何高峰 羅先啟 張 輝 攸巧仙

(1. 上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,200240,上海;2. 中建股份南寧軌道交通2號(hào)線項(xiàng)目部，530028,南寧;3. 中建隧道建設(shè)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(chǔ)、管理、計(jì)算、分析和顯示與地球表面位置相關(guān)的各種數(shù)據(jù)；BIM(建筑信息模型化)技術(shù)具有數(shù)字化、可視化、真實(shí)化的特點(diǎn)，有利于工程項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)實(shí)現(xiàn)全生命周期動(dòng)態(tài)可視化管理、信息共享和決策支持。BIM與GIS二者相結(jié)合在城市規(guī)劃、市政管網(wǎng)管理等諸多領(lǐng)域有所應(yīng)用，與各自單獨(dú)應(yīng)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(shù)也得到了大量的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)安全、災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警預(yù)報(bào)[7-8]。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜多變的系統(tǒng)，為確保地鐵隧道安全運(yùn)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(jìn)行施工安全預(yù)警預(yù)報(bào)。為保證整個(gè)地鐵隧道的安全，需要利用BIM技術(shù)并考慮地鐵隧道的精細(xì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括三維實(shí)體和表面數(shù)據(jù)，即和隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)的工程數(shù)據(jù)，如隧道中某個(gè)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(shè)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(yīng)沉降。

BIM與GIS的相結(jié)合,既能滿足不同工程的精度要求，又能減少測(cè)量工作、降低空間信息采集成本，以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和利用。文獻(xiàn)[10]實(shí)現(xiàn)了BIM與GIS在上海軌道交通規(guī)劃選線、設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收交接及運(yùn)營維護(hù)管理等不同階段的共同應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]基于BIM和GIS技術(shù)，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(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝即時(shí)調(diào)整以及運(yùn)維信息快速更新和查詢的綜合信息管理平臺(tái),現(xiàn)已運(yùn)用于寧波市的在建地鐵及輕軌交通項(xiàng)目。地鐵隧道施工是一個(gè)復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)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(fù)雜性方面,而且還體現(xiàn)在隧道施工技術(shù)、質(zhì)量控制及管理等多個(gè)方面。因此，分析諸多的影響因素，許多學(xué)者研究了隧道結(jié)構(gòu)、地表建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)，也提出了針對(duì)不同階段的評(píng)價(jià)措施[12-13]。以上研究主要集中在二者數(shù)據(jù)融合技術(shù)、工程信息化及可視化研究方面，考慮復(fù)雜影響環(huán)境下，BIM和GIS數(shù)據(jù)結(jié)合后的進(jìn)一步分析，并將分析結(jié)果用于隧道安全預(yù)警預(yù)報(bào)較少。本文針對(duì)南寧地鐵2號(hào)線巖溶發(fā)育復(fù)雜的場(chǎng)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(duì)淺埋暗挖地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；結(jié)合地鐵隧道BIM的結(jié)構(gòu)模型和GIS的空間地理信息模型，實(shí)現(xiàn)了基于BIM平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的三維可視化，并利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可為設(shè)計(jì)者、管理人員及決策者提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和依據(jù)。

1 BIM和GIS的特點(diǎn)及應(yīng)用

BIM是對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)施實(shí)體與功能特性的數(shù)字化表達(dá)，側(cè)重于表達(dá)地鐵隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)件、產(chǎn)品等詳細(xì)要素，即在局部環(huán)境下及直角坐標(biāo)系中對(duì)地鐵隧道自身框架和內(nèi)部詳細(xì)組成進(jìn)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(shí)段的施工工序信息(包括人員、機(jī)械等在內(nèi)的工程實(shí)體)，以及相關(guān)施工監(jiān)測(cè)信息，建立地鐵施工的4D模型。在模型中綜合考慮造價(jià)信息來進(jìn)行5D施工管理，建立與時(shí)間、成本、施工參數(shù)相關(guān)聯(lián)的6D BIM 模型，從而實(shí)現(xiàn)施工組織的精細(xì)化管理[14]。

GIS研究的是大范圍的空間對(duì)象及抽象化的建筑對(duì)象，通過統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系全局性地參考、展示、評(píng)估、分析和地理要素緊密相關(guān)的造型、立面和外部空間等整體輪廓。對(duì)于線路相對(duì)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(guān)注和難以解決的；同時(shí)，將GIS技術(shù)引入到隧道病害數(shù)據(jù)管理中，為隧道養(yǎng)護(hù)和安全評(píng)估提供了豐富的數(shù)據(jù)來源[8]。第二，針對(duì)城市軌道交通所處的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，GIS能夠有效地存儲(chǔ)、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(chǎng)區(qū)巖溶空間發(fā)育規(guī)律，評(píng)價(jià)施工過程中巖溶塌陷的危險(xiǎn)性；②考慮地層移動(dòng)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(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，建立地鐵施工地表變形監(jiān)測(cè)安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化管理動(dòng)態(tài)分析，預(yù)測(cè)施工過程中的變形狀況，從而指導(dǎo)地鐵隧道的安全施工。

2 BIM與GIS結(jié)合應(yīng)用于地鐵隧道安全預(yù)警預(yù)報(bào)

BIM側(cè)重于對(duì)地鐵區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間設(shè)備段結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)部詳細(xì)組成的三維表達(dá);GIS則使用統(tǒng)一的地理坐標(biāo)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(shì)共同實(shí)現(xiàn)地鐵隧道工程項(xiàng)目細(xì)化的局部結(jié)構(gòu)與整體的融合，并綜合考慮人員、機(jī)械等在內(nèi)的工程實(shí)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(jié)構(gòu)安全提供了可視化的三維環(huán)境，并為設(shè)計(jì)者、管理人員及決策者提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和依據(jù)。

2. 1 基于GIS的隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

巖溶地區(qū)隧道結(jié)構(gòu)安全包括地面建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)安全、地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全以及空間施工安全，其主要影響因素包括地質(zhì)災(zāi)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(dǎo)水?dāng)鄬?、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(jí)別，以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、開挖支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)動(dòng)態(tài)反饋信息等。以南寧地鐵2號(hào)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(jìn)行展示，如圖1所示。結(jié)合GIS數(shù)據(jù)庫的空間分析、空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以此來指導(dǎo)施工。

圖1 南寧地鐵2號(hào)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(píng)判方法得到石子塘站—大沙田站區(qū)間巖溶塌陷危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)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(xiǎn)性分區(qū)表

根據(jù)隧道掘進(jìn)方向，在GIS界面上顯示石大區(qū)間巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)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(hào)線石大區(qū)間巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖

依據(jù)南寧地鐵2號(hào)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(shí)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(yàn)，明確巖溶區(qū)的處理原則為安全第一、先預(yù)報(bào)、再驗(yàn)證處理、后施工，處理范圍為不同塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的所對(duì)應(yīng)的巖溶區(qū)。根據(jù)不同巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)程度采取相應(yīng)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(shù)來模擬隧道開挖施工，預(yù)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(zāi)害環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害類型及其危險(xiǎn)程度，同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)信息反饋到GIS數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行對(duì)比分析以及更新。

表2 石大區(qū)間不同巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)處理措施

2. 2 BIM與GIS結(jié)合應(yīng)用

BIM與GIS的結(jié)合應(yīng)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(shù)信息、機(jī)械人員信息、施工監(jiān)測(cè)信息等在內(nèi)的工程實(shí)體與施工工序信息。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)則綜合考慮了影響隧道結(jié)構(gòu)安全的諸多因素，利用GIS空間分析技術(shù)，從宏觀角度去評(píng)價(jià)周圍地質(zhì)環(huán)境的危險(xiǎn)性。利用Revit軟件的API(應(yīng)用程序編程接口)二次開發(fā)功能，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示在BIM平臺(tái)上，可以具體到在某個(gè)地鐵區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間設(shè)備段結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)部詳細(xì)屬性中。通過添加不同災(zāi)害信息，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)信息，可采取不同施工工序及相應(yīng)的防治措施。針對(duì)中-高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域，采取短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉的施工方法；對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)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(jìn)度、隧道結(jié)構(gòu)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(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)信息，與BIM隧道結(jié)構(gòu)模型及周邊環(huán)境GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，綜合分析地鐵隧道安全風(fēng)險(xiǎn)，在Web監(jiān)測(cè)平臺(tái)上以三維可視化的形式展示，并向各專業(yè)設(shè)計(jì)人員和施工人員發(fā)布相關(guān)信息，以方便現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

3 結(jié)語

針對(duì)南寧地鐵2號(hào)線復(fù)雜的巖溶地質(zhì)條件，利用GIS進(jìn)行場(chǎng)地巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，考慮施工因素和監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并將結(jié)果呈現(xiàn)在BIM平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)地鐵隧道全生命周期結(jié)構(gòu)安全三維可視化及預(yù)警預(yù)報(bào)。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(chǔ)上，考慮復(fù)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(hào)線石大區(qū)間巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。利用Revit軟件的API進(jìn)行二次開發(fā)導(dǎo)入GIS計(jì)算結(jié)果，結(jié)合BIM模型，可具體到某個(gè)管片處的變形、裂縫或滲漏等災(zāi)害點(diǎn)。根據(jù)地鐵隧道不同巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采取綜合防治措施，是地鐵隧道施工結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)。

2) 在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，結(jié)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(tái)上的隧道結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合分析地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而可采取不同施工工序和相應(yīng)防治措施，并發(fā)布相關(guān)預(yù)警預(yù)報(bào)信息。