基于BIM的山嶺隧道施工安全管理系統(tǒng)研究

李文韜，劉思佳，馬強強，張擁軍，徐文協(xié)

(青島理工大學(xué) 青島市 266000)

0 引言

復(fù)雜多變的不良地質(zhì)條件是造成隧道工程事故的主要因素[1]，面對復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，加之施工管理人員對風(fēng)險認(rèn)識不到位，設(shè)計、施工、監(jiān)測等參建單位信息共享不及時不充分及其容易造成工程事故，嚴(yán)重制約了隧道的安全高效建設(shè)[2]。

隨著地質(zhì)勘探、監(jiān)控量測、BIM等技術(shù)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)隧道勘察、設(shè)計、施工以及監(jiān)控量測的系統(tǒng)信息化管理成為了可能。對此眾多學(xué)者做出了大量的研究。隧道地質(zhì)信息管理方面，李濤[3]等人通過地質(zhì)信息管理系統(tǒng)TGIS實現(xiàn)了隧道地質(zhì)信息的信息化、精細化管理。

隧道設(shè)計方面，李君君[4]等人將BIM技術(shù)引入到隧道設(shè)計中，實現(xiàn)了隧道模型的三維建立，信息附加等問題，翟世鴻[5]等人對礦山法建模精度方面進行了研究，使BIM建模精度符合二維施工圖紙施工信息的要求。董君[6]等人應(yīng)用BIM技術(shù)實現(xiàn)了隧道襯砌智能化施工建設(shè)；隧道管理方面，陳濤[7]運用隧道及地鐵工程預(yù)警控制平臺實現(xiàn)了對隧道數(shù)據(jù)的管理和隧道施工預(yù)警，黃廷[8]等人建立了基于BIM的公路隧道運維管理平臺，提高了公路運營隧道的管理化水平。

綜上所述，眾多學(xué)者在勘察精度、安全設(shè)計以及施工管理方面做了大量的研究，但在從隧道勘察、設(shè)計、施工以及監(jiān)控量測一體化、信息化管理方面還有待進一步提高，結(jié)合隧道施工的特點，將超前地質(zhì)預(yù)報、數(shù)值模擬、BIM技術(shù)合理地運用到隧道的勘察、設(shè)計、施工階段，建立了隧道施工預(yù)警系統(tǒng)，可為隧道的安全順利施工保駕護航。

1 隧道安全管理系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

(1)隧道施工信息的實時傳遞

由于隧道項目規(guī)模大、復(fù)雜度高以及地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，隧道施工信息是一個動態(tài)變化的過程。當(dāng)遇到如富水區(qū)、破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)條件時，前期的設(shè)計方案有時會不滿足施工安全要求，這就需要進行設(shè)計方案的變更優(yōu)化。方案的實時優(yōu)化需要施工方和設(shè)計方對隧道信息能夠高效精準(zhǔn)的傳遞，才能保證設(shè)計方案的時效性和可行性。同樣隧道監(jiān)控量測單位發(fā)現(xiàn)隧道變形異常時，也需要及時將隧道圍巖信息反饋給施工單位。施工單位也需要對現(xiàn)場施工狀況、施工進度等做出全方位的把控，這都需要各單位信息的精準(zhǔn)高效的傳遞。因此，建立一個多單位信息共享的平臺，可以防止各單位信息傳遞不及時、不精確，保證隧道施工信息的動態(tài)傳遞。

(2)隧道數(shù)據(jù)管理

隧道在施工過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如施工單位需對施工進度及施工資源使用狀況進行詳細記錄，監(jiān)測單位需要對日常監(jiān)測數(shù)據(jù)進行歸納整理等，如果對施工資料不進行科學(xué)的歸納整理，就會給相關(guān)人員提取有效信息造成巨大的困難，特別是不同單位不同專業(yè)進行相關(guān)資料查詢時，由于對資料的不熟悉以及資料繁雜，往往導(dǎo)致在提取有用信息時耗費大量時間和精力。而對隧道數(shù)據(jù)進行電子化管理，可有效提高人員對有效信息的獲取效率。

(3)隧道施工指導(dǎo)

對于學(xué)校來說它不是私人建筑，而是社會公共建筑，與社會中學(xué)生家長和周圍居民等緊密聯(lián)系。所以教育建筑的建設(shè)，不單單是滿足其自身的功能要求就好，而是要考慮更多的制約因素。所以校園空間規(guī)劃從宏觀層面來說要以整體空間為出發(fā)點，協(xié)調(diào)平衡各方面制約，分析出項目本質(zhì)的目標(biāo)訴求。以整體為出發(fā)點有利于把握建設(shè)項目在所處環(huán)境中的主要矛盾，突出主要特點，明確了主從關(guān)系，提供了具體要素應(yīng)遵守的規(guī)則和秩序[6]。

隧道在建設(shè)過程中，隧道施工工法會隨地質(zhì)條件的改變而做出調(diào)整，施工管理人員需要對隧道施工工藝進行全面掌握，以及把握施工進度、施工資料的使用狀況，傳統(tǒng)管理手段很難在短時間內(nèi)做到對隧道的全方位把控并指導(dǎo)施工。因此，將BIM模型導(dǎo)入施工管理系統(tǒng)，可以對隧道施工工法進行三維動畫展示，也可對隧道的物料、施工進度進行管理，施工管理人員通過系統(tǒng)可以清晰明了地掌握隧道施工動態(tài)，從而指導(dǎo)施工。

(4)設(shè)計方案變更

當(dāng)施工遇到比勘探結(jié)果更加不良的地質(zhì)帶時，按原設(shè)計方案施工存在安全隱患，就需要對隧道設(shè)計方案進行變更，設(shè)計單位可以在平臺中迅速獲取相關(guān)有效信息，對設(shè)計方案及時進行變更，將變更的設(shè)計方案更新到隧道建設(shè)安全管理平臺中，保證隧道施工的施工安全與進度。

(5)隧道施工預(yù)警

隧道施工監(jiān)測是保證隧道安全順利施工必不可少的一環(huán)，隧道監(jiān)測可實時動態(tài)地掌握隧道圍巖變形信息和隧道支護受力狀況。管理系統(tǒng)提供預(yù)警功能，隧道監(jiān)控量測負(fù)責(zé)人可通過平臺發(fā)布預(yù)警信息以及日常隧道監(jiān)測狀況。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)架

基于BIM的山嶺隧道施工安全管理系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析管理、綜合評估與預(yù)警為一體的平臺，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)進行設(shè)計，其中BIM模型的展示引擎為Unity3D，在系統(tǒng)中應(yīng)用推廣比較方便，客戶端用戶只要安裝能夠接受Unity3D插件的網(wǎng)頁瀏覽器即可。

隧道建設(shè)安全管理系統(tǒng)可分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、隧道預(yù)警子系統(tǒng)、隧道施工監(jiān)測平臺四部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)采集層：主要包括隧道開挖前的地質(zhì)信息數(shù)據(jù)采集、超前地質(zhì)預(yù)報信息數(shù)據(jù)采集;隧道施工過程中隧道施工數(shù)據(jù)采集，隧道監(jiān)控量測中隧道拱頂沉降、洞周收斂、鋼拱架應(yīng)力、地表沉降等應(yīng)力位移數(shù)據(jù)信息采集。隧道施工結(jié)束后隧道初支二襯數(shù)據(jù)信息的采集。

(3)數(shù)據(jù)管理層：包括設(shè)計數(shù)據(jù)庫、施工數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫、數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫。設(shè)計數(shù)據(jù)庫主要存儲設(shè)計單位的設(shè)計、變更資料等；施工數(shù)據(jù)庫包括了隧道施工進度、物料管理等用于施工單位的資料存儲。監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫主要存儲監(jiān)測單位日常監(jiān)測信息以及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理信息等。數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫用于存儲數(shù)值模擬的模擬報告等模擬信息。

(4)平臺層：隧道建設(shè)相關(guān)負(fù)責(zé)人可以對本單位負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)進行修改和更新，單位負(fù)責(zé)人只有在經(jīng)其他單位同意后方能進行查詢其他單位相關(guān)施工信息，但不能進行修改。如施工單位相關(guān)負(fù)責(zé)人只能對BIM施工模型和數(shù)據(jù)庫進行修改和更新，對監(jiān)測單位的BIM模型及監(jiān)測信息數(shù)據(jù)庫在經(jīng)監(jiān)測單位負(fù)責(zé)人的同意下只能對監(jiān)測單位相關(guān)信息進行查詢，但不能進行修改和更新。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程項目概況

威東線田和至溫泉段改建工程位于威海市環(huán)翠區(qū)，隧道開挖高度為9.77m，凈寬14.305m，，隧道處地貌為削蝕低山丘陵地貌單元，隧道最大埋深約為46m，隧道進出口處地形起伏較陡，圍巖風(fēng)化程度高，分化呈沙土狀，且埋深淺，為V級圍巖，隧道出口段有一段隧道破碎帶，隧道地質(zhì)環(huán)境極其復(fù)雜，給隧道的安全高效施工帶來了極大的挑戰(zhàn)，為節(jié)約隧道施工成本，保證施工進度，隧道在進出口處采用CRD工法施工，四級圍巖采用CD法施工，三級圍巖采用臺階法施工，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，施工工藝多樣化，以及施工人員的不當(dāng)操作等因素，導(dǎo)致隧道在施工期間極易發(fā)生坍塌冒頂事故，給隧道安全高效施工帶來極大威脅。

2.2 三維模型展示

根據(jù)隧道設(shè)計施工圖紙、地質(zhì)勘查報告和隧道監(jiān)控量測方案，通過Revit建模平臺，分別建立隧道結(jié)構(gòu)族庫，隧道場地族庫及隧道測點族庫如圖2所示。將建立好的族文件導(dǎo)入項目中進行拼裝修改最終形成隧道結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。最后根據(jù)勘察資料繪制地質(zhì)模型，按照相應(yīng)的坐標(biāo)將地質(zhì)模型與結(jié)構(gòu)模型進行組合最終形成隧道BIM模型，如圖4所示。

圖2 族庫文件展示

圖3 隧道結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 隧道整體模型圖

2.3 隧道BIM模型于施工中的應(yīng)用

根據(jù)不同的施工工法對隧道施工過程進行三維動態(tài)施工模擬以及實現(xiàn)三維施工進度的三維可視化，施工管理人員通過三維系統(tǒng)可以將BIM模型與施工進度相結(jié)合，實現(xiàn)隧道的施工進度管理，如圖5所示。現(xiàn)場工作人員可通過手機端管理平臺對現(xiàn)場的施工安全隱患問題進行拍照并通過語言文字等信息進行描述上傳管理平臺，平臺負(fù)責(zé)人可將施工安全隱患問題反饋給具體負(fù)責(zé)人，對施工存在的安全與質(zhì)量問題進行整改，實現(xiàn)隧道施工的安全與質(zhì)量管理如圖6、圖7所示。

圖5 隧道施工進度三維展示

圖6 現(xiàn)場安全隱患整改1

圖7 現(xiàn)場安全隱患整改2

2.4 隧道BIM監(jiān)控量測模型于隧道監(jiān)控量測中的應(yīng)用

2.4.1隧道超前地質(zhì)預(yù)報與隧道病害檢測

采用TSP技術(shù)、超前鉆孔、地質(zhì)雷達相結(jié)合的綜合手段對隧道掌子面前方土體地質(zhì)信息進行采集；將預(yù)測采集到的隧道前方富水程度，圍巖破碎程度等信息存儲到隧道地質(zhì)信息模型中。如對掌子面族文件進行信息賦予，信息包括：掌子面樁號、巖性、圍巖等級、現(xiàn)場照片數(shù)據(jù)等信息，并根據(jù)現(xiàn)場實際施工狀況對隧道掌子面進行材質(zhì)賦予，從而實現(xiàn)隧道地質(zhì)模型信息的采集與存儲；利用地質(zhì)雷達實現(xiàn)隧道襯砌背后空洞的檢測，根據(jù)地質(zhì)雷達探測結(jié)果建立空洞族文件，將空洞族文件導(dǎo)入BIM三維模型系統(tǒng)中?？斩醋逦募畔ūO(jiān)測日期、空洞位置、空洞大小等相關(guān)信息，實現(xiàn)了隧道監(jiān)控量測的三維可視化管理。如圖8、圖9所示。

圖8 隧道掌子面信息展示

圖9 隧道監(jiān)控量測模型

2.4.2隧道圍巖變形預(yù)測與預(yù)警

根據(jù)隧道設(shè)計資料和現(xiàn)場實測圍巖地質(zhì)信息，對黃家夼隧道不同工法進行三維動態(tài)數(shù)值模擬，以黃家夼隧道進口段為例，黃家夼隧道進口段為強風(fēng)化花崗質(zhì)片麻巖，強度低，圍巖巖體破碎-極破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，為v級圍巖，洞口段地形偏壓角度約為25°～45°之間，屬于典型淺埋偏壓小凈距隧道。為了防止隧道在施工過程中出現(xiàn)失穩(wěn)狀況，利用大型有限元軟件對隧道特殊區(qū)段建立三維數(shù)值模型，如圖10所示，對隧道圍巖變形規(guī)律和受力特點進行預(yù)測。變形規(guī)律如圖11、圖12所示。根據(jù)計算結(jié)果，對黃家夼隧道按照風(fēng)險進行分級如圖13所示，對隧道可能出現(xiàn)的重大風(fēng)險區(qū)域進行重點管控。

圖10 隧道模擬計算模型

圖11 隧道各監(jiān)測點拱頂累計沉降實測值

圖12 隧道各監(jiān)測點拱頂累計沉降模擬值

圖13 隧道圍巖變形可視化預(yù)警

2.5 監(jiān)測平臺的協(xié)同信息管理

設(shè)計、施工、監(jiān)測、監(jiān)理單位可以通過協(xié)同信息平臺實現(xiàn)隧道施工過程中信息的獲取、傳輸、存儲、處理。從而實現(xiàn)各參建單位的信息共享和協(xié)同管理。

設(shè)計單位通過管理平臺上傳隧道設(shè)計施工BIM模型，設(shè)計管理人員可根據(jù)平臺獲取隧道施工過程中的地質(zhì)圍巖參數(shù)信息，當(dāng)施工段和設(shè)計段隧道地質(zhì)狀況出現(xiàn)明顯差異時，設(shè)計單位可根據(jù)現(xiàn)場施工信息，對隧道施工方案進行實時調(diào)整。施工單位通過管理平臺獲取隧道設(shè)計施工BIM模型，將BIM模型導(dǎo)入施工管理系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道施工三維可視化，以及施工進度、工程量、施工安全與施工質(zhì)量的把控。監(jiān)測單位可根據(jù)管理平臺獲取隧道施工三維模型，通過隧道監(jiān)測方案，設(shè)計隧道三維監(jiān)測模型和隧道數(shù)值模擬模型。通過數(shù)值模擬，對隧道圍巖變形進行預(yù)測。通過實測實時監(jiān)測隧道的圍巖變形。當(dāng)出現(xiàn)異常情況，監(jiān)測單位發(fā)布預(yù)警信息，相關(guān)單位通過預(yù)警信息及時做出方案調(diào)整。

3 總結(jié)

通過建立基于BIM的山嶺隧道施工安全管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道施工、監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報的三維可視化管理，大大提高了隧道施工安全管理效率和水平，提高了各單位的協(xié)同管理能力，保證了隧道的安全高效施工。