BIM技術(shù)在公路隧道全壽命周期設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高宏剛 路紀(jì)雄 宋尚霖

（1甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730070）

關(guān)鍵字：建筑信息模型（BIM）；隧道；三維激光

1 前言

近年來，隨著我國(guó)公路工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和公路建設(shè)的快速發(fā)展，公路隧道建設(shè)的數(shù)量日益增多[1]，規(guī)模不斷增大，公路隧道建設(shè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來越多的隧道投入使用。因此，如何利用現(xiàn)代化信息技術(shù)進(jìn)行公路隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)維修就變得尤為重要。

2017年交通運(yùn)輸部《關(guān)于推進(jìn)公路水運(yùn)工程BIM技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)意見》（交辦[2017]205號(hào)）中明確了發(fā)展目標(biāo)：通過2018至2020三年的發(fā)展，建設(shè)一批公路、水運(yùn)BIM示范工程，分階段、分步驟推進(jìn)公路水運(yùn)工程中BIM技術(shù)應(yīng)用，到2025年應(yīng)達(dá)到在一定規(guī)模工程建設(shè)中全面應(yīng)用BIM技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)BIM標(biāo)準(zhǔn)編制尚處于起步階段，尤其是隧道BIM標(biāo)準(zhǔn)更是空白[2]，因此結(jié)合隧道施工中出現(xiàn)的問題有效利用BIM技術(shù)在隧道全壽命周期設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究就更顯得迫在眉睫和勢(shì)在必行了。

2 公路隧道勘察設(shè)計(jì)及施工中存在的主要問題

2.1 公路隧道圍巖級(jí)別的確定方法及存在弊端

公路隧道主要是依據(jù)勘察期間鉆探及地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果，根據(jù)鉆孔中波速測(cè)試確定的地層完整性系數(shù)及鉆孔巖芯的單軸飽和抗壓強(qiáng)度值按公式1進(jìn)行計(jì)算：

其中：BQ—圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)；

Rc—巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度；

Kv-巖體完整性系數(shù)。

詳細(xì)定級(jí)時(shí)按公式2進(jìn)行修正。

其中：BQ-圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值；

K1-地下水影響修正系數(shù)；

K2-主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀修正系數(shù)；

K3-初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)。

由于現(xiàn)行勘察規(guī)范對(duì)隧道勘察鉆孔的間距未做具體要求，再者，隧道通過的地質(zhì)體是一個(gè)經(jīng)過很長(zhǎng)地質(zhì)構(gòu)造作用的、復(fù)雜的、變化多樣的不均質(zhì)體。即便是做了要求，在有限的鉆孔勘探范圍內(nèi)取樣、實(shí)驗(yàn)，用以代表很長(zhǎng)一段距離的實(shí)際隧道圍巖情況的做法，不能準(zhǔn)確確定圍巖級(jí)別和隧道實(shí)際通過的圍巖狀況，導(dǎo)致在施工過程中所采用的開挖、支護(hù)及襯砌措施不能有效的利用，在可能圍巖變好的情況下產(chǎn)生浪費(fèi)，在圍巖變差的情況下存在安全隱患。而現(xiàn)行的僅靠施工人員或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理的經(jīng)驗(yàn)判斷圍巖狀態(tài)變化情況的做法，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到隧道設(shè)計(jì)精細(xì)化、安全、經(jīng)濟(jì)的要求。

2.2 其他行業(yè)（水電隧洞）圍巖確定的方法

水電隧洞在多年的勘察設(shè)計(jì)過程中一直沿用一種動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)理念：在隧洞勘察設(shè)計(jì)階段和公路隧道的勘察設(shè)計(jì)一樣，勘察利用有限的鉆孔及實(shí)驗(yàn)資料初步確定隧道圍巖的基本段落劃分，設(shè)計(jì)初步確定各圍巖的開挖、支護(hù)及襯砌方式，但在施工階段，水電隧洞在每段開挖完成支護(hù)、襯砌前對(duì)開挖揭露的地質(zhì)層采用地質(zhì)編錄、波速測(cè)試、取樣實(shí)驗(yàn)等工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定每段圍巖的BQ值，再經(jīng)過實(shí)際觀察到及量測(cè)到的地下水發(fā)育情況、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及地應(yīng)力等對(duì)其修正，得到最終的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]，按最終的[BQ]對(duì)圍巖級(jí)別及以后圍巖的開挖方式、支護(hù)、襯砌類型進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。這種做法，既節(jié)約成本，對(duì)局部較差的圍巖段又可及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)，避免安全事故的發(fā)生。

3 BIM技術(shù)在隧道設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用

3.1 隧道設(shè)計(jì)階段的BIM三維建模

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于三維建模的軟件已趨于成熟，先根據(jù)三維地形圖及外業(yè)勘察資料形成三維地形及地質(zhì)模塊。根據(jù)隧道所處的地形和地質(zhì)條件在三維地形圖上直接搭建隧道模型，形成隧道洞門、隧道襯砌及輔助坑道等內(nèi)容[3]。三維模型有較好的可視化和修改功能，也可進(jìn)一步校驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

圖1 隧道三維模型圖

3.2 隧道施工過程中BIM技術(shù)應(yīng)用

在隧道施工開挖過程中，利用物探、單軸飽和抗壓強(qiáng)度、地質(zhì)編錄等方法對(duì)隧道基礎(chǔ)地質(zhì)信息進(jìn)行采集、實(shí)驗(yàn)、分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整圍巖參數(shù)及支護(hù)類型、防護(hù)措施等。在施工完成開挖及襯砌后，采用PENTAX S-3180三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)隧道進(jìn)行全斷面的掃描，構(gòu)建隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)三維立體模型。

圖2 三維激光設(shè)計(jì)三維模型

通過對(duì)隧道施工節(jié)點(diǎn)的不同時(shí)段進(jìn)行掃描，從以下幾個(gè)方面對(duì)隧道施工進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)：

3.2.1 變形分析

圖3 隧道變形分析三維點(diǎn)云圖

通過對(duì)隧道不同施工時(shí)段掃描對(duì)比，分析不同區(qū)域的變化狀態(tài)，然后對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以保證隧道施工人員的安全，指導(dǎo)施工。

3.2.2 斷面測(cè)量與分析

依據(jù)三維激光掃描的點(diǎn)云圖，定義不同里程，提取對(duì)應(yīng)里程的斷面數(shù)據(jù)，用于計(jì)算回填土方量、噴射混凝土方量與厚度，還可以進(jìn)行二次襯砌平整度測(cè)量，變形檢查。

圖4 各里程斷面圖

圖5 分析結(jié)果圖

3.2.3 超欠挖計(jì)算與分析

三維激光掃描點(diǎn)云與設(shè)計(jì)BIM三維模型對(duì)比，分析不同里程面的隧道超欠挖情況，指導(dǎo)施工。

圖6 不同里程超欠挖圖

圖7 不同里程超欠挖數(shù)據(jù)表

3.2.4 施工模擬

根據(jù)已建BIM三維模型，按照施工工序進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，并制定合理的施工作業(yè)計(jì)劃，可有效規(guī)避規(guī)范施工，提升施工效率，縮短工期，提升工程品質(zhì)。

圖8 施工模擬圖

3.3 隧道運(yùn)營(yíng)過程中變形監(jiān)測(cè)

通過對(duì)隧道不同時(shí)段掃描對(duì)比，軟件能清楚顯示不同區(qū)域的變化狀態(tài)，與隧道標(biāo)準(zhǔn)BIM三維模型進(jìn)行比對(duì)，然后對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知道整個(gè)隧道的破壞程度，通過軟件以圖形的形式直觀簡(jiǎn)明的標(biāo)示出隧道受損情況，使維修施工有的放矢，保證隧道運(yùn)營(yíng)期的安全。變形分析及隧道不同時(shí)期腐蝕程度分析比較如圖9所示。

圖9 不同時(shí)期隧道變形和腐蝕程度分析圖

在運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)階段，可利用點(diǎn)云影像進(jìn)行檢視及裂縫檢查。通過三維激光掃描，確定裂縫、滲水泛堿、砼破損、露筋等病害的位置及損壞程度。把三維掃描影像圖可以從底部或頂部展開為二維影像來標(biāo)記病害。病害輸出圖如10、11所示。

4 結(jié)語

圖10 隧道沿中心線底部 展開顯示

圖11 隧道沿中心線頂部展開顯示

目前，國(guó)內(nèi)BIM標(biāo)準(zhǔn)編制尚處于起步階段，尤其是隧道BIM標(biāo)準(zhǔn)更是空白。因此，結(jié)合隧道施工中出現(xiàn)的問題，有效利用BIM技術(shù)在隧道全生命周期中的應(yīng)用研究更顯得尤為重要和迫在眉睫。

公路隧道圍巖級(jí)別大都是在勘察設(shè)計(jì)階段必須確定，有些部門還明確了在施工階段圍巖級(jí)別的變動(dòng)按設(shè)計(jì)變更對(duì)待，這無形中加大了勘察設(shè)計(jì)部門的工作難度且對(duì)工程投資存在隱形的浪費(fèi)現(xiàn)象和安全隱患。因此，動(dòng)態(tài)化的設(shè)計(jì)要從項(xiàng)目的招投標(biāo)、施工管理階段開始，踐行“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念，正確認(rèn)識(shí)到隧道圍巖級(jí)別在施工中的變動(dòng)是“必然”的也是“必要”的。

利用BIM技術(shù)，通過對(duì)隧道設(shè)計(jì)階段的三維建模，施工、運(yùn)營(yíng)階段的三維激光全斷面掃描，可有效控制隧道施工質(zhì)量和對(duì)隧道后期變形進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，有效快捷的提高工作效率及精度。