隧道機械化施工中工程數字化建造配套技術

摘要：為了解決在隧道項目施工中出現的問題，如海量工程資料缺少儲存管理，且管理的效率低下等，某隧道工程項目利用GIS/BIM技術進行隧道數字化的建造，將隧道中海量工程資料進行歸類和整合，最后整理成數據字典，并建立一個統一的數據倉庫。將CAD轉化為ArcGIS，將二維平面圖像以專題圖的方式展現出來，并生成隧道工程項目的底圖和數字化目標。采用GIS和BIM技術相結合的方法，利用GIS/BIM系統，實現數據錄入、數據采集和實時檢索等一體化的綜合應用，確保隧道施工的安全。

關鍵詞：隧道工程；工程數據；數字化；配套

0" "引言

隨著我國經濟的發展，我國隧道工程建設項目越來越多。相對于其他土建設施來說，隧道工程中的地質狀況比較復雜，周圍巖土介質不確定性因素非常大，不便于相關工作人員分析問題。

數字化技術是近年來在隧道工程建設中比較重要的研究領域之一，它以人們比較容易感知的三種圖像描述隧道模型、勘察信息、監測信息，能夠更加直觀，美觀地展現隧道工程建設情況。

在隧道項目施工中應用數據化機械設備，能夠有效提升整體項目建設的效率，有效推動公路隧道建設的進度，同時設備自身的成本低，能夠為公路隧道企業節省項目成本。本文結合具體的施工案例，全方位對公路隧道施工的數據化建設技術進行了探索。

1" "工程概況

某隧道右幅隧道全長11520m，左幅隧道全長11430m，為分離式的長隧道，穿越Ⅲ、Ⅳ和Ⅲ級的圍巖層。其主要結構和坡度各分為9種斷面類型，左右幅隧道間設置了行人和車輛通行，共6種不同的斷面類型。整個隧道采用鉆孔爆破法，由入口和出口相向進行施工，共分4個標段。

該公路隧道埋設深度最深的高達1259.03m，從古生界地質層穿越到新生界地質層，其跨越的地質歷史年限比較大，水文狀況和地質狀況復雜多變。該隧道建造工程北向地勢高，南向地勢低，高山和陡坡分布多，其山體和河道的流向呈現北西方向，隧道里的地貌屬于切割中山斜坡、侵蝕溶蝕中山的地質構造。該隧道工程地質構造種類多，建造安全隱患大。

2" "工程數字化建造配套技術應用

2.1" " 信息分類與數據存儲標準

公路隧道工程的資料來源非常豐富，涉及設計，施工，操作、運營等各個方面。通過大量的調查，并結合隧道工程，將公路隧道建設所需的大量工程資料分為五大類：地勢地質、周圍環境、項目設計、建筑施工、施工監測。每一大類都是一階、二階、三階分類和信息節點。以地理地質資料為例，可將其劃分為工程地質與水文地質兩大類。在此公路隧道工程建設的基礎上，將工程地質分為調繪與勘察兩大類，它們都是由若干層次的分類法和信息結點構成的。

為實現工程數據的標準化、全面性和易用性的組織、存儲和交換，本文使用AGS的數據傳輸與交換格式，組成一組包含目標所有屬性的公路隧道工程資料詞典的資料表格。數據詞典中的數據表與信息節點相對應，指定數據單位、類型等。

數據表對3個領域的狀態進行了定義，以區分不同領域的重要性。依據隧道的實際工程數據，按相關的儲存規則進行記錄。舉例說明勘測鉆孔的基本數據，在此基礎數據表格的關鍵字段中，使用數字ID的1、2、3，輸入整數類型。需要輸入“探查孔”的名字，并輸入字符X。如2DP表示一個浮點數，這個類型只有兩個小數點。DT代表日期、時間類型。在此基礎上，將環境、地質、設計、監測、施工等方面的資料輸入到SQLServer中，建立相應的數據結構，并將其應用到云計算平臺上[1]。

2.2" " GIS/BIM模型

2.2.1" "GIS模型

CAD是一種非常適合于數字繪圖的軟件，它具有很強的編輯和處理能力。目前，我國的測繪機構大多采用CAD技術進行基礎地理資料的收集。在ArcGIS中，通過對CAD數據進行三維建模，使CAD數據與屬性數據相結合。ArcGIS的構建主要是將DWG文件轉化為ArcGIS中的SHP，實現DWG中各個實體的“點、線、面”的轉化。例如，點元通常是一個實體對象，它突出了地理位置，但忽略了其實際的尺寸和形狀，如鉆孔、監測點和圈點。而線要素則是有形的，如隧道的軸線和河流。表層要素則是指具有特定區域的地層、水環境保護、蓄水池等。DWG文件中使用SHP格式的點元進行存儲，以方便ArcGIS的輸出[2]。

采用ArcGIS的二維模型，將CAD數據以圖層的方式存儲在ArcGIS中。TPK文件是在無互動的層產生的，這是一個工程地圖，例如隧道軸圖層。從地理基本圖中分離出需要進行交互處理的數字物體（例如監測點、鉆孔等），將ID屬性信息添加到屬性表格中，然后映射到數據庫中，從而產生Geodatabase文件。然后，將TPK與數字對象相結合，建立了一個基于層次可視的二維GIS模型。

2.2.2" "BIM模型

目前隧道BIM的建模主要有兩種：一是利用BIM技術對隧道進行建模。二是將BIM軟件結合編程方法建立隧道模型。為了使模型的重復性能增加，采用Revit方法建立隧道結構的參數化模型。把隧道結構的模型定義3個LOD級別，以改善模型的重復性。

LOD100是一個設計階段，它反映了全線的線路走向等；LOD200是基于LOD100的初步方案，著重于不同的襯砌截面尺寸；LOD300為設計階段，主要介紹錨桿、鋼筋網、鋼拱架等的施工技術，并以LOD100、LOD200為主要內容。例如，LOD200相應的二次襯砌裝置，應用Revit中的放樣方法，將襯砌截面引入CAD繪圖。在曲線交叉點畫出與之相交的基準面，并增加相應的編號，見圖1。所建立的隧道結構參數化模型單元包括直線襯砌、曲線襯砌、錨桿、鋼拱架、鋼筋籠、排水管與路面結構等。

在現代計算機技術與檢測技術的飛速發展背景下，三維地質模型在地質勘探中得到了越來越廣泛的應用。在進行三維建模與工程數據整合時，必須將Revit屬性與Revit屬性相分離。向Revit中加入ID，在SQLServer中保存Revit的屬性資訊。采用FBX文件，對隧道結構單元、鉆孔單元、地層單元等數據進行數據采集。

在此基礎上，采用C#技術，對地下通道的縱向資料進行拼接，給出不同LOD條件下隧道結構模型。然后對斷層和軟弱結構面的工程地質力學特性進行全面分析，并給出實際工程中應用的各種力學指標。

將此腳本加入Unity軟件，可以實現3個功能：第一，在此模型中添加了一個漫游的腳本，讓其能夠在多種情況下進行任意的全景轉換；第二，對所述分類模型進行特征分析；第三，在需要互動狀態下，增加一個可以突出顯示的互動腳本。完成上述一系列操作后，發布系統需要的Unity3D文件。

3" "集成與應用

3.1" " 系統架構

在iS3平臺上開發的公路隧道數據管理系統，包括數據層、服務層、應用框架層和應用層等四個層次，如圖2所示。數據層提供數據規范格式，可以進行各類數據庫、BIM和GIS等數據的連接。服務層提供數據存取部件，利用WebAPI對各種數據進行增、改、刪、查，以及各種數據的分析。

應用框架層為基于C/S架構的桌面端應用程序，采用C#與WPF語言完成系統研發工作。應用層則是基于應用框架層，根據工程實際應用需求設計應用。本系統主要面向公路隧道工程設計與施工階段，包括業主、設計、施工等相關工程人員[3]。

3.2" " 數據集成

將GIS/BIM與屬性數據進行整合和關聯，有效對大量的工程數據進行數字化管理。在數據屬性方面，基于現有的隧道數據存儲技術，大量的工程資料被儲存起來。

在幾何模型方面，本文使用ArcGISRuntimeSDKfor.NET作為GIS二維圖形繪制引擎。最后，將此模型裝載到iS3-Config中，并整合關鍵字段ID，與GIS、BIM模型進行關聯。

3.3" " 數據管理

隧道施工過程地勢條件多變，在項目開發過程中產生了許多隧道過程數據信息。龐雜的數據信息，給相關過程人員施加了較大工作壓力，如何高效地整理隧道工程數據、保管數據成為數據信息錄入人員最為關注的問題。在互聯網+背景下，利用信息化手段進行數據信息管理是企業發展的必然結果。

現階段，在隧道數據管理體系中，已經實現了GIS/BIM一體化聯動的數據錄入功能，工作人員可以實時進行信息查詢，有效提升了工作效率。

3.3.1" "GIS/BIM一體化聯動

一般隧道數據庫中，存放著隧道項目屬性信息、二維成像CIS圖文以及三維成像BIM圖文等，將隧道數據庫儲存的信息移動到公路隧道數據化管理程序中，程序會開啟自動化信息處理服務，將多項數據信息進行整合，最終呈現的數據集合模型便是GIS/BIM一體化聯動。

3.3.2" "隧道數據實時儲備

公路隧道數據化管理程序中涉及地勢地質、周圍環境、工程施工、項目設計以及施工檢測多個方面的內容。現階段，倘若依舊采用傳統的在線上表格中錄入項目數據的方式，會給相關工作人員造成巨大的工作壓力。

對數據程序進行進一步優化，通過增添一鍵式數據，增添刪除、信息數據快速查詢、數據上傳自動導入等工具，數據相關管理人員便可以實時進行數據的錄入以及存儲。這不僅減輕了數據管理人員的工作壓力，同時減少了數據丟失的風險。

3.3.3" "實時查詢功能

隧道工程項目施工中會產生大量的視頻、圖片，比如隧道施工進度視頻、隧道施工項目圖片等。為最大化地滿足隧道施工工作人員的需求，數據程序在原有基礎上，針對施工“圖片”及“視頻”進行處理，在程序中增添子模塊，為圖片以及視頻數據提供專項儲存位置，能夠為隧道施工工作人員提供實時施工進度查詢、施工圖紙資料調取等便捷化服務。

例如，點擊施工視頻選項，GIS與BIM模型中施工視頻所對應的實際里程樁號位置，將分別出現視頻圖標。點擊GIS模型或BIM模型中的視頻圖標，選擇打開視頻，即可調取現場施工視頻。

4" "結語

公路隧道項目施工環節中會涉及海量的數據信息，倘若數據無法及時進行儲存，極為容易出現數據丟失的現象，嚴重者會給企業造成不可逆的經濟財務損失。針對公路隧道施工環節中可能出現的數據進行分類，結合公路隧道數據化管理程序建設信息節點，制定了體系化的數據儲存管理制度，有效提升了數據管理的效率。

通過對二維成像GIS以及三維成像BIM進行數據屬性分類，增添了“圖片”、“視頻”的存儲管理子模塊，為進一步實現公路隧道不同來源的數據的整合提供了先例。在公路隧道數據化管理程序基礎上，建立隧道項目數據以及GIS/BIM模型的體統關聯，面對海量的施工數據，在程序與GIS/BIM模型的配合下，有效推動了數據實時儲存以及查詢功能的研發，降低了數據丟失或錄入失誤的現象，有效提升了數據管理效率。

參考文獻

[1] 李捷，白永厚.高原隧道機械化施工裝備配套應用研究[J].工程機械，2021（4）：30-33.

[2] 林翠軍.鐵路隧道機械化施工設備配套技術[J].工程建設與設計，2021（11）：82-89.

[3] 趙前進.鐵路隧道開挖作業機械化與施工技術研究[J].工程建設與設計，2021（5）：25-27.