BIM技術(shù)應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報

張孝俊

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

1 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報是基于已有地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)，同時通過工程現(xiàn)場雷達(dá)及TSP等地質(zhì)物探方式，預(yù)判工程開挖工作面前方地質(zhì)巖層特性情況，包括水文情況、巖層含水量與強(qiáng)度等巖性性質(zhì)，斷裂帶、含水量較高的巖層及溶洞等不良地質(zhì)的探測手段。超前地質(zhì)預(yù)報能夠?qū)Σ涣嫉刭|(zhì)地層提前作出判斷，從而提供提高施工安全的預(yù)防性工作作業(yè)措施，在不良地質(zhì)段適當(dāng)提高隧道圍巖級別強(qiáng)度，具有總體上減少工程經(jīng)濟(jì)成本及為施工工程提供安全保障的優(yōu)勢[1]。

2 超前地質(zhì)預(yù)報在某隧道施工過程中的應(yīng)用

某隧道在施工前期階段，超前地質(zhì)預(yù)報工作是在分析已有地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)及相關(guān)地質(zhì)勘查資料的基礎(chǔ)上，同時在工程現(xiàn)場采用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報系統(tǒng)和TSP超前預(yù)報技術(shù)，對現(xiàn)場采集回來的數(shù)據(jù)分析處理，整合分析現(xiàn)場傳感器圖像及反射波表現(xiàn)，并與前期已有的地質(zhì)數(shù)據(jù)和資料對比。在上述工作的基礎(chǔ)上來獲取開挖工作面前方地質(zhì)體總體巖層特性，不良地質(zhì)體巖層位置特性等相關(guān)地質(zhì)預(yù)報信息。

某隧道施工過程中，工程現(xiàn)場所采用的地質(zhì)雷達(dá)及TSP地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)主要是參照隧道前方工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、巖層含水情況及強(qiáng)度、巖性性質(zhì)構(gòu)造變化、不良地質(zhì)體的規(guī)模形狀及位置等情況來選擇，相鄰TSP超前預(yù)報之間的距離為150 m[2]。相比TSP技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)探測隧道工作面前方的地質(zhì)特性精確度較高，能較好識別含水量較高的位置及溶洞區(qū)、破碎帶、斷裂帶等不良地質(zhì)區(qū)。但由于其只能在20～35 m的較小范圍內(nèi)探測[3]，所以在選擇超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)時，總體采用TSP預(yù)報技術(shù)，在巖層變化較大，地質(zhì)特性情況較復(fù)雜的地區(qū)局部采用地質(zhì)雷達(dá)。

在上述超前地質(zhì)預(yù)報工作的基礎(chǔ)上，某隧道工程設(shè)計人員通過將超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果與前期設(shè)計圍巖對比，必要時對圍巖受力情況重新進(jìn)行計算及分析，核查前期所設(shè)計的圍巖級別是否能夠滿足工程安全要求，并將數(shù)據(jù)結(jié)果實時反饋給業(yè)主單位，通過進(jìn)一步的設(shè)計變更優(yōu)化，在保證施工安全的前提下重新進(jìn)行施工組織，優(yōu)化施工安排，從而加快施工進(jìn)度。

3 超前地質(zhì)預(yù)報與BIM技術(shù)的結(jié)合

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報與BIM技術(shù)結(jié)合的基本原理

結(jié)合BIM技術(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)首先是在前期勘察數(shù)據(jù)及資料的基礎(chǔ)上，依據(jù)立方體網(wǎng)格的有限元思路，建立地質(zhì)三維可視化模型，在BIM可視化軟件中重新構(gòu)建工程范圍內(nèi)的有效地質(zhì)體；后期采用BIM軟件本身功能及二次開發(fā)技術(shù)，將地質(zhì)數(shù)據(jù)資料信息、TSP地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)成果集成到BIM三維地質(zhì)模型中，通過插值計算等方式快速得到不良地質(zhì)體的巖層特性及位置等信息，在BIM軟件系統(tǒng)中直觀顯示不良地質(zhì)體與隧道的空間關(guān)系，分析不良地質(zhì)體對隧道結(jié)構(gòu)造成的影響；最后在上述分析基礎(chǔ)上建議選擇適當(dāng)?shù)乃淼绹鷰r級別，給出可行的工程安全保障措施建議。

BIM技術(shù)所采用的三維地質(zhì)建模普遍通過立方體網(wǎng)格技術(shù)，即空間六面體單元，地質(zhì)建模過程中在模型中將屬性賦予給地質(zhì)體，同時，將其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征以三維模型的方式表達(dá)。基于上述原理，BIM三維地質(zhì)建模過程包含有對地質(zhì)體進(jìn)行分區(qū)及作為前者依據(jù)的地質(zhì)處理（基于三維網(wǎng)格模型技術(shù)）。

基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)模型具有三維可視化、屬性信息集成、模型參數(shù)化的特點。超前地質(zhì)預(yù)報通過采用基于程序二次開發(fā)的BIM技術(shù)，依托基于BIM思路的三維地質(zhì)模型，將TSP數(shù)據(jù)成果導(dǎo)入其中，從而實現(xiàn)測試成果數(shù)據(jù)的可視化。

某隧道三維地質(zhì)建模及后期二次開發(fā)技術(shù)主要是基于達(dá)索（CATIA）軟件，該軟件強(qiáng)大的模型搭建及后期屬性集成功能，實現(xiàn)BIM技術(shù)與超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的結(jié)合。具體過程如下：

a）將建模軟件CATIA與地質(zhì)數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，實現(xiàn)物探屬性數(shù)據(jù)完整地導(dǎo)入CATIA軟件，作為數(shù)據(jù)來源計算六面體網(wǎng)格屬性。

b）基于屬性數(shù)據(jù)參照點和掌子面，搭建六面體網(wǎng)格。

c）將原始地質(zhì)模型導(dǎo)入到六面體網(wǎng)格實現(xiàn)地質(zhì)分區(qū)，將開挖工作面前方的地質(zhì)體三維模型獲取出來。

d）在六面體單元網(wǎng)格中導(dǎo)入帶屬性的物探數(shù)據(jù)，以插值的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)計算。

e）基于上述處理結(jié)果形成等值面，獲取不良地質(zhì)體信息（點位形狀等）。

3.2 工程應(yīng)用

在某隧道左洞出口 ZK41+188—ZK41+018，共170 m范圍內(nèi)，對隧道開挖工作面進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，基于前期工程地質(zhì)勘察資料及數(shù)據(jù)，針對掌子面前方工程地質(zhì)特點，采用探測距離較長的TSP地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，相關(guān)TSP數(shù)據(jù)結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 TSP反射P波二維成像圖

圖2 TSP反射SH波二維成像圖

圖3 TSP反射SV波二維成像圖

圖中，傳感器的3個分量分別用縱波（P波）、橫波水平分量（SH波）、橫波垂直分量（SV波）表示，根據(jù)圖1～圖3反射波的變化可看出巖性強(qiáng)弱的細(xì)微變化。

將上述物探數(shù)據(jù)及資料，TSP地質(zhì)預(yù)報成果數(shù)據(jù)與BIM技術(shù)相結(jié)合。

3.2.1 總體流程

a）基于前期已有的相關(guān)地質(zhì)探測資料與有關(guān)地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)，通過CATIA軟件建立ZK41+188—ZK41+018及其往前1 km范圍段三維地質(zhì)模型。

b）基于前期構(gòu)建的不同隧道圍巖類型的隧道模板庫，在CATIA軟件中以起終點樁號、圍巖類型等為參數(shù)快速建立ZK41+188—ZK41+018段隧道模型。

c）以前期采集的TSP地質(zhì)成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過后期分析處理，構(gòu)建預(yù)報段范圍內(nèi)的三維立方網(wǎng)（見圖 4）。

圖4 TSP反射P波反射界面三維成像圖

d）根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報分析，確定不良地質(zhì)體形狀位置信息，建立三維模型。

e）分析不良地質(zhì)體和三維地質(zhì)模型的關(guān)系。

（a）分析不良地質(zhì)體與隧道已開挖和未開挖段的空間關(guān)系見圖5所示。

圖5 不良地質(zhì)體與隧道已開挖和未開挖段的關(guān)系

（b）分析不良地質(zhì)體與各地層空間關(guān)系見圖6所示。

圖6 不良地質(zhì)體與各地層關(guān)系

3.2.2 超前地質(zhì)預(yù)報與BIM技術(shù)相結(jié)合

a）ZK41+188—ZK41+085段圍巖與開挖工作面相近，基于前期地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質(zhì)預(yù)報成果數(shù)據(jù)，結(jié)合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：該段巖體局部有股狀涌水，整體塊狀構(gòu)造特征，特別是：ZK41+150—ZK41+135 段、ZK41+119—ZK41+099段，強(qiáng)度一般，裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護(hù)采用Ⅲ級。

b）ZK41+199—ZK41+148段巖體基于前期地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質(zhì)預(yù)報成果數(shù)據(jù)，結(jié)合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：局部有股狀涌水，整體呈塊狀構(gòu)造特征，局部有碎塊狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較弱，裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護(hù)采用Ⅲ級（偏弱）。

c）ZK41+074—ZK41+043段巖體基于前期地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質(zhì)預(yù)報成果數(shù)據(jù)，結(jié)合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：呈塊狀結(jié)構(gòu)，局部有股狀涌水，特別是：ZK41+339—ZK41+332段，強(qiáng)度較弱，裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護(hù)采用Ⅲ級。

d）ZK41+043—ZK41+018段巖體基于前期地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質(zhì)預(yù)報成果數(shù)據(jù)，結(jié)合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：呈塊狀結(jié)構(gòu)，局部呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，局部有股狀涌水，強(qiáng)度一般，裂隙發(fā)育，巖體穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護(hù)采用Ⅲ級（偏弱）。

4 結(jié)語

目前傳統(tǒng)的地球物理方法分析法以及地質(zhì)綜合分析方法受限于現(xiàn)場探測成果數(shù)據(jù)較復(fù)雜、分析難度較大、經(jīng)驗性較強(qiáng)的特點，雖然是超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的主流手段但依然有一定的操作難度[4]。將BIM技術(shù)應(yīng)用于超前地質(zhì)預(yù)報是一種創(chuàng)新的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)手段，利用BIM可視化、屬性信息集成及參數(shù)化的特點，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)動態(tài)實時、智能化、可視化處理，不僅能夠快速高效地獲取不良地質(zhì)體的位置巖層特性，而且在分析不良地質(zhì)體特性、直觀顯示與工程結(jié)構(gòu)空間關(guān)系，分析并測算其對工程結(jié)構(gòu)影響等方面具有重要優(yōu)勢，為傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報提供了新的思路與方向，具有較高的可操作性和實用性，為防止隧道施工時地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供可靠的實用性成果。