三維正向設計在山區高擋墻加固工程中的應用研究

劉文慶

隨著現代科技與信息技術的發展，交通基礎設施行業正迎來翻天覆地的變革，BIM作為一種新型技術手段越來越多地應用于道路、橋梁、隧道等基礎設施建設中。王文利等提出BIM 技術的三維正向設計，發揮BIM技術具有精細的幾何特征、豐富的屬性信息的特點，進行風電場升壓站全專業三維參數化模型的創建，從而直接生成二維的施工圖和深化設計圖，縮短風電場設計周期和設計成本，提高設計質量。王斌等根據BIM技術在項目設計階段中的應用情況，分析了目前公路設計中的BIM技術應用現狀與未來發展的方向。曹建濤闡述了正向設計是一種基于BIM模型實現設計任務的流程，即在三維環境下進行隧道項目的參數化設計、方案優化設計、施工圖出圖等，甚至與計算模型結合，同步優化的概念。焦柯等提出了適應于BIM 正向設計的項目管理指引要點，包括優化ISO 管理、設計協調會節點、BIM負責人和BIM 進階培訓等，研發出基于Revit 平臺可以快速建模、直接計算、自動成圖的建筑結構設計系統GSRevit。張斌針對BIM技術應用于市政快速路設計階段存在的問題，基于Bentley軟件集成思維和統一的操作環境（MicroStation平臺）適用于大體量基礎設施建模的特點，使用Bentley平臺在整體設計階段不采用二維CAD圖紙文件，在三維環境下使用BIM模型完成市政快速路正向設計。

我國滬嘉高速1984年建成通車后，全國高速公路進入大發展時期，至今已過去30多年，高速公路路基邊坡、擋墻出現不同程度病害。不少學者針對既有高邊坡、高擋墻采取不同治理措施。王華俊等以浙江省某高速公路K298邊坡擋墻為例，根據邊坡的地質條件及擋墻病害情況采用鋼花管注漿加固，并確定了合理的注漿壓力、擴散半徑及注漿孔間距。工程實踐結果表明該方法是一種經濟適用、施工簡便的擋墻病害處治措施。呂鵬華介紹了格柵擋墻技術在高速公路邊坡加固中的應用情況，可為以后類似的工程施工提供一定的借鑒經驗。牛高等對渝黔高速公路衡重式高路堤擋墻因設計參數取用不當造成的安全隱患進行了計算分析，并提出了加固處治措施。吳文佑采用了預應力錨桿框架加固，徹底解決了原漿砌片石結構已出現的病害，并對山體進行了有效防護。黃燚在總結既有擋墻加固實例的基礎上，概括了目前既有擋墻加固的主要技術措施，并針對重慶涪陵區江東某滑坡體上高邊坡公路擋墻，提出采用普通抗滑樁與采用預應力錨索抗滑樁進行加固的兩種方案。本文首次將三維正向設計應用于山區高擋墻加固項目中，闡述了三維正向設計在山區高擋墻加固應用中的工作流程和三維正向設計的特點和三維正向設計相較于傳統二維設計的優勢。

一、工程概況

安徽某高速該段擋墻為漿砌片石重力式路堤擋墻，地面線以上高度3.5～5.5米，墻頂以上填土高度約4米，病害段落總長度60米，沉降縫3～10米一道，共計8片擋墻，對應段落路面出現通長縱向裂縫，且已呈圓弧狀，擋墻墻面勾縫脫落、墻身開裂，擋墻錐坡弧段坡面漿砌片石脫落、破碎，排水孔未見工作痕跡。

圖1 擋墻對應段落路面圓弧狀裂縫

圖2 擋墻墻身及錐坡破碎

擋墻坡腳地勢平緩，起伏不大。坡腳外側為村道，村道距擋墻墻腳距離僅為0.5～2米。

與2018年4月9日現場調查的情況對比發現，擋墻有明顯外傾和開裂現象，擋墻錐坡原漿砌片石護坡已經發生破碎，后續調查發現漿砌片石仍在發生破碎，開裂仍在發展，擋墻的整體狀況較差。

圖3 擋墻伸縮縫錯開及墻身外傾

二、三維正向設計

鑒于既有擋墻病害較為嚴重，在不影響已有擋墻安全使用、既有高速安全營運和加固措施快速有效的前提下，考慮采用原擋墻外加扶壁墻支擋方式進行加固。

本項目三維正向設計流程包括：無人機傾斜攝影→三維實景模型→三維地形模型→平縱橫三維設計→邊坡防護設計→特殊構造物設計→成果交付。

圖4 三維正向設計流程

1. 無人機航測系統

本次外業勘測采集數據方式為無人機航測系統，通過傾斜攝影測量技術，實現對三維立體地理信息的快速獲取。

圖5 無人機航測系統

較傳統數據采集方法，無人機航測系統具備體積小，重量輕、快速獲取影像、飛行條件需求較低的優勢。整個作業過程用時約兩個小時，取得航拍圖片600余張。

2. RTK 實時動態差分技術

本次項目中無人機航測系統首次采用了RTK實時動態差分技術，將無人機采集數據的三維定位精度由米級提升至厘米級。

RTK（Real - time kinematic，實時動態）載波相位差分技術，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準站采集的載波相位發給用戶接收機，進行求差解算坐標。

通過多次平面高程精度校核測試，搭載RTK實時動態差分技術的無人機水平定位精度達到±5cm，垂直定位精度達到±10cm。平面和高程精度均滿是本項目設計要求。

3. 成果交付

實現三維圖紙交付，較傳統二維圖紙清晰、美觀、易于理解。三維圖紙清晰的標識各個部件尺寸，形象、生動，易于理解。

圖6 三維圖紙交付

三、加固方案動態優化

1. 扶壁墻間距優化

扶壁墻間距直接影響加固效果和整體美觀，傳統的二維CAD設計無法直觀表現扶壁墻之間的相對位置以及與老擋墻之間的關系，三維正向設計能直觀反映扶壁墻與老擋墻間相對位置關系，通過三維模型可以對扶壁墻間距進行優化，以提高實際加固效果和美觀性。

圖7 扶壁墻加固三維效果圖

2. 扶壁墻尺寸優化

三維正向設計可清楚調整扶壁墻幾何尺寸以滿足實際工程需要。三維正向設計可解決以下問題：（1）扶

壁墻埋深與老擋墻埋深之間相對位置關系；（2）扶壁墻占地范圍大小調整；（3）扶壁墻高度、厚度、襟邊寬度等優化。

圖8 扶壁墻幾何尺寸示意圖

四、對施工的精確指導

本項目三維正向設計成果有：三維施工圖設計文件、三維效果圖、三維視頻漫游。三維正向設計因設計質量精準能夠較好指導施工，主要體現在以下三個方面。

（1）三維正向設計成果內容豐富，生動形象，在進行施工前技術交底優勢明顯，三維視頻漫游模擬加固施工全過程，關鍵施工工序進行突出、強調，較傳統方式更加形象，給人印象深刻。

圖9 三維正向設計效果圖

（2）三維正向設計由于其高質量設計精度可以盡量減少設計變更。本項目基于現狀三維實景模型開展三維設計，三維實景模型等比例還原現狀擋墻，通過實景模型，可以適時量測現狀擋墻尺寸等關鍵信息。

圖10 三維實景模型

（3）三維正向設計采用參數化設計模式，施工過程中如遇現場與設計不符情況，可以適時調整扶壁墻尺寸，提高設計效率和設計質量，加快工程進度。

圖11 施工完成后照片

五、結語

（1）本文通過黃山某擋墻加固項目詳細闡述了三維正向設計在山區擋墻加固中的成功應用，為以后類似工程的設計提供了寶貴的經驗和思路。

（2）山區擋墻加固項目三維正向設計包括：無人機傾斜攝影→三維實景模型→三維地形模型→平縱橫三維設計→邊坡防護設計→特殊構造物設計→成果交付等七個步驟。

（3）三維正向設計在山區擋墻加固中的應用，能對扶壁墻間距和尺寸進行優化，具有直觀性、美觀性、便捷性等特點。

（4）三維正向設計能實現三維圖紙交付、三維效果圖展示、三維視頻漫游，增加了設計文件交付的豐富性，便于項目后續服務和管養單位后期排查。

（5）三維正向設計因設計質量精準能夠較好指導施工，在施工交底、減少設計變更、加快工程進度等方面優勢明顯。