基于BIM與GIS結合應用的地鐵隧道安全預警預報技術

何高峰 羅先啟 張 輝 攸巧仙

(1. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,200240,上海;2. 中建股份南寧軌道交通2號線項目部，530028,南寧;3. 中建隧道建設有限公司，401320,重慶//第一作者，博士研究生)

0 引言

GIS(地理信息系統(tǒng))以直觀的地理圖形方式獲取、存儲、管理、計算、分析和顯示與地球表面位置相關的各種數(shù)據(jù)；BIM(建筑信息模型化)技術具有數(shù)字化、可視化、真實化的特點，有利于工程項目從設計、施工到運營維護實現(xiàn)全生命周期動態(tài)可視化管理、信息共享和決策支持。BIM與GIS二者相結合在城市規(guī)劃、市政管網(wǎng)管理等諸多領域有所應用，與各自單獨應用相比，在建模質(zhì)量、分析精度、決策效率、成本控制水平等方面都有明顯提高[1-2]。在地鐵施工方面，BIM技術也得到了大量的應用，主要體現(xiàn)在隧道結構環(huán)境方面[3-5]；在隧道所賦存周圍地質(zhì)與地理環(huán)境方面，GIS優(yōu)越的空間信息管理功能可分析大量不同種類的數(shù)據(jù)[6]，并用于建筑物結構安全、災害監(jiān)測及預警預報[7-8]。

地鐵隧道結構是一個復雜多變的系統(tǒng)，為確保地鐵隧道安全運行與使用壽命,需要綜合分析宏觀地質(zhì)環(huán)境和隧道施工內(nèi)部環(huán)境，進行施工安全預警預報。為保證整個地鐵隧道的安全，需要利用BIM技術并考慮地鐵隧道的精細數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括三維實體和表面數(shù)據(jù)，即和隧道結構相關的工程數(shù)據(jù)，如隧道中某個管片的開裂或滲漏數(shù)據(jù)等；而GIS考慮地面以上受影響的建筑物及公路等其他市政設施，以及地下工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境，例如地表附近某大樓的地理位置及相應沉降。

BIM與GIS的相結合,既能滿足不同工程的精度要求，又能減少測量工作、降低空間信息采集成本，以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和利用。文獻[10]實現(xiàn)了BIM與GIS在上海軌道交通規(guī)劃選線、設計、施工、竣工驗收交接及運營維護管理等不同階段的共同應用。文獻[11]基于BIM和GIS技術，提出了城市軌道交通的信息全生命周期管理系統(tǒng)(RIM)，該系統(tǒng)為地鐵管網(wǎng)協(xié)同設計、現(xiàn)場安裝即時調(diào)整以及運維信息快速更新和查詢的綜合信息管理平臺,現(xiàn)已運用于寧波市的在建地鐵及輕軌交通項目。地鐵隧道施工是一個復雜的風險性系統(tǒng)工程,不僅體現(xiàn)在地質(zhì)勘察的局限性、地質(zhì)條件的復雜性方面,而且還體現(xiàn)在隧道施工技術、質(zhì)量控制及管理等多個方面。因此，分析諸多的影響因素，許多學者研究了隧道結構、地表建筑物安全風險，也提出了針對不同階段的評價措施[12-13]。以上研究主要集中在二者數(shù)據(jù)融合技術、工程信息化及可視化研究方面，考慮復雜影響環(huán)境下，BIM和GIS數(shù)據(jù)結合后的進一步分析，并將分析結果用于隧道安全預警預報較少。本文針對南寧地鐵2號線巖溶發(fā)育復雜的場地工程地質(zhì)條件，綜合考慮地鐵隧道穿越建筑物施工安全的影響因素，對淺埋暗挖地鐵隧道結構安全進行風險評估；結合地鐵隧道BIM的結構模型和GIS的空間地理信息模型，實現(xiàn)了基于BIM平臺的風險評估結果的三維可視化，并利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)建立預警預報系統(tǒng)，可為設計者、管理人員及決策者提供強有力的技術支撐和依據(jù)。

1 BIM和GIS的特點及應用

BIM是對工程項目設施實體與功能特性的數(shù)字化表達，側重于表達地鐵隧道結構構件、產(chǎn)品等詳細要素，即在局部環(huán)境下及直角坐標系中對地鐵隧道自身框架和內(nèi)部詳細組成進行三維體現(xiàn)。在施工階段，開展管線綜合碰撞檢查，考慮不同時段的施工工序信息(包括人員、機械等在內(nèi)的工程實體)，以及相關施工監(jiān)測信息，建立地鐵施工的4D模型。在模型中綜合考慮造價信息來進行5D施工管理，建立與時間、成本、施工參數(shù)相關聯(lián)的6D BIM 模型，從而實現(xiàn)施工組織的精細化管理[14]。

GIS研究的是大范圍的空間對象及抽象化的建筑對象，通過統(tǒng)一的地理坐標系全局性地參考、展示、評估、分析和地理要素緊密相關的造型、立面和外部空間等整體輪廓。對于線路相對較長的城市軌道交通工程而言，第一，涉及管線、建筑、地形地貌等大量地理信息，而三維模型又存在帶有空間屬性的數(shù)據(jù)分析能力不足等問題，GIS空間分析、空間數(shù)據(jù)庫提供了解決思路和方案[15]，而這是BIM所未予關注和難以解決的；同時，將GIS技術引入到隧道病害數(shù)據(jù)管理中，為隧道養(yǎng)護和安全評估提供了豐富的數(shù)據(jù)來源[8]。第二，針對城市軌道交通所處的復雜地質(zhì)環(huán)境，GIS能夠有效地存儲、管理和分析巖土工程中大量不同種類的數(shù)據(jù)以便充分挖掘和使用工程信息，具體過程為：①建立三維地質(zhì)模型，揭露場區(qū)巖溶空間發(fā)育規(guī)律，評價施工過程中巖溶塌陷的危險性；②考慮地層移動和地表變形造成的地面沉陷、基坑垮塌、隧道破壞、周邊建筑物損害及地下管線損害等因素，在GIS中展現(xiàn)和分析不良地質(zhì)體的空間分布，確定區(qū)域地質(zhì)災害風險等級，建立地鐵施工地表變形監(jiān)測安全預警系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡化管理動態(tài)分析，預測施工過程中的變形狀況，從而指導地鐵隧道的安全施工。

2 BIM與GIS結合應用于地鐵隧道安全預警預報

BIM側重于對地鐵區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間設備段結構框架和內(nèi)部詳細組成的三維表達;GIS則使用統(tǒng)一的地理坐標系統(tǒng)來呈現(xiàn)隧道所處的地質(zhì)環(huán)境和地理環(huán)境。利用二者優(yōu)勢共同實現(xiàn)地鐵隧道工程項目細化的局部結構與整體的融合，并綜合考慮人員、機械等在內(nèi)的工程實體與周圍宏觀地理和地質(zhì)環(huán)境的相互作用和影響，為地鐵隧道結構安全提供了可視化的三維環(huán)境，并為設計者、管理人員及決策者提供強有力的技術支撐和依據(jù)。

2. 1 基于GIS的隧道安全風險評估

巖溶地區(qū)隧道結構安全包括地面建(構)筑物結構安全、地鐵隧道結構安全以及空間施工安全，其主要影響因素包括地質(zhì)災害(突水突泥、巖溶塌陷等)、不良地質(zhì)(暗河、充水充泥溶腔、含導水斷層、巖溶管道等)、地層巖性、地下水位、可溶巖與非可溶巖接觸帶、地形地貌、巖層產(chǎn)狀、層面與層間裂隙、圍巖級別，以及超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測、開挖支護、監(jiān)控量測動態(tài)反饋信息等。以南寧地鐵2號線石子塘站—大沙田站區(qū)間(以下簡稱“石大區(qū)間”)為例，利用Google Earth獲取其地理位置，并將該區(qū)段的巖溶發(fā)育平面位置分布進行展示，如圖1所示。結合GIS數(shù)據(jù)庫的空間分析、空間數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)分析，以此來指導施工。

圖1 南寧地鐵2號線石大區(qū)間地理位置及巖溶發(fā)育平面位置分布圖截圖

綜合考慮上述因素，利用層次分析法和模糊綜合評判方法得到石子塘站—大沙田站區(qū)間巖溶塌陷危險性分區(qū)評價結果，如表1所示。

表1 石子塘站—大沙田站區(qū)間巖溶塌陷危險性分區(qū)表

根據(jù)隧道掘進方向，在GIS界面上顯示石大區(qū)間巖溶塌陷風險等級信息，并使用不同顏色來直觀地表示，如圖2所示。

圖2 南寧地鐵2號線石大區(qū)間巖溶塌陷風險等級圖

依據(jù)南寧地鐵2號線工程巖溶發(fā)育區(qū)段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，同時參考既有地鐵線路以及其他巖溶地區(qū)地鐵修建過程中的工程巖溶處理經(jīng)驗，明確巖溶區(qū)的處理原則為安全第一、先預報、再驗證處理、后施工，處理范圍為不同塌陷風險等級的所對應的巖溶區(qū)。根據(jù)不同巖溶塌陷風險等級對應的危險程度采取相應的處理措施，如表2所示。

采用隧道虛擬漫游和虛擬隧道開挖技術來模擬隧道開挖施工，預知隧道開挖過程中遭遇的地下巖性變化、地質(zhì)條件變化，以及可能遭遇的地質(zhì)災害環(huán)境、地質(zhì)災害類型及其危險程度，同時將現(xiàn)場的地質(zhì)信息反饋到GIS數(shù)據(jù)庫中進行對比分析以及更新。

表2 石大區(qū)間不同巖溶塌陷風險等級處理措施

2. 2 BIM與GIS結合應用

BIM與GIS的結合應用包含了地鐵隧道地質(zhì)信息、地下管線信息、周邊建筑技術信息、機械人員信息、施工監(jiān)測信息等在內(nèi)的工程實體與施工工序信息。風險評價則綜合考慮了影響隧道結構安全的諸多因素，利用GIS空間分析技術，從宏觀角度去評價周圍地質(zhì)環(huán)境的危險性。利用Revit軟件的API(應用程序編程接口)二次開發(fā)功能，將風險評價結果顯示在BIM平臺上，可以具體到在某個地鐵區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間設備段結構框架和內(nèi)部詳細屬性中。通過添加不同災害信息，結合實際監(jiān)測信息，可采取不同施工工序及相應的防治措施。針對中-高風險等級區(qū)域，采取短進尺、弱爆破、強支護、早封閉的施工方法；對低風險區(qū)域進行提前注漿，并且依據(jù)鉆探取芯分析的地質(zhì)狀況、地下水量,決定是否采用全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿、徑向注漿等措施。

最后將施工進度、隧道結構變形數(shù)據(jù)、地面沉降數(shù)據(jù)、建筑物沉降傾斜數(shù)據(jù)等實時變形監(jiān)測信息，與BIM隧道結構模型及周邊環(huán)境GIS數(shù)據(jù)進行整合，綜合分析地鐵隧道安全風險，在Web監(jiān)測平臺上以三維可視化的形式展示，并向各專業(yè)設計人員和施工人員發(fā)布相關信息，以方便現(xiàn)場進行動態(tài)管理。

3 結語

針對南寧地鐵2號線復雜的巖溶地質(zhì)條件，利用GIS進行場地巖溶塌陷風險評價，考慮施工因素和監(jiān)測信息進行隧道結構安全風險評價，并將結果呈現(xiàn)在BIM平臺，實現(xiàn)地鐵隧道全生命周期結構安全三維可視化及預警預報。主要成果如下：

1) 在Google Earth建立地鐵隧道宏觀地理環(huán)境基礎上，考慮復雜的地質(zhì)環(huán)境以及隧道施工工藝等諸多影響因素，利用GIS空間數(shù)據(jù)分析和處理功能，按照地鐵線路里程展示了南寧地鐵2號線石大區(qū)間巖溶塌陷風險等級。利用Revit軟件的API進行二次開發(fā)導入GIS計算結果，結合BIM模型，可具體到某個管片處的變形、裂縫或滲漏等災害點。根據(jù)地鐵隧道不同巖溶塌陷風險等級采取綜合防治措施，是地鐵隧道施工結構安全風險評估的基礎。

2) 在地質(zhì)災害風險評價基礎上，結合GIS空間地理信息的地面沉降數(shù)據(jù)、建筑物沉降傾斜數(shù)據(jù)，以及BIM平臺上的隧道結構變形數(shù)據(jù)等實時變形監(jiān)測信息，根據(jù)地鐵隧道沉降、地面沉降及隧道附近建筑物沉降傾斜等相關標準，綜合分析地鐵隧道結構的安全風險，進而可采取不同施工工序和相應防治措施，并發(fā)布相關預警預報信息。