GIS 支持下巖土工程勘察設計一體化研究

文／莫鵬 中鐵四院集團南寧勘察設計院有限公司 廣西南寧 530000

引言：

受傳統工作方式影響，一些巖土工程在進行勘察報告的提交時，依舊會采取書面呈遞的形式，并根據工作職能的不同，由各個部門分別向上級提交作業報告，再逐一完成工程項目資料的存檔及備案。當報告存檔后，一般不會再對其進行二次利用，導致勘查信息流通性不足，勘查資源浪費等問題。近些年。GIS 系統的出現引起了各個巖土工程的注意，相較于傳統的工作形式，GIS 具有一定的兼容性和拓展性，因此可以承擔巖土工程龐大的數據錄入及分析、整理工作。

1.巖土工程勘察設計一體化的工作必要性

對于巖土工程而言，對其進行勘察工作，主要就是為了站在項目施工需求的角度上，對施工區域的地質情況、周邊環境以及其他情況進行系統的勘測與評價、分析，而其設計工作則需要站在項目的整體需求角度上，對工程設計進行制定與優化，集中對項目的技術因素、經濟情況以及工程資源等進行比對和分析，然后開展工程論證與編制。目前，在建設各類巖土工程時，都需要規范進行勘察及設計，其工作質效會對最終的工程質量產生直接影響。在開展勘察及設計任務時，勘察環節需要為設計任務提供真實、有效的數據資料，一旦提交的數據資料出現偏差或遺失等問題，則就容易導致項目的基礎設計與地基處理出現明顯的施工問題，不僅會造成巖土工程施工成本增加，還會加劇安全隱患。設計工作則為整個巖土工程的項目決策提出相應的判斷依據，是進行工程建設的根基，如果設計方案存在明顯的不足或缺陷，則會影響巖土工程的施工情況以及施工質效。

近些年，得益于科學技術的持續發展，城市化建設逐步加快，巖土工程的建設模式面臨著更艱巨的挑戰，由此，誕生了勘察設計一體化的作業模式。在對巖土進行勘察時，勘察人員會依據收集到的資料，提出更專業的施工意見，設計人員也可以及時根據設計進展和項目需要，與勘察人員進行溝通配合，一體化的建設模式初現雛形。一體化的作業形式，突破了傳統巖土項目工作的瓶頸，打破了勘察人員與設計人員之間的信息壁壘，促使巖土工程的勘察環節與設計環節成為了一個密切聯系的整體，確保了各項施工信息的流通，實現了資源共享。這種作業形式，既可以有效提升巖土工程質效，還可以加快工程建設步伐，達到縮短施工周期，節省項目成本的目的。除此之外，使用一體化的作業形式，還提升了勘察與設計之間的工作協調性，除了對本身工作情況進行優化外，勘察人員和設計人員還可以考慮到其他項目施工環節，有效提升了技術創新性。

2.GIS 支持下的某巖土工程案例的勘察設計一體化工作情況

本文以某地開展的某項商業綜合體項目所實施的巖土施工工程為研究案例。目前，該項目的勘察及設計已于2022 年9 月底完成，該項目勘察設計報告也已經提交至上級部門，該案例的工作情況大致如下：

2.1 本案例勘察任務

技術人員先對建筑及基坑的開挖范圍的土質情況進行調查，依據土層情況、巖土力學性質等設計實施方案，并在完成數據的采集與獲取后，對該施工區域的地基情況進行評價與分析，重點評價地基的穩定性。同時，對該施工區域的地下水情況進行調查，掌握水位變化規律，判斷該施工區域內進行基坑開挖，是否會存在地下水降低問題，分析這一現象對整個巖土工程的影響。除此之外，在開展勘察作業時，勘察人員還需要提供各類巖體技術參數，如地下水抗浮、基坑降水等，并對裂隙水、巖溶水的分布情況進行調查，判斷各個含水層之間的關聯性和水力連接程度，繼而判斷出適用于該項目建筑物的基礎形式，為工程施工提供相關建議或意見。

在進行勘察作業時，結合行業標準、建筑工程等級，本項目所涉及的巖土勘察等級為甲等，依據建筑物的自身性質以及施工場地的實際條件，巖土勘察采用多種勘查手段并行的方式，例如取土試樣、重型動探試驗、波速測試等。

2.2 本案例的基礎設計

根據本項目的實際情況，在制定基本案例的基礎設計時，技術人員結合工程“高、深、大”的特點，對主樓建筑物采用樁基礎的施工方案，對項目持力層采用中風化閃長巖，分別以人工挖孔樁、鉆孔灌注樁進行樁型施工。由于本項目的地基施工情況中，需要較大的開挖深度，因此技術人員采用排樁方案，對其進行加固、支撐，強化基坑圍護，以“兩墻合一”的方式提升地基的安全性與穩定性。

在既往巖土工程的開展過程中，通常會將工程勘察與設計相區分，使其形成相對獨立等工作環節，但是在補項目中，技術人員通過利用GIS，實現勘查與設計的聯系，實現了降低工程誤差、提升設計方案準確度與可行性的目的，有助于后期建設任務的順利進行，實現了工程數據共享，構建了一體化的工作模式。

3.在GIS 支持下開展巖土工程勘察設計一體化工作的具體路徑

3.1 緊抓技術應用效果 完善工程勘察資料

根據目前工作狀況來看，在巖土工程勘察設計一體化作業過程中使用GIS 技術時，技術人員應當圍繞以下幾點展開相關工作：其一，利用虛擬現實技術，結合計算機技術，將工程資源信息整合至移動終端，通過高技術模擬系統，生成與工程項目相對應的、具有高相似度的三維模型，讓其可以緊緊跟隨技術人員進行移動并定位、記錄，再由電腦承擔復雜的數據處理及數據運算工作，最終繪制出更精準、更真實的3D 影作為巖土工程的重要參考資料。其二，根據地理信息系統的信息存儲、記錄、查詢功能，實現對工程區域的疊加運算，技術人員再通過使用定量分級法，對現場的土地情況進行勘察、核驗、測定，重點對巖土地質的穩定性和堅固性進行測定[1]。其三，技術人員通過使用專業三維建模軟件，將勘察或檢測數據直接錄入系統，結合地質、測井以及地球物理資料等方面，實現工程信息的整合，匯總成數據模型，并以數據轉化的形式，將數據模型導入至地理信息數據庫，直接在數據庫內對工程的各項空間指標進行分析、研究，并記錄分析結果，將其作為開展工程項目的依據[2]。但是，從巖土工程勘察設計一體化的實施概況來看，地理信息系統的使用依舊具有一定的局限性和限制性，無法在巖土工程中充分發揮自身技術優勢，尤其是在工程數據處理、數據分析以及數據管理方面，依舊留有一定的進步空間，難以直接承擔全部的系統外軟件包以及信息轉化等工作負荷。

為了解決上述問題，在巖土工程勘察設計一體化施工過程中充分發揮GIS 的工作價值，技術人員和技術團隊還應當重視勘察資料的管理工作。目前，在我國大部分巖土工程項目中，工程勘察的工作結果和工作質效依舊停留在對勘察對象表面“質”的研究和分析，缺少勘察對象的實際特征、數量關系以及數據變化等方面的分析，導致在巖土工程的設計環節，設計參考數據嚴重不足，設計人員無法盡快出具相應的設計方案，導致巖土工程拖延。甚至是延期等。正因如此，在工程勘察階段，勘察人員應當重視GIS 的工作價值，依據工程需要和實際情況，靈活設計數據收集、收據分析的實施方案，規范利用GIS 對工程數據進行整合分析，并對資料數據進行數值化處理，及時將處理后的數據導入至工程數據庫中，為巖土工程的設計數據提供更有價值、更真實的參考數據，便于后期設計人員使用收集到的勘察資料進行工程方案設計[3]。與此同時，技術人員還可以利用GIS 的固有功能，對工程數據或信息進行綜合評定，結合圖像疊加，再次對勘察資料進行處理。實施巖土工程勘察設計一體化的工作流程，規范對勘察資料進行收集、整理，可以參考以下作業流程：

（1）由勘察人員直接向數據庫錄入工程勘察信息；

（2）將勘查信息或資料匯總成GIS 數據源，并直接利用GIS 對數據資料進行管理、分析；

（3）以評價疊加的方式，再次對勘察資料進行整合、分析，并輸出最終的勘查結果；

（4）由設計人員將勘查結果轉化成具體的設計方案；

（5）出具工程最終成果。

3.2 制定GIS 應用方式 正視輔助設計系統

互聯網技術的誕生與優化為各個行業的建設和發展提供了充足的工作支持，對于這一工作變化和挑戰，技術人員在使用GIS 處理巖土工程勘察設計一體化相關工作時，也應當結合時代發展特點、工程項目需要等，將傳統的手工作業形式盡快轉變轉向網絡化、數字化作業模式，建立更優質的具有互聯網技術特征的GIS 工作模式。在互聯網技術的幫扶下，GIS 可以實現工程地理信息與空間信息的整合，有助于構建資源共享、成果共享的作業模式，這對于巖土工程勘察設計一體化的建立和發展具有顯著的工作意義。由于巖土工程本身的作業量就比較大，且工作負荷較重，外界因素很容易對勘察結果造成影響，因此，技術人員可以利用計算機技術，在工程現場將每一項作業數據都進行計算機處理，利用互聯網的信息傳輸功能，實現遠距離的信息傳輸與交互，為其他作業環節提供更可靠的數據支撐，這樣不僅可以加快數據的傳輸，還可以減少數據傳遞產生的工作誤差，有效提升數據傳輸的真實性和完成性，繼而達到縮減工程周期、提升工作質效的目的。將地理信息系統與先進的互聯網系統相結合，構建現代化的作業模式，有助于加強設計團隊與勘察團隊的溝通，勘察團隊可以盡快將勘察數據傳輸至設計團隊終端，設計團隊也可以直接利用互聯網將數據疑問、數據缺失等問題直接反饋給勘察團隊，勘察團隊可以依據反饋結果對數據勘察進行補充和優化，在這種模式下，巖土工程的各個工種或技術崗位，也可以直接利用互聯網技術實現工程信息的錄入、傳輸和反饋，便于盡快實現巖土工程勘察設計一體化。

相較于其他工作系統，地理信息及系統的空間信息特征更為明顯，它可以利用計算機內置的各類硬軟件系統，直接對地球表層空間的地理數據進行收集、存儲，并可以直接對數據進行運算、分析、管理、描述等，也就是說，當在巖土工程勘察設計一體化工作過程中使用GIS，技術人員就需要利用計算機系統，實現對整個工程項目的地理數據分析與研究工作，為了提升這一工作的實際質效，技術人員還可以結合計算機輔助設計系統，利用各類圖形設備，在計算機上直接對地理信息進行處理、分析[4]。為工程設計環節提供更精準的工程數據。從工程實踐角度來看，GIS 本身具有一定的數據分析、整理、匯總、處理能力，還可以實現圖像疊加、空間數據處理等，當某一工程數據出現變動或更改，其他數據也會“自動”進行調整。雖然在數據整理與分析方面，計算機輔助設計系統無法達到GIS 的使用效果，僅僅可以利用數據庫對工程數據進行管理，數據分析能力有所欠缺，但是計算機輔助設計系統可以實現地理信息數據的優化，可以加速巖土工程對地理信息的利用效果，因此，同樣也有助于實現巖土工程勘察設計一體化。

3.3 規范選擇勘察地點 提升勘探作業標注

結合巖土工程的項目需要，為其設計勘察設計一體化的作業模式，就需要不斷提升工程勘察的精確度和準確度，出具更詳細、更完備的勘查結果，這樣才可以為后續的設計環節提供更真實的工程數據，因此，從巖土工程的作業框架來看，應當先著重提升勘察地點選擇的合理性和科學性。首先，選擇巖土土層的勘察地點時，勘察人員應當深入項目現場，提前對巖土周邊環境、土質情況、土木建筑實施情況進行簡單的調查，當勘察區域周邊無特殊需求或要求時，可以直接根據勘察地區的建筑群體的實際覆蓋范圍進行實地勘察，而對于同一個建筑物結構進行勘察時，勘察人員應當結合地層的起伏變化趨勢，依據變化特點、外界因素變化情況等，設計勘察方案，必要時，還可以適當增加勘察點位與勘察密度，便于獲取更精準的勘查結果。其次，在巖土工程中，經常會需要一些大型設備，此時勘察任務就會出現一定更改，對于這一工作難題，勘察人員應當單獨為其設計勘察點位，選擇3 個或以上點位進行勘察。由于勘查手段和勘察方式的不同，勘查結果也有可能會出現一定的工作誤差，目前，鉆探和觸探是使用較為廣泛的兩種勘察方式，可以使用兩種勘察方式疊加的形式，對復雜勘察區域進行探井布設。

其次，依據地基等級和地基復雜情況等，勘察人員還需要根據項目需要，實現對勘察點位之間距離的靈活把控，根據勘察地基等級劃分情況，勘察人員設計這樣的勘察點位間距實施方案：（1）一級地基,兩個勘察點的間距范圍設計在10m～15m 區間內；（2）二級地基，兩個勘察點間距范圍設計在15m～30m 區間內；（3）三級地基，兩個勘察點間距范圍設計在40m～65m 區間內。除此之外,根據位置變化或地基特點，勘察點的類型也應當做出相應的調整。目前，勘察點類型主要有兩種，其一為一般性勘察點，可以實現對存在地層變形區域的驗算與控制，其數據可以直接向后續設計環節提供支持，其二為控制性勘察點，在布設控制性勘察點時，勘察人員應當對點位的作業深度進行把控，至少應當大于地基沉降深度數值，但是也需要注意這一勘察點位的布設及勘探是否會對周邊的鄰基產生破壞或影響。

3.4 制定數據錄入標準 直接展示連接效果

當完成勘察點位的設計與選擇之后，勘察人員應當根據工程計劃書或項目需要，選擇恰當的勘查手段，及時將收集到的勘察數據上傳到GIS 系統，便于設計人員使用勘探數據。根據數據屬性的不同，錄入至GIS 系統的數據類型主要有兩種。其一，空間數據[5]。這類數據主要用于設計方案的圖形設計，或用于顯示具有圖形特征的實際位置。當錄入空間數據后，技術人員可以直接在GIS 系統建立的坐標系內，明確數據位置，查找多個數據的集合點位。需要注意的是，在數據處理過程中，一旦出現兩個或兩個以上的實體空間相關性，它們之間的數據關系可以利用拓撲關系進行表示。其二，屬性數據。與空間數據有所不同的是，屬性數據具有明顯的工作差異性，此類數據大多數用于地理實體之間的溝通和聯系，因此變達內容也往往更具抽象化。一般情況下，屬性數據只能對一些工程中的抽象概念進行表達，但是獲取方式卻具有多樣化的特點。根據勘察過程中獲取的屬性數據，技術人員可以利用MicrosoftExcel 軟件，建立一體化的空間數據與設計作業模式，將處理后的Excel 文件直接錄入到GIS 系統中，并利用理正軟件進行計算，也將計算結果錄入至GIS 數據庫，完成勘察數據的整理與錄入工作，節省人工處理的時間。

為了對GIS 系統中的錄入數據進行更全面、更專業的分析，提升GIS 系統生成結果的準確性，技術人員可以根據工需要，選擇實時編輯離散數據，利用特征線數據的形式，直接將數據進行實時調整及生成，達到充分舒適使用錄入數據的目的。技術人員若想在GIS 系統得出精確度更高的等值線，可以這樣設計具體工作步驟：

（1）技術人員打開Microsoft Excel 軟件，分別以橫坐標、縱坐標和空間坐標的形式，將收集到的空間數據進行整理輸入；

（2）將數據錄入后的Exce1 格式文件另存為一個txt 文本文件；

（3）在GIS 中，打開mapgis，選擇“空間分析”中的“離散化處理”功能鍵，將全部文件統一為txt；

（4）利用GIS 中的“網格化處理”功能鍵，選擇“Kring 泛克立格法”,更改文件名，以Grd 格式進行文件命名，并保存；

（5）得到為mapgis 格式的勘測數據等值線圖。

完成上述步驟操作后，技術人員即可連接勘察數據與工程地圖，連接理正軟件數據結果與GIS 數據庫，實現GIS 的運行，實現最終方案設計結果的輸出與表達。在實踐過程中，技術人員還可以利用GIS 系統，對巖土工程項目中的各個環節進行立項評估與咨詢，為項目編制更規范的工程標準，同時，完成對工程數據的修訂。

結語：

綜上所述，對于巖土工程的實施效果而言，工程的勘察作業以及方案設計，是關系著整個工程進展質效的關鍵部分，通過提升工程勘察標準、優化項目方案設計，可以為后續的工程環節提供更精確、更完整的數據信息。面對日益嚴苛的工作環境和愈演愈烈的行業競爭，為了進一步提升建筑質量，完善建筑性能，技術人員還應當重視GIS的實施效果，將其與工程一體化設計相融合，搭建更現代化的作業方式，為巖土工程的順利開展提供更充足的作業支撐，實現巖土工程的經濟效益提升。