基于BIM+GIS的鐵路隧道地質(zhì)災(zāi)害輔助整治技術(shù)研究

趙亮亮 盧文淵 張廣慶

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 現(xiàn)狀

我國(guó)西南山區(qū)夏季降雨量豐富，常常造成部分鐵路隧道漏水嚴(yán)重，極大影響了鐵路運(yùn)營(yíng)安全。工務(wù)管理部門通過(guò)在隧道漏水處打孔放水的形式減輕隧道的漏水程度，但未能從根本上解決問(wèn)題。采用BIM技術(shù)可將巖溶病害、地形、隧道以三維形式展現(xiàn)，再通過(guò)GIS技術(shù)將病害數(shù)據(jù)、地形、隧道進(jìn)行整合，可非常直觀地展示它們的相對(duì)位置關(guān)系，能有效輔助管理單位進(jìn)行隧道地質(zhì)災(zāi)害整治。

2 技術(shù)路線

基于BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行隧道災(zāi)害輔助整治，首先應(yīng)獲取并建立各種三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括巖溶富水區(qū)三維BIM模型、隧道BIM模型、三維地形、三維線位。然后，通過(guò)BIM與GIS融合技術(shù)，將BIM模型在GIS場(chǎng)景中集成。最后，設(shè)計(jì)相關(guān)算法，量化查詢巖溶富水區(qū)與隧道的相對(duì)位置關(guān)系，輔助隧道整治。具體技術(shù)流程，如圖1所示。

圖1 隧道災(zāi)害輔助整治技術(shù)路線示意圖

3 GIS場(chǎng)景建立

隨著我國(guó)鐵路勘察設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提升，不同時(shí)間鐵路建設(shè)所采用的坐標(biāo)系也有不同，這為隧道地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)一管理帶來(lái)了困難。因此，應(yīng)進(jìn)行空間坐標(biāo)系的統(tǒng)一。由于當(dāng)前國(guó)家控制點(diǎn)及相關(guān)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)均采用 2 000 橢球，為便于后期基礎(chǔ)測(cè)繪資料的搜集，推薦采用國(guó)家2 000橢球的地理坐標(biāo)系作為統(tǒng)一基準(zhǔn)。

3.1 三維地形模型建立

開(kāi)展隧道地質(zhì)災(zāi)害整治，須獲取隧道區(qū)域的地形地貌，以輔助定位地質(zhì)災(zāi)害在鐵路線路的空間位置，為災(zāi)害整治提供決策依據(jù)。隧道區(qū)域一般范圍較小，因此，可采用無(wú)人機(jī)的方式獲取地形地貌，并通過(guò)空中三角測(cè)量和立體測(cè)圖的方式生成隧道區(qū)域的正射影像和數(shù)字高程模型[1]。

在正射影像和數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)四叉樹進(jìn)行切片，每一層圖幅數(shù)均為前一層的4倍，形成影像金字塔和高程數(shù)據(jù)金字塔[2]。這種切片技術(shù)是在同一空間參照下，根據(jù)需要以不同分辨率進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，形成分辨率由粗到細(xì)、數(shù)據(jù)量由小到大的金字塔結(jié)構(gòu)。金字塔結(jié)構(gòu)用于圖像編碼和漸進(jìn)式圖像傳輸，是一種典型的分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，適合于柵格數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的多分辨率組織，可顯示海量的三維地形數(shù)據(jù)，三維地形模型如圖2所示。

圖2 三維地形模型

3.2 三維線位建立

定位隧道區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害位置，須獲取隧道區(qū)域的鐵路中線。西南山區(qū)大部分既有鐵路運(yùn)營(yíng)繁忙，為保證人員的安全，鐵路運(yùn)營(yíng)部門僅允許天窗時(shí)間進(jìn)場(chǎng)測(cè)量。三維線位測(cè)量采用四等符合導(dǎo)線法進(jìn)行。

(1)在隧道進(jìn)出口各布設(shè)1對(duì)控制點(diǎn)，若通視較差，則視情況進(jìn)行布設(shè)。點(diǎn)位平面和高程坐標(biāo)通過(guò)與國(guó)家已知控制點(diǎn)進(jìn)行GPS和水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的方式獲取[3]。

(2)在洞內(nèi)每隔100 m布設(shè)1個(gè)導(dǎo)線點(diǎn)，并與隧道進(jìn)出口控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

(3)基于導(dǎo)線點(diǎn)通過(guò)全站儀測(cè)量左、右鋼軌中心點(diǎn)坐標(biāo)，直線處每隔50 m 1個(gè)點(diǎn)，曲線處每隔10 m 1個(gè)點(diǎn)，在直緩點(diǎn)、緩直點(diǎn)、圓緩點(diǎn)、緩圓點(diǎn)等特征點(diǎn)處加測(cè)點(diǎn)，并記錄相關(guān)的線路參數(shù)。

(4)通過(guò)線路參數(shù)和導(dǎo)線點(diǎn)擬合鐵路三維中線。

3.3 隧道模型建立

通過(guò)在工務(wù)處調(diào)取隧道竣工圖紙(包括洞門、洞身等部位)，結(jié)合三維線位建立隧道三維模型，并與三維地形數(shù)據(jù)集成。隧道模型如圖3所示。

圖3 隧道模型

3.4 巖溶富水區(qū)模型建立

隧道區(qū)域巖溶病害位置可采用高密度電法的方式進(jìn)行探查，具體流程如下：

(1)在天窗時(shí)間進(jìn)入隧道內(nèi)部查看隧道漏水嚴(yán)重區(qū)域，并記錄其所在洞身標(biāo)。

(2)根據(jù)所測(cè)量的鐵路中線和洞身標(biāo)定位，獲取漏水嚴(yán)重區(qū)域洞身標(biāo)范圍所對(duì)應(yīng)的地面平面坐標(biāo)，如圖4所示。

圖4 漏水嚴(yán)重區(qū)域所對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)

(3)基于獲取漏水嚴(yán)重區(qū)域所對(duì)應(yīng)的地面平面坐標(biāo)，通過(guò)RTK方式，在隧道上方地表進(jìn)行放樣，并以明顯標(biāo)識(shí)示出[4]。

(4)在所放樣的中線上每隔5 m 布設(shè)1個(gè)電極，利用高密度電法進(jìn)行探測(cè)，生成電阻率縱斷面。

(5)在地表電極線兩側(cè)3 m，按照上步進(jìn)行同樣操作，并生成電阻率縱斷面，三條高密度電法測(cè)線，如圖5所示。

圖5 三條高密度電法測(cè)線

(6)根據(jù)電極法檢測(cè)結(jié)果生成電阻率縱斷面圖，并提取生成巖溶病害縱斷面和橫斷面圖。

(7)以病害縱橫斷面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件擬合巖溶富水區(qū)模型，如圖6所示。

(8)結(jié)合縱橫斷面數(shù)據(jù)，在三維場(chǎng)景真實(shí)地理位置上進(jìn)行放置。

圖6 巖溶富水區(qū)模型

三維地形、三維線位、隧道、巖溶富水區(qū)等模型建立后，在三維真實(shí)地理空間進(jìn)行集成。同時(shí)，加上隧道、里程、公路、洞身標(biāo)、水系等標(biāo)注，形成了具有豐富信息的三維地理信息場(chǎng)景，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展相關(guān)輔助整治分析應(yīng)用。

4 災(zāi)害整治平臺(tái)建設(shè)

工程人員制定整治方案時(shí)，需隨時(shí)定位隧道位置，查詢其相關(guān)圖片、圖紙等，以及與巖溶病害區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系。因此，本系統(tǒng)的輔助整治工具主要包括定位及分析功能、隧道臺(tái)帳管理、隧道巖溶病害信息管理三部分。

4.1 定位及分析功能

(1)洞身標(biāo)定位

在隧道災(zāi)害巡檢過(guò)程中，工務(wù)管理人員一般通過(guò)記錄隧道漏水區(qū)域的洞身標(biāo)范圍進(jìn)行備案?；谏鲜鲂枨螅瑸?zāi)害輔助整治平臺(tái)提供了洞身標(biāo)定位的功能，通過(guò)輸入相應(yīng)的數(shù)字，場(chǎng)景可自動(dòng)定位到相應(yīng)位置，并高亮該處隧道洞身。

①基于所采集的鐵路三維中線，從隧道進(jìn)口開(kāi)始，每10 m采集1個(gè)點(diǎn)，并存儲(chǔ)其坐標(biāo)、洞身標(biāo)、隧道名稱信息，洞身標(biāo)信息如表1所示。

表1 洞身標(biāo)信息

②將上述信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備平臺(tái)調(diào)用。

③通過(guò)該平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)洞身標(biāo)處的坐標(biāo)，并高亮相應(yīng)的隧道洞身實(shí)現(xiàn)定位，如圖7所示。

圖7 洞身標(biāo)定位

(2)隧道定位

在部分雙洞單線隧道的災(zāi)害整治中，為防止一側(cè)隧道施工對(duì)另一側(cè)隧道造成影響，需獲取臨近隧道的位置，為災(zāi)害的科學(xué)整治提供依據(jù)。

①在GIS場(chǎng)景中集成兩條隧道的BIM模型和線位。

②在輸入相應(yīng)的洞身標(biāo)時(shí)，實(shí)時(shí)獲取臨近隧道最近坐標(biāo)點(diǎn)位置，并計(jì)算其空間距離。

③通過(guò)2點(diǎn)形成1個(gè)垂直的平面，在GIS場(chǎng)景中

對(duì)隧道模型進(jìn)行切割形成斷面[5],如圖8所示，以形象表達(dá)兩隧間的距離,如圖9所示。

圖8 模型切割

圖9 隧道距離展示

(3)隧道埋深查看

在進(jìn)行隧道整治時(shí)，常常需要查看隧道與地表的距離，即隧道埋深。GIS場(chǎng)景中具有高精度地形和模型數(shù)據(jù)，可采集隧道任意位置所對(duì)應(yīng)的地表、巖溶富水區(qū)的位置和輪廓范圍，進(jìn)而形成隧道的縱斷面。

①沿隧道中線每隔0.5 m采點(diǎn)，并獲取對(duì)應(yīng)地表高程，形成地面切割點(diǎn)。

Z地表=f(x中，y中)

(1)

②將隧道中線點(diǎn)和地面切割點(diǎn)連接，形成切割面。

③將切割面與巖溶富水區(qū)模型、隧道模型進(jìn)行求交，獲取隧道埋深斷面。

④提供查詢面板，在任意位置查詢隧道埋深，以及在垂直方向與巖溶富水區(qū)距離，如圖10所示。

圖10 隧道埋深

4.2 隧道臺(tái)賬管理

(1)隧道信息管理

隧道信息管理即將隧道信息與隧道三維BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在GIS場(chǎng)景中可通過(guò)條件和空間查詢的方式查詢隧道的相關(guān)信息，包括所在線、隧道號(hào)、行別、中心里程、全長(zhǎng)、所在區(qū)域、竣工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)照片等，并可隨時(shí)定位隧道的出口和進(jìn)口[6]，高亮其相應(yīng)部位，輔助快速獲取隧道信息，如圖11所示。

圖11 隧道信息管理

(2)隧道物探信息管理

物探工作組在完成外業(yè)物探工作后，需實(shí)時(shí)基于本平臺(tái)完成物探數(shù)據(jù)的上傳、管理，以保證災(zāi)害整治時(shí)基于本平臺(tái)查詢相關(guān)物探數(shù)據(jù)。

①地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)管理

可根據(jù)檢查部位、洞身標(biāo)、病害類型進(jìn)行查詢，根據(jù)查詢的結(jié)果，基于洞身標(biāo)將數(shù)據(jù)與隧道BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)[7]，基于GIS的空間定位功能，自動(dòng)高亮相應(yīng)位置，查看病害分布情況、病害位置、病害深度及地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)。

②高密度電法數(shù)據(jù)管理

對(duì)同一個(gè)隧道，存在在不同的區(qū)域采用高密度電法檢測(cè)隧道巖溶富水區(qū)的情況?；贕IS平臺(tái)可將測(cè)線在地理空間中進(jìn)行定位，查詢其成果圖，并通過(guò)三維GIS的空間分析功能，以測(cè)線為基準(zhǔn)將地表、巖溶模型、隧道進(jìn)行切割，分析其縱斷面圖，如圖12所示。

圖12 高密度電法數(shù)據(jù)查詢及定位

4.3 隧道巖溶病害查詢

在GIS場(chǎng)景中融合巖溶富水區(qū)模型后，須將巖溶富水區(qū)與隧道的相對(duì)位置關(guān)系和距離進(jìn)行量化，才能為隧道整治施工提供相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。本平臺(tái)將巖溶富水區(qū)模型離散成一系列點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)獲取相應(yīng)垂直距離的隧道斷面數(shù)據(jù)，將斷面數(shù)據(jù)離散化，求其最近距離[8]，具體實(shí)施步驟如下：

(1)獲取巖溶富水區(qū)模型，將其離散為點(diǎn)，并獲取其點(diǎn)坐標(biāo)。

P1(x1，y1,z1),P2(x2,y2,z2),P3(x3,y3,z3)，…，Pn(xn,yn,zn)

(2)計(jì)算每1個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)Pt(xt,yt,zt)與鐵路中線最近距離的坐標(biāo)Lmin(xmin,ymin,zmin)。

(3)根據(jù)鐵路中線坐標(biāo)，獲取其位置的隧道斷面數(shù)據(jù)。

(4)將隧道外輪廓斷面離散為足夠密度的點(diǎn)。

S1(x1，y1,z1),S2(x2,y2,z2),S3(x3,y3,z3)， …，

Sn(xn,yn,zn)

(5)計(jì)算隧道斷面離散點(diǎn)與巖溶富水區(qū)離散點(diǎn)距離，并存儲(chǔ)。

(2)

(6)對(duì)D1、D2…Dn排序，并獲取其最小值Dmin。

(7)獲取Dmin所對(duì)應(yīng)的Pi(xi，yi,zi2)和Si(xi,yi,zi)，并計(jì)算器距離和空間相對(duì)位置，如圖13所示。

圖13 空間位置距離

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于BIM和GIS技術(shù)，在空間真實(shí)位置中集成地形地貌數(shù)據(jù)、隧道BIM模型數(shù)據(jù)、巖溶富水區(qū)模型數(shù)據(jù)及物探數(shù)據(jù)，形成三維輔助整治平臺(tái)?；诒酒脚_(tái)的查詢、量測(cè)、分析功能，可量化查詢相鄰隧道的距離、隧道埋深，調(diào)取隧道任意區(qū)域、任意位置的物探數(shù)據(jù)、分析報(bào)告和相關(guān)文件，量化分析和展示巖溶富水區(qū)與隧道的相對(duì)位置關(guān)系，能夠有效輔助設(shè)計(jì)人員科學(xué)提出地質(zhì)災(zāi)害整治措施。