礦山法隧道BI M+GI S技術(shù)的應(yīng)用研究

潘傳宇，宗朝陽，周旋

（中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100032）

1 工程概況

1.1 工程周邊及水文地質(zhì)

本工程為某一城市軌道交通工程礦山法區(qū)間隧道，該隧道下穿國道，道路沿線存在大量商鋪、居民住宅樓及各類燃?xì)?、熱力管線。地下水類型分為填土中的上層滯水和基巖裂隙水。根據(jù)勘察揭露地層情況，本工點土層主要以填土、第四系全新統(tǒng)（Q4）黏土、上更新（Q3）黏性土、下伏基巖為奧陶系（O）泥灰?guī)r及灰?guī)r。

1.2 BI M+GI S技術(shù)原理

根據(jù)隧道爆破面、初支面及二襯面設(shè)計參數(shù)，建立相關(guān)層隧道BIM模型，作為評價基準(zhǔn)，在現(xiàn)場隧道爆破、初支、二襯每一循環(huán)施工后，借助GIS技術(shù)（三維激光掃描技術(shù)[1]）采集各工序完成面點云數(shù)據(jù)，并經(jīng)處理形成施工實際點云模型，作為評價依據(jù)，通過每一循環(huán)設(shè)計面與實際面的數(shù)值差值，形成隧道超欠挖分析報告及初支面、二襯面平整度報告，并以此作為下個循環(huán)爆破作業(yè)的鉆爆參數(shù)調(diào)整指導(dǎo)依據(jù)、初支侵線部位和基面不平整區(qū)域找平依據(jù)、二襯面侵線及面層不平整區(qū)域修復(fù)依據(jù)，分別完成隧道爆破參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化、防水基面找平、二襯面修復(fù)，為礦山法隧道施工全過程質(zhì)量、成本、安全管控提供依據(jù)。

2 工藝流程及操作要點

2.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備包括以下幾個步驟：

1）在進(jìn)行礦山法隧道現(xiàn)場斷面掃描前，需明確隧道曲線半徑、結(jié)構(gòu)斷面、初支、二襯設(shè)計參數(shù)及地質(zhì)情況，確保后期隧道BIM[2]模型建立準(zhǔn)確，為過程分析提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。

2）明確現(xiàn)場GIS技術(shù)（三維激光掃描技術(shù)）作業(yè)人員構(gòu)成，細(xì)化現(xiàn)場設(shè)站數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理人員作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及流程，后期數(shù)據(jù)分析及結(jié)果運(yùn)用人員數(shù)據(jù)傳遞路徑，結(jié)果運(yùn)用方式。

3）與現(xiàn)場管理人員明確工序穿插時間，為每循環(huán)爆破、初支及二襯面掃描預(yù)留作業(yè)窗口期，確保現(xiàn)場實施。

4）數(shù)據(jù)處理人員需明確礦山法隧道施工工藝、現(xiàn)場風(fēng)、水、電管線設(shè)置，便于后期噪點剔除，提升數(shù)據(jù)處理速度，數(shù)據(jù)分析的可靠度。

工藝流程如圖1所示。

圖1 BI M+GI S技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用流程圖

2.2 隧道模型建立

隧道模型建立包括定線設(shè)置（水平定線、豎向定線）、隧道形狀，通過輸入隧道設(shè)計斷面數(shù)據(jù)，形成隧道爆破面、初支面、二襯面理論設(shè)計輪廓線，建立隧道設(shè)計斷面BIM模型，此步驟為后期評價的基準(zhǔn)。

2.3 點云數(shù)據(jù)采集

由現(xiàn)場管理人員根據(jù)實際施工情況，就爆破、初支及二襯完成時間向測量人員進(jìn)行反饋，并做好相關(guān)現(xiàn)場協(xié)調(diào)準(zhǔn)備工作。由2名測量人員在每一循環(huán)隧道爆破清渣完畢后采用三維激光掃描設(shè)備全站儀模式，后視2個已知點快速設(shè)站，掃描為儀器自動進(jìn)行，開始掃描后，按照后方交匯建站，根據(jù)遮擋情況掃描1～3站。由于礦山法隧道初支施工緊隨爆破施工工序，爆破面掃描需在確保現(xiàn)場安全的情況下進(jìn)行，城市軌道交通工程礦山法隧道斷面較小，二襯施工在初支全部完成之后，初支面可在二襯施工前統(tǒng)一掃描[3]。

2.4 點云數(shù)據(jù)處理

將現(xiàn)場采集的.JXL文件導(dǎo)入配套軟件，并進(jìn)行相關(guān)的工程設(shè)置，同時注意原始數(shù)據(jù)的備份?？稍?D視圖中，對現(xiàn)場采集掃描的點云數(shù)據(jù)分類，剔除無用點（多余掃描區(qū)域、人員、機(jī)械、洞內(nèi)風(fēng)、水、電管線），確保后期分析結(jié)果可靠。原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖如圖2所示，噪點剔除完成后如圖3所示。

圖2原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖

圖3噪點剔除完成

2.5 隧道報告生成

隧道斷面報告即為隧道爆破施工、初支施工、二襯施工面與理論設(shè)計面之間的差值，目的是為后續(xù)施工參數(shù)優(yōu)化調(diào)整、物資材料消耗分析、商務(wù)計價結(jié)算等提供理論依據(jù)。

隧道報告可指定隧道竣工點，選擇方法為根據(jù)點云，任意設(shè)置測站間隔，設(shè)置后軟件自動提取點云上面點，生成斷面，如圖4所示。

圖4隧道報告

2.6 數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

測量人員將隧道斷面報告提交項目技術(shù)人員后，由技術(shù)人員對報告進(jìn)行分析，得到隧道超欠挖、初支及二襯面準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，形成優(yōu)化建議，為后續(xù)施工參數(shù)優(yōu)化、技術(shù)參數(shù)調(diào)整、物資材料分析提供依據(jù)。BIM+GIS結(jié)果運(yùn)用流程如圖5所示。

圖5 BI M+GI S結(jié)果運(yùn)用流程

技術(shù)部根據(jù)專項施工方案、點云數(shù)據(jù)模型與分析報告，對各工序施工提出工序調(diào)整及優(yōu)化建議；質(zhì)量部根據(jù)報告劃分缺陷等級，并制定整改措施；物資部根據(jù)報告進(jìn)行物資實耗分析超耗預(yù)警；商務(wù)部根據(jù)報告數(shù)據(jù)，進(jìn)行精準(zhǔn)計量。

3 礦山法BI M+GI S技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 自動化程度高、安全風(fēng)險低

與傳統(tǒng)采用全站儀進(jìn)行斷面復(fù)測相比，BIM+GIS技術(shù)自動化程度高，采用三維激光掃描（GIS技術(shù)）設(shè)備自動掃描，對現(xiàn)場照明條件要求較低，避免人員長時間在尚未完成支護(hù)的開挖面附近停留，減少碎石落塊墜落傷害風(fēng)險，保證測量人員安全。

3.2 測量速度快、結(jié)果反饋及時

現(xiàn)有礦山法隧道采用全站儀進(jìn)行斷面掃描一般一次掃描時間為30min，且需進(jìn)行單獨(dú)數(shù)據(jù)處理，效率較低，無法滿足現(xiàn)場快節(jié)奏的施工。

采用BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行礦山法隧道三維掃描，可在10min內(nèi)完成一個斷面掃描，且出具報告直觀顯示爆破面、初支面及二襯面與設(shè)計值間的差值，可直接指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.3 數(shù)據(jù)精度高、應(yīng)用前景廣泛

傳統(tǒng)礦山法隧道采用全站儀進(jìn)行斷面測量，其中隧道爆破面無掃描；初支及二襯均為5m一個掃描斷面，每個斷面12個點，致使對隧道超欠挖量無準(zhǔn)確評價依據(jù)，初支、二襯面取點間距過大，數(shù)據(jù)整體性降低，不能反映整體施工質(zhì)量。

采用BIM+GIS技術(shù)進(jìn)行礦山法隧道三維掃描，通過2×106點/s的掃描速度、最小2mm，最大10mm的掃描點間距、免棱鏡1s全站儀級別的高精度，同時借助BIM技術(shù)協(xié)同管理優(yōu)勢，對隧道爆破面、初支面、二襯面進(jìn)行全覆蓋，數(shù)據(jù)可用于鉆爆參數(shù)優(yōu)化、欠挖部位精準(zhǔn)處理、初支噴射混凝土量計算、初支基面找平、二襯斷面驗收、隧道變形監(jiān)測等。

4 結(jié)論

1）通過BIM+GIS技術(shù)在礦山法法隧道施工全工藝流程的覆蓋，為項目管理提供了基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)支撐，為礦山法隧道施工技術(shù)參數(shù)優(yōu)化、質(zhì)量管理提升、安全風(fēng)險管控、物資消耗分析、商務(wù)結(jié)算提供依據(jù)。

2）快速、高效的輸數(shù)據(jù)采集、處理方式，極大地簡化了現(xiàn)有管理模式，使管理人員有更多的時間、經(jīng)歷進(jìn)行技術(shù)革新[4]。