基巖山區(qū)高速鐵路高陡邊坡BIM應(yīng)用

張坤，周福軍，柏青，王棟，馬騰，李泉柏

（1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 中國鐵建BIM工程實驗室，陜西西安 710043；2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西西安 710043）

1 工程概況

西安—成都高速鐵路（簡稱西成高鐵）是我國“八縱八橫”高鐵網(wǎng)規(guī)劃中“京昆通道”的重要組成部分，全長643 km，是我國首條穿越秦嶺山區(qū)的高速鐵路，橋隧比高達92.1%。以西成高鐵紙坊1號隧道為例開展高陡邊坡BIM應(yīng)用，該隧道位于西安市鄠邑區(qū)境內(nèi)，是穿越秦嶺山區(qū)的重點工程，隧道全長8 378 m，最大埋深657.5 m。

紙坊1號隧道所面臨的工程難點如下：

（1）工程環(huán)境危險。該隧道地處秦嶺山區(qū)，為西成高鐵穿越秦嶺的第2座隧道，出露巖性主要為花崗巖、片巖及片麻巖。隧道進出口危巖落石極為發(fā)育，嚴重危及高鐵安全。洞口進出口地形陡峭，平均坡度高達60°～70°，專業(yè)人員難以達到陡坡現(xiàn)場，并且嚴重危及調(diào)查人員的生命安全。

（2）施工工期緊張。當時環(huán)境是全線已經(jīng)開展高鐵的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作，距離最后的通車時間不足3個月，邊坡加固工程施工工程約2個月，其中勘察設(shè)計周期不足1個月，要完成地形測量、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)成果整理、邊坡加固方案設(shè)計等工作，面臨很大挑戰(zhàn)。

（3）傳統(tǒng)外業(yè)工作效率低下。外業(yè)工作主要包括地形測量和地質(zhì)調(diào)查，地形測量工作流程一般為路基專業(yè)提供邊坡斷面的設(shè)計數(shù)據(jù)，由測量人員攜帶測量儀器到現(xiàn)場采集測量數(shù)據(jù)。由于地形高陡、植被茂密，外業(yè)工作進展十分緩慢，每組只能完成斷面數(shù)據(jù)1～2處。同時也給地質(zhì)人員的不良地質(zhì)調(diào)查工作帶來極大的困難，難以查清危巖落石的具體分布。

西成高鐵紙坊1號隧道概況見圖1。

圖1 西成高鐵紙坊1號隧道概況

2 BIM應(yīng)用

2.1 BIM人員配置

BIM設(shè)計團隊主要包括專業(yè)指導和BIM指導，建立了多專業(yè)協(xié)同工作機制。線路專業(yè)為總體專業(yè)，負責BIM設(shè)計統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排；測繪專業(yè)負責工程區(qū)地形數(shù)據(jù)的采集；地質(zhì)專業(yè)負責三維地質(zhì)模型的建立；路基專業(yè)負責高陡邊坡加固方案的設(shè)計；橋梁專業(yè)和隧道專業(yè)根據(jù)加固方案評估不良地質(zhì)對結(jié)構(gòu)體的影響程度［1］。

2.2 BIM軟件配置

該項目BIM設(shè)計采用的軟件體系分為三大類：地理信息采集軟件、三維地質(zhì)建模軟件和工程設(shè)計分析軟件（見圖2）。在地理信息采集方面，通過無人機采集隧道洞口相關(guān)數(shù)據(jù)，采用Bentley ContextCapture軟件處理形成三維傾斜攝影模型，并通過Bigemap下載大區(qū)域場景輔助建模；在三維地質(zhì)建模方面，主要通過自主研發(fā)的二維勘察地質(zhì)系統(tǒng)和三維地質(zhì)建模系統(tǒng)，完成復(fù)雜三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建；在工程設(shè)計分析方面，通過巖土計算軟件進行邊坡穩(wěn)定性分析，然后利用Rock Fall軟件模擬落石運動軌跡，路基和隧道專業(yè)在Revit和Civil 3D平臺通過自主研發(fā)的路基BIM和隧道BIM軟件完成邊坡加固模型和隧道模型的創(chuàng)建。

2.3 項目BIM勘察

在項目BIM勘察過程中，主要工作流程如下：

（1）通過無人機采集隧道工程區(qū)地形和影像原始數(shù)據(jù)，在ContextCapture軟件處理后，形成洞口范圍內(nèi)三維傾斜攝影模型（見圖3），利用傾斜攝影模型高清影像特點，開展高陡邊坡危巖落石的調(diào)查。共查明危巖落石群14處，并開展洞口地質(zhì)災(zāi)害評價：自然工況下，危巖體可能發(fā)生滾落，砸向軌道；暴雨工況下，可能誘發(fā)小規(guī)?？逅?，嚴重影響行車安全。

圖2 項目BIM設(shè)計軟件體系

圖3 隧道洞口傾斜攝影模型

（2）通過Tisger創(chuàng)建三維地質(zhì)模型（見圖4），并對地質(zhì)模型添加與地層相關(guān)的屬性信息（見圖5），如地層時代、成因、巖性、風化程度、承載力等。在模型應(yīng)用方面，模擬了隧道開挖（見圖6），自動獲取圍巖等級，輔助隧道專業(yè)開展設(shè)計。

圖4 隧道地質(zhì)模型

圖5 隧道地質(zhì)模型屬性信息

圖6 隧道模擬開挖

2.4 項目BIM設(shè)計

在項目BIM設(shè)計過程中，首先將地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)導入到邊坡穩(wěn)定性分析軟件中進行高陡邊坡的穩(wěn)定性分析（見圖7）；其次在Revit中創(chuàng)建被動防護網(wǎng)等族庫，實現(xiàn)邊坡防護的可視化設(shè)計（見圖8、圖9）；再次基于BIM模型實現(xiàn)錨索、錨桿的加固設(shè)計，最后實現(xiàn)一鍵式生成工程數(shù)量表（見圖10）。

2.5 項目BIM協(xié)同設(shè)計

利用自主研發(fā)的協(xié)同設(shè)計平臺PL系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全院多專業(yè)流程管理及數(shù)據(jù)傳遞、資料互提、版本管理等工作，極大提高了協(xié)同設(shè)計效率。項目BIM協(xié)同設(shè)計流程見圖11。

圖7 洞口邊坡穩(wěn)定性分析

圖8 邊坡防護族庫

圖9 高陡邊坡主被動防護網(wǎng)設(shè)計

圖10 邊坡防護工程數(shù)量表

在高陡邊坡加固防護措施中，對邊坡防護BIM模型與現(xiàn)場施工效果進行了對比分析，主被動防護網(wǎng)的布置、數(shù)據(jù)與BIM模型保持一致（見圖12）。

圖11 項目BIM協(xié)同設(shè)計流程

圖12 BIM模型與實際工程對比

3 BIM應(yīng)用拓展

3.1 地質(zhì)建模

自主研發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件具有正向、高效的特點［2］。利用勘測多源地質(zhì)數(shù)據(jù)，快速創(chuàng)建三維地質(zhì)模型。根據(jù)工點類型分為場地建模和長大帶狀建模（見圖13）。場地建模主要適用于房建工點，場地分布有多排鉆孔情況，通過三維地質(zhì)建模軟件可以自動插值形成層面，最終形成各種地質(zhì)體。長大帶狀建模方法主要是針對鐵路工程一般僅有單排鉆孔的特點，先通過鉆孔完成地質(zhì)縱斷面的填繪工作，然后再結(jié)合平面地質(zhì)數(shù)據(jù)源，通過插值算法形成地層界面，再與地形體進行布爾運算，形成最終的形狀異性的地質(zhì)體［3-5］。

針對復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象，實現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體的單獨建模方法（見圖14）。根據(jù)巖層特征和滑坡體的運動規(guī)律，實現(xiàn)了巖體層理面建模、多級滑坡建模，模型表達精度極大提高。

圖13 地質(zhì)建模方法

圖14 地質(zhì)單體建模方法

3.2 勘察

地質(zhì)BIM軟件能夠?qū)崿F(xiàn)模型的參數(shù)開挖，輸入線路的起止里程、邊界條件、開挖深度，能夠快速獲取不同土石等級的土方量，提高了土石方工程造價的準確性，并支持多種格式文件導出，保證地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的傳遞，輔助下游專業(yè)開展設(shè)計。地質(zhì)模型應(yīng)用挖方及刷方見圖15，地質(zhì)模型開挖統(tǒng)計見圖16。

圖15 地質(zhì)模型應(yīng)用挖方及刷方

圖16 地質(zhì)模型開挖統(tǒng)計

3.3 設(shè)計

Revit平臺對房建工程BIM設(shè)計支持性較好，但無法滿足鐵路工程路基和隧道BIM設(shè)計，路基和隧道BIM設(shè)計主要是通過二次開發(fā)來實現(xiàn)本專業(yè)的BIM設(shè)計。

路基專業(yè)在Revit平臺中通過二次開發(fā)，基于線路骨架，基本實現(xiàn)了路基本體模型、坡面防護模型、地基處理模型的自動化拼裝，極大提高路基設(shè)計效率［6］。

隧道專業(yè)在Revit平臺中主要建模思路如下：首先賦予線路參數(shù)，其次輸入隧道設(shè)計參數(shù)，最后一鍵式批量生成隧道BIM模型（見圖17）［7-8］。

圖17 隧道本體建模

3.4 運維

在運維方面，通過BIM+無人機技術(shù)實現(xiàn)了鐵路運營風險監(jiān)控，具體操作流程為：通過無人機及時采集數(shù)據(jù)，然后實時生成三維地形，在疊加多源地形地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，最后建立三維地質(zhì)傾斜攝影模型（見圖18）。

圖18 BIM應(yīng)用運維操作流程

對既有風險點開展多期對比分析，評估風險等級，建立風險預(yù)控數(shù)據(jù)庫，保證鐵路運營安全。BIM應(yīng)用運維風險點多期分析對比見圖19。

圖19 BIM應(yīng)用運維風險點多期分析對比

4 結(jié)束語

利用BIM技術(shù)解決了高鐵施工中復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，取得良好效果。在傳統(tǒng)勘察的基礎(chǔ)上引入無人機新型勘測手段，極大地提高了勘測效率和勘察質(zhì)量。BIM項目的成功實踐為后續(xù)即將開展的西寧—成都、西安—十堰等復(fù)雜山區(qū)高鐵BIM技術(shù)的應(yīng)用提供了解決方案和經(jīng)驗總結(jié)。

在今后的BIM推廣中，將繼續(xù)深化4個方面的研究：標準、正向、協(xié)同、新技術(shù)，推進BIM的全生命周期應(yīng)用，主要包括：結(jié)合IFD、IFC完善地質(zhì)BIM的標準建立；深入研究地質(zhì)BIM的正向設(shè)計，實現(xiàn)高效目標；加強全專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計的覆蓋推廣面；強化新型勘測技術(shù)與BIM的融合、研發(fā)。