達(dá)地上和地下空間的土木工程全要素對(duì)象[5-6]，并保證各專業(yè)之間數(shù)據(jù)的無縫傳遞[7-8]，建立項(xiàng)目測(cè)繪與地質(zhì)等專業(yè)之間的統(tǒng)一模型，能夠利用三維模型的可視化、易于直觀分析、數(shù)據(jù)融合與共享等特性[9-10]，為高速公路復(fù)雜地質(zhì)路段的勘測(cè)和設(shè)計(jì)提供詳實(shí)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析技術(shù)。

本文以廣西蒙山至象州高速公路工程為背景，針對(duì)工程中存在的白石古滑坡、巖溶區(qū)隧道等復(fù)雜地質(zhì)問題，結(jié)合地質(zhì)勘察和物探、地表航測(cè)、地上地下空間各專業(yè)BIM模型，研究基于BIM的可視化綜合分析與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用，確保復(fù)雜地質(zhì)路段工程安全，取得了良好的效果。

1 項(xiàng)目概述

蒙山至象州高速公路全長(zhǎng)65.336 km，主線長(zhǎng)33.668 km。項(xiàng)目起點(diǎn)位于荔浦與金秀縣界龍圍屯附近，終于金秀縣桐木鎮(zhèn)長(zhǎng)田嶺附近，橋隧比高達(dá)35.3%，造價(jià)約為50億元。蒙山至象州高速公路的項(xiàng)目成果響應(yīng)了國(guó)家西部大開發(fā)戰(zhàn)略計(jì)劃，助力完善中國(guó)國(guó)家高速公路網(wǎng)，構(gòu)筑西南地區(qū)出海和廣西東部地區(qū)出海出邊國(guó)際大通道，推進(jìn)國(guó)際化區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作。項(xiàng)目建設(shè)對(duì)提高西南縱深山區(qū)的地方交通通行能力，加快廣西地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和沿線旅游資源開發(fā)等具有重要戰(zhàn)略意義。

2 項(xiàng)目難點(diǎn)

該項(xiàng)目里程長(zhǎng)，總體規(guī)模大，特別是沿線地形陡峭，還存在滑坡體、巖溶等不良地質(zhì)，具有一定的技術(shù)難度，導(dǎo)致路線方案的比選存在一定的困難，具體表現(xiàn)為以下兩類問題：

（1）項(xiàng)目里程長(zhǎng)、工程規(guī)模大，綜合管理復(fù)雜。項(xiàng)目主線長(zhǎng)33.668 km，橋梁長(zhǎng)4 891.625 m，隧道全長(zhǎng)6 987 m，包括一處服務(wù)區(qū)和兩處互通，項(xiàng)目總造價(jià)約為50億元。

（2）路段經(jīng)過的地形、地質(zhì)等基礎(chǔ)條件復(fù)雜，路線方案選擇困難。擬建公路附近存在古滑坡，該滑坡工程屬于Ⅰ級(jí)滑坡防治工程。邊坡受地下水和降雨影響，穩(wěn)定性差，易發(fā)生剝落、崩塌甚至滑坡事故，甚至誘發(fā)古滑坡復(fù)活。

針對(duì)設(shè)計(jì)施工的重難點(diǎn)問題，通過BIM技術(shù)開展項(xiàng)目場(chǎng)地勘測(cè)、初步設(shè)計(jì)及優(yōu)化，能夠解決項(xiàng)目中存在的難點(diǎn)問題。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

3.1 無人機(jī)三維實(shí)景和分析

利用無人機(jī)采集路段沿線的正攝影像，并在Smart3D上完成三維實(shí)景建模，形成BIM設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)資料。通過構(gòu)建的實(shí)景建模，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)、精確的三維重建，輔助科學(xué)設(shè)計(jì)和決策。

3.2 基于機(jī)載激光雷達(dá)的三維航測(cè)和環(huán)境分析

項(xiàng)目全線通過高精度激光雷達(dá)測(cè)繪，完成精準(zhǔn)測(cè)繪，并構(gòu)建三維高精度地形曲面，解決了傳統(tǒng)人工測(cè)繪采樣點(diǎn)不足的問題。精確的測(cè)量成果提高了BIM設(shè)計(jì)的合理性及準(zhǔn)確性，有效減少了后期針對(duì)土石方、邊坡方案、擋墻高度、橋梁墩臺(tái)位置、隧道洞口等因測(cè)量精度不足導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更。

3.3 三維地質(zhì)模型構(gòu)建與評(píng)價(jià)

針對(duì)隧道和大型古滑坡等復(fù)雜地質(zhì)路段構(gòu)建三維地質(zhì)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)地形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物探及巖土參數(shù)等多要素的可視化表達(dá)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行橋梁、隧道等構(gòu)筑物對(duì)象的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

基于采集的復(fù)雜地質(zhì)路段的三維空間物探數(shù)據(jù)，并結(jié)合地質(zhì)鉆探和三維地形資料建立了地質(zhì)模型，包括地層結(jié)構(gòu)、溶洞不良地質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)與結(jié)構(gòu)的綜合分析（見圖1、圖2）。

通過構(gòu)建古滑坡等復(fù)雜地質(zhì)模型和溶洞模型，充分解析古滑坡及溶洞的構(gòu)造特征，并通過地層關(guān)系分析隧道圍巖等級(jí)，確保了隧道和古滑坡的安全設(shè)計(jì)。利用三維地質(zhì)模型還能夠完成斷面剖分及投影，形成地質(zhì)剖面圖，并實(shí)現(xiàn)三維模型和二維剖面的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

3.4 白石古滑坡三維設(shè)計(jì)

白石古滑坡作為本項(xiàng)目地質(zhì)復(fù)雜的重難點(diǎn)路段，采用BIM技術(shù)開展專題研究，結(jié)合三維地質(zhì)、路基、邊坡防護(hù)、橋梁等進(jìn)行綜合分析，確保了滑坡體內(nèi)的工程設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)安全（如圖3所示）。

白石古滑坡主要由第四系（Q4）、滑坡堆積層（Ddel～Qdel）及泥盆系下統(tǒng)蓮花山組（D1l）地層組成，屬于順層巖質(zhì)滑坡?；乱?guī)模屬于深層巨型古滑坡。

對(duì)白石古滑坡利用基于Bentley平臺(tái)開發(fā)的GeoStation軟件進(jìn)行建模，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況將表層碎石土、滑帶土、中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖等巖層建成標(biāo)準(zhǔn)地層。依據(jù)鉆孔和物探資料，將鉆孔資料錄入軟件，賦予鉆孔不同的地層屬性，最后生成地層界面和三維地質(zhì)巖體。

基于地質(zhì)滑坡體地質(zhì)模型及路線三維模型，分析路線走向?qū)呕碌挠绊憽?/p>

（1）全斷面深挖段：需對(duì)左側(cè)路塹邊坡采用抗滑樁等強(qiáng)支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，設(shè)防底部應(yīng)穿越影響滑面。

（2）全斷面高填方路段：左側(cè)挖方設(shè)防與全斷面深挖段左側(cè)設(shè)防相同，右側(cè)高填方段采取設(shè)置支擋或支護(hù)結(jié)構(gòu)，底部同樣需穿越所影響到的淺層滑動(dòng)面。

（3）一般填挖段：在不影響路基整體穩(wěn)定性的情況下要及時(shí)封閉填挖方邊坡坡面，并做好截排水設(shè)施，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，出現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)及時(shí)采取支擋防護(hù)措施。

（4）橋梁段：橋臺(tái)填筑后可能引發(fā)淺層滑動(dòng)，需進(jìn)行防護(hù)。橋梁樁基礎(chǔ)嵌入至最深層滑面以下，并且要對(duì)樁基進(jìn)行特殊的抗滑設(shè)計(jì)。

根據(jù)模型可以更加直觀地對(duì)古滑坡段路線進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)路線經(jīng)過的滑坡體進(jìn)行邊坡防護(hù)，減少路線對(duì)古滑坡的擾動(dòng)，有利于方案設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.5 巖溶區(qū)域隧道三維設(shè)計(jì)

六幫尾隧道作為蒙山至象州高速公路的控制性工程，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)3 525 m，屬于特長(zhǎng)隧道。利用BIM技術(shù)對(duì)隧道地質(zhì)、隧道結(jié)構(gòu)開展三維設(shè)計(jì)，確保隧道選線合理，結(jié)構(gòu)安全。

六幫尾隧道為雙洞分離式越嶺特長(zhǎng)隧道，隧道最大埋深約為590.6 m。隧址區(qū)屬碎屑巖區(qū)，隧道兩端山體斜坡未見滑坡、山體崩塌、泥石流等不良地質(zhì)。

六幫尾隧道長(zhǎng)度為3 525 m，隧址范圍狹長(zhǎng)，鉆孔數(shù)量少，建模難度大。為了提高地層界面的建模精度，在數(shù)據(jù)庫中提前錄入虛擬鉆孔，賦予真實(shí)鉆孔和虛擬鉆孔標(biāo)準(zhǔn)地層屬性，將隧址范圍分成若干個(gè)范圍進(jìn)行分別建模。結(jié)合物探數(shù)據(jù)，標(biāo)示隧址區(qū)斷層和溶洞位置，生成三維斷層和溶洞模型。

基于隧道三維地質(zhì)模型，將在PowerCivil和CivilStation軟件中建立的隧道結(jié)構(gòu)模型整合在地質(zhì)模型中，利用三維地質(zhì)模型的屬性查詢功能，結(jié)合隧道里程樁號(hào)查看任意橫截面的隧道橫斷面，綜合分析隧道周圍圍巖狀況，判定隧道埋深，掌握地層、地質(zhì)屬性，優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（見圖4）。

3.6 三維仿真和數(shù)字化交底

針對(duì)隧道及古滑坡路段的車流及人流進(jìn)行交通仿真和預(yù)測(cè)，分析項(xiàng)目未來的交通流量，規(guī)劃復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域交通節(jié)點(diǎn)的組織，并將分析結(jié)果進(jìn)行三維模擬和仿真，能夠直觀地呈現(xiàn)分析結(jié)果，進(jìn)而有效助力交通組織決策。

通過構(gòu)建復(fù)雜地質(zhì)路段的三維場(chǎng)地模型，合理規(guī)劃施工場(chǎng)地的布置，進(jìn)行集約化管理，能夠優(yōu)化施工的用地，保障施工現(xiàn)場(chǎng)的安全。

4 應(yīng)用效果及其創(chuàng)新

（1）基于三維實(shí)景重構(gòu)數(shù)字化工程環(huán)境，解決項(xiàng)目征地、環(huán)境評(píng)估等復(fù)雜難題，并有效提高地形地質(zhì)復(fù)雜路段的設(shè)計(jì)精度。

（2）針對(duì)白石古滑坡、巖溶區(qū)隧道等復(fù)雜地質(zhì)路段，結(jié)合地質(zhì)勘察和物探、地表航測(cè)、各專業(yè)BIM模型進(jìn)行可視化綜合分析，確保復(fù)雜地質(zhì)路段的工程施工及運(yùn)行安全。

（3）打造綠色品質(zhì)工程?；谌S精細(xì)化模型，結(jié)合水文地質(zhì)，能夠綜合地下水的影響，從而減少因公路建設(shè)而造成的水資源環(huán)境破壞?；谌S數(shù)字化技術(shù)，對(duì)原有植被現(xiàn)狀進(jìn)行保護(hù)，保持自然巖土風(fēng)貌。

5 結(jié)語

通過機(jī)載激光雷達(dá)獲取的高精度基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，能夠快速地建立方案模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)方案模型的調(diào)整、展示及初步進(jìn)行工程量的統(tǒng)計(jì)。通過構(gòu)建復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域包含構(gòu)筑物的三維地上地下全專業(yè)的精細(xì)化模型，以二維輔助剖面和工程分析計(jì)算，提高工程設(shè)計(jì)安全性。通過施工仿真，發(fā)現(xiàn)并查找復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域設(shè)

計(jì)或施工中存在的隱蔽問題，為設(shè)計(jì)和施工提供可視化的參考和依據(jù)。

基于BIM技術(shù)的復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域三維建模與分析，對(duì)整體解決方案進(jìn)行深度研究和應(yīng)用，是交通行業(yè)三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用落地的現(xiàn)實(shí)途徑，具有推廣應(yīng)用的實(shí)際效果和價(jià)值。

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