基于BI M技術(shù)的隧道監(jiān)測理論與應(yīng)用探討

王江，董耀武，戶若琪，許三喜，劉國濤

（1.中鐵北京工程局集團(tuán)第一工程有限公司，西安710100；2.西安建筑科技大學(xué)陜西省巖土與地下空間工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710055）

1 引言

Chuck Eastman 教授于1975 年創(chuàng)立了BIM 概念，使建筑工程的施工過程可視化，從而提高了項(xiàng)目的工作效率。BIM 技術(shù)具有可視化、協(xié)調(diào)性、仿真性和優(yōu)化性等特征。 但是現(xiàn)階段BIM 大多用在房建方面，隧道方面運(yùn)用還不是很多。到目前為止，工程項(xiàng)目進(jìn)度管理的技術(shù)手段還比較落后，不能全面、真實(shí)地反映工程項(xiàng)目的運(yùn)行狀況， 難以精確地描述多個(gè)項(xiàng)目的施工動態(tài)過程[1]。BIM 技術(shù)是以三維可視化數(shù)字信息模型為基礎(chǔ)，在模型中附加構(gòu)件的信息，并利用這些信息（如進(jìn)度、材料、體量）來控制施工的[2]。

2 BI M在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 BI M在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由于BIM 首先被用在建筑方向， 為了更好地利用BIM，要分清楚在設(shè)計(jì)上BIM 與CAD 的不同[3-5]。首先，剛接觸BIM的時(shí)候不要選擇過于煩瑣的項(xiàng)目從而導(dǎo)致自己喪失信心，不便于以后對BIM 的應(yīng)用，應(yīng)該由簡到難循序漸進(jìn)，對BIM 有了信心后期跟進(jìn)就比較容易；其次，新軟件初期總會出現(xiàn)大大小小的接口連接問題，應(yīng)該根據(jù)不同的階段，不同的需求，采用不同的應(yīng)用方法。

2.2 BI M在隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中國鐵路公司于2013 年積極推進(jìn)BIM 技術(shù)在鐵路項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用，啟動了鐵路施工信息化的關(guān)鍵技術(shù)研究，以及BIM 技術(shù)的應(yīng)用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定[6-8]。 根據(jù)隧道項(xiàng)目側(cè)重點(diǎn)的不同，BIM 的應(yīng)用也有些許差別， 設(shè)計(jì)方開展鐵路設(shè)計(jì)，BIM 提供各方面的綜合服務(wù)、結(jié)構(gòu)分析、模型總量的概算；業(yè)主方可以利用BIM 功能了解施工方動向， 合理安排資金，或者需要更改施工方案時(shí)， 通過BIM 技術(shù)及時(shí)調(diào)整工程造價(jià)；施工方更可以利用3D、4D 技術(shù)對工程進(jìn)項(xiàng)施工模擬，更好地把握施工周期，并且能起到一定的宣傳推廣作用。

3 隧道監(jiān)測

3.1 隧道災(zāi)害危險(xiǎn)分析

隧道災(zāi)害主要指在施工過程中跟隧道運(yùn)營期間， 因?yàn)榈刭|(zhì)或者人為因素導(dǎo)致隧道變形或塌陷而帶來的一種災(zāi)害，它影響甚至威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。 其表現(xiàn)形態(tài)主要分為地面塌陷、地面凍結(jié)、地下滲水導(dǎo)致施工無法繼續(xù)、高溫?zé)岷Α鋈凇⑸襟w落石、雷電地震災(zāi)害等。 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]的記錄，在1970—2015 年期間，國內(nèi)外共發(fā)生83 例鐵路隧道運(yùn)營事故，其中火災(zāi)是各類災(zāi)害中的最主要災(zāi)害。 由于上述施工事故的發(fā)生，人們對隧道施工中的風(fēng)險(xiǎn)管理及控制密切關(guān)注。

3.2 隧道監(jiān)控系統(tǒng)

隧道監(jiān)控系統(tǒng)首先被用于國外。 與國外相比我國雖然起步比較晚，但是我國起步后通過大量的實(shí)踐項(xiàng)目，獲取了大量的經(jīng)驗(yàn)，也取得了巨大的技術(shù)進(jìn)展。 為了保證隧道在生命周期內(nèi)安全可靠運(yùn)行，必須對其進(jìn)行安全監(jiān)測、健康評估、隱患排查和采取相應(yīng)的治理措施[11]。

3.3 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測作為新奧法的3 大主要特點(diǎn)之一， 監(jiān)控量測的作用主要有[12-13]：（1）為選擇合適的支護(hù)時(shí)間提供依據(jù)；（2）掌握圍巖動態(tài)， 利用監(jiān)測結(jié)果修改設(shè)計(jì)方案， 預(yù)測圍巖穩(wěn)定時(shí)間，指導(dǎo)施工；（3）通過圍巖變化可預(yù)測隧道內(nèi)部災(zāi)害的發(fā)生，以便及時(shí)采取措施， 防患于未然。 監(jiān)測前首先得進(jìn)行洞內(nèi)觀察，有些問題可以用肉眼觀察出來，比如圍巖的支護(hù)情況、噴層有無開裂、隧道內(nèi)裂隙水的變化等，并對照設(shè)計(jì)說明跟地質(zhì)勘察報(bào)告，有問題及時(shí)指出；另外，監(jiān)測人員應(yīng)及時(shí)與隧道施工人員進(jìn)行溝通，以便提供更方便快捷的信息。 隨著隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，對隧道工程質(zhì)量的要求也越來越高，對其進(jìn)行監(jiān)測已經(jīng)成為必要的工作[14]。

3.3.1 監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置

首先，采集隧道圍巖信息，根據(jù)初次設(shè)計(jì)將圍巖分為5 種不同的圍巖級別（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），在每個(gè)典型的圍巖類別中選擇若干個(gè)具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)， 監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近掌子面[15]，這樣才能更好地監(jiān)測掌子面情況，這段時(shí)間內(nèi)測得值最具有參考價(jià)值。 為了有效性更強(qiáng)，最好把點(diǎn)布在同一個(gè)斷面上，由于開挖過程中地質(zhì)、圍巖會一直變化，因此，要根據(jù)圍巖的不同，對監(jiān)測點(diǎn)的間距進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。 另外，施工初期階段由于圍巖還不穩(wěn)定，加上對洞內(nèi)情況還不了解，監(jiān)測點(diǎn)分布應(yīng)該更密集，待圍巖穩(wěn)定、進(jìn)洞后適當(dāng)縮小監(jiān)測點(diǎn)距離。 收斂變形的現(xiàn)場監(jiān)測方案， 應(yīng)視隧洞跨度、 圍巖級別和施工情況而定，監(jiān)測點(diǎn)一般為三角形或水平線等布置[16]。

3.3.2 傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析都是把數(shù)據(jù)測好之后輸入Excel 表格中，在表格中反映圍巖變化情況，建立回歸曲線，從而分析圍巖支護(hù)情況及其規(guī)律，更能有利于施工。 很多專家都在這方面做了大量的研究，根據(jù)徐兮等[17]對隧道監(jiān)測的發(fā)展總結(jié)，將隧道拱部沉降的變化規(guī)律總結(jié)成相應(yīng)的數(shù)據(jù)直觀圖， 較好地指導(dǎo)了施工；王國博等[18]對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)回歸，發(fā)現(xiàn)由于開挖方式、支護(hù)方式等因素的差異，需要用不同的回歸方程進(jìn)行分析；在對復(fù)雜隧道圍巖受力進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，林敏[19]利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了對隧道內(nèi)部圍巖變形趨勢的預(yù)測；王丹微等[20]運(yùn)用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件對隧道圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的回歸分析研究；喻偉[21]將監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比分析， 總結(jié)出了施工過程中初期支護(hù)的變形規(guī)律。

3.3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

根據(jù)李秀芳等[22]監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究，回歸分析是重要的分析手段，可根據(jù)圖形的變化能夠預(yù)測隧道內(nèi)部圍巖變形情況，來智能化地評價(jià)圍巖的穩(wěn)定性，并能更好地指導(dǎo)施工。 李曉虹[23]利用信息技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、單機(jī)環(huán)境下，設(shè)計(jì)了鐵路隧道動態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。 肖明等[24]對監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法進(jìn)行研究，對于隧道開挖反饋，他提出了優(yōu)化粒子群算法。

4 隧道監(jiān)控系統(tǒng)的提出與發(fā)展

隧道在修建與運(yùn)營期間， 由于長期受荷載或者其他突發(fā)應(yīng)力的作用，慢慢累計(jì)情況下難免會發(fā)生變形，再加上隧道屬于偏遠(yuǎn)地區(qū)，管理還是不太方便，一旦隧道發(fā)生破壞，修整不及時(shí)會造成隧道停運(yùn)， 同時(shí)也會對人們的生命財(cái)產(chǎn)造成很大的損害，所以必須要建設(shè)好隧道監(jiān)測系統(tǒng)。 隧道監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有：信息采集、信息供應(yīng)、信息處理、實(shí)時(shí)控制、自診斷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能[25]。冉光明[26]指出信息化技術(shù)在中國發(fā)展緩慢的原因：（1）對信息化技術(shù)認(rèn)識不足；（2）信息化資金投入有限；（3）對信息化技術(shù)的重視力度不夠。 文獻(xiàn)[1]中提出BIM 建模與隧道可視化相結(jié)合，利用BIM 3D 建模跟4D 虛擬模擬施工流程，以及BIM 模型自動合成各階段工程量。 當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題一定要及時(shí)預(yù)報(bào)，安全預(yù)警在隧道監(jiān)控中也很重要，隧道監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控中心要跟服務(wù)終端聯(lián)動起來，通過電話、信息彈出窗口等形式進(jìn)行報(bào)警。

監(jiān)控系統(tǒng)要對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 由于隧道結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，沒有任何一種形式能全面地作出診斷，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的方式進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，得到趨勢圖，運(yùn)用不同的算法進(jìn)行計(jì)算然后取綜合值。

5 結(jié)論與展望

經(jīng)過多年來的發(fā)展，基于不同的情況和研究目的，圍巖量測在隧道方面已經(jīng)慢慢成型，雖然現(xiàn)在技術(shù)成熟，但還需要人來檢測，雖然有專家已提出無人自動化監(jiān)測，但目前還沒有大面積實(shí)現(xiàn)。 綜合運(yùn)用多種監(jiān)控技術(shù)和預(yù)測技術(shù)，將信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)的制定、 廣泛的應(yīng)用范圍和精度的提高是主要的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢[27]。 現(xiàn)如今，BIM 在隧道領(lǐng)域已經(jīng)大面積應(yīng)用，但是BIM 與現(xiàn)在隧道信息化的利用還不是很好，尤其是監(jiān)控方面，但BIM 現(xiàn)在火速發(fā)展再加上BIM 建模的優(yōu)勢，隧道無人化監(jiān)測會利用BIM 而迅速發(fā)展。 另外，目前用的監(jiān)測系統(tǒng)還都五花八門，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有必要對預(yù)報(bào)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合分析，利用BIM 發(fā)展監(jiān)控平臺。