基巖山區高速鐵路高陡邊坡BIM應用

張坤，周福軍，柏青，王棟，馬騰，李泉柏

（1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 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”高鐵網規劃中“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應用，該隧道位于西安市鄠邑區境內，是穿越秦嶺山區的重點工程，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）工程環境危險。該隧道地處秦嶺山區，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°，專業人員難以達到陡坡現場，并且嚴重危及調查人員的生命安全。

（2）施工工期緊張。當時環境是全線已經開展高鐵的聯調聯試工作，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，其中勘察設計周期不足1個月，要完成地形測量、地質調查、地質成果整理、邊坡加固方案設計等工作，面臨很大挑戰。

（3）傳統外業工作效率低下。外業工作主要包括地形測量和地質調查，地形測量工作流程一般為路基專業提供邊坡斷面的設計數據，由測量人員攜帶測量儀器到現場采集測量數據。由于地形高陡、植被茂密，外業工作進展十分緩慢，每組只能完成斷面數據1～2處。同時也給地質人員的不良地質調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應用

2.1 BIM人員配置

BIM設計團隊主要包括專業指導和BIM指導，建立了多專業協同工作機制。線路專業為總體專業，負責BIM設計統一協調和安排；測繪專業負責工程區地形數據的采集；地質專業負責三維地質模型的建立；路基專業負責高陡邊坡加固方案的設計；橋梁專業和隧道專業根據加固方案評估不良地質對結構體的影響程度［1］。

2.2 BIM軟件配置

該項目BIM設計采用的軟件體系分為三大類：地理信息采集軟件、三維地質建模軟件和工程設計分析軟件（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數據，采用Bentley ContextCapture軟件處理形成三維傾斜攝影模型，并通過Bigemap下載大區域場景輔助建模；在三維地質建模方面，主要通過自主研發的二維勘察地質系統和三維地質建模系統，完成復雜三維地質模型的創建；在工程設計分析方面，通過巖土計算軟件進行邊坡穩定性分析，然后利用Rock Fall軟件模擬落石運動軌跡，路基和隧道專業在Revit和Civil 3D平臺通過自主研發的路基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地形和影像原始數據，在ContextCapture軟件處理后，形成洞口范圍內三維傾斜攝影模型（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查。共查明危巖落石群14處，并開展洞口地質災害評價：自然工況下，危巖體可能發生滾落，砸向軌道；暴雨工況下，可能誘發小規模垮塌，嚴重影響行車安全。

圖2 項目BIM設計軟件體系

圖3 隧道洞口傾斜攝影模型

（2）通過Tisger創建三維地質模型（見圖4），并對地質模型添加與地層相關的屬性信息（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，輔助隧道專業開展設計。

圖4 隧道地質模型

圖5 隧道地質模型屬性信息

圖6 隧道模擬開挖

2.4 項目BIM設計

在項目BIM設計過程中，首先將地質剖面數據導入到邊坡穩定性分析軟件中進行高陡邊坡的穩定性分析（見圖7）；其次在Revit中創建被動防護網等族庫，實現邊坡防護的可視化設計（見圖8、圖9）；再次基于BIM模型實現錨索、錨桿的加固設計，最后實現一鍵式生成工程數量表（見圖10）。

2.5 項目BIM協同設計

利用自主研發的協同設計平臺PL系統，能夠實現全院多專業流程管理及數據傳遞、資料互提、版本管理等工作，極大提高了協同設計效率。項目BIM協同設計流程見圖11。

圖7 洞口邊坡穩定性分析

圖8 邊坡防護族庫

圖9 高陡邊坡主被動防護網設計

圖10 邊坡防護工程數量表

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

圖11 項目BIM協同設計流程

圖12 BIM模型與實際工程對比

3 BIM應用拓展

3.1 地質建模

自主研發的三維地質建模軟件具有正向、高效的特點［2］。利用勘測多源地質數據，快速創建三維地質模型。根據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，通過三維地質建模軟件可以自動插值形成層面，最終形成各種地質體。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縱斷面的填繪工作，然后再結合平面地質數據源，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體［3-5］。

針對復雜地質現象，實現了復雜地質體的單獨建模方法（見圖14）。根據巖層特征和滑坡體的運動規律，實現了巖體層理面建模、多級滑坡建模，模型表達精度極大提高。

圖13 地質建模方法

圖14 地質單體建模方法

3.2 勘察

地質BIM軟件能夠實現模型的參數開挖，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，保證地質模型數據的傳遞，輔助下游專業開展設計。地質模型應用挖方及刷方見圖15，地質模型開挖統計見圖16。

圖15 地質模型應用挖方及刷方

圖16 地質模型開挖統計

3.3 設計

Revit平臺對房建工程BIM設計支持性較好，但無法滿足鐵路工程路基和隧道BIM設計，路基和隧道BIM設計主要是通過二次開發來實現本專業的BIM設計。

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

隧道專業在Revit平臺中主要建模思路如下：首先賦予線路參數，其次輸入隧道設計參數，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+無人機技術實現了鐵路運營風險監控，具體操作流程為：通過無人機及時采集數據，然后實時生成三維地形，在疊加多源地形地質數據基礎上，最后建立三維地質傾斜攝影模型（見圖18）。

圖18 BIM應用運維操作流程

對既有風險點開展多期對比分析，評估風險等級，建立風險預控數據庫，保證鐵路運營安全。BIM應用運維風險點多期分析對比見圖19。

圖19 BIM應用運維風險點多期分析對比

4 結束語

利用BIM技術解決了高鐵施工中復雜的工程地質問題，取得良好效果。在傳統勘察的基礎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量。BIM項目的成功實踐為后續即將開展的西寧—成都、西安—十堰等復雜山區高鐵BIM技術的應用提供了解決方案和經驗總結。

在今后的BIM推廣中，將繼續深化4個方面的研究：標準、正向、協同、新技術，推進BIM的全生命周期應用，主要包括：結合IFD、IFC完善地質BIM的標準建立；深入研究地質BIM的正向設計，實現高效目標；加強全專業BIM協同設計的覆蓋推廣面；強化新型勘測技術與BIM的融合、研發。