黃偉軍，饒立恒，毛雄偉，周瀟瀟，黃黎明，王鈺瑩，沈 江

（1.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518000；2.天津大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部，天津 300072）

建筑信息模型（BIM）技術(shù)在諸如隧道工程等具有隱蔽性工程特征的建設(shè)過程中是不可或缺的，其沖擊力與20 世紀(jì)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的作用有異曲同工之妙［1］。在工程過程中，無論工程數(shù)據(jù)表達(dá)、還是信息資源共享，BIM 以其數(shù)據(jù)的直觀性、共享性與可分析性等鮮明的特點(diǎn)，從靜態(tài)數(shù)據(jù)的觀點(diǎn)上均可以發(fā)揮得淋漓盡致［2］。但由于隧道工程的特殊性，如地質(zhì)條件變化、周邊環(huán)境影響等［3］，BIM 技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用上還有一定困難。以BIM 模型的信息流為中樞，形成工程數(shù)據(jù)分析中心，需要借助傳感器技術(shù)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集感知進(jìn)行處理，才能形成總體工程數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)［4］。

現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)BIM 建模方法一般是通過提取隧道軸線，然后建立參數(shù)化模型單元并沿軸線拼接或者開發(fā)隧道輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，根據(jù)參數(shù)化斷面設(shè)計(jì)構(gòu)建一體化隧道結(jié)構(gòu)模型［5］。然而在一些結(jié)構(gòu)特殊部位，或面臨參數(shù)改變等特殊情況時(shí)，現(xiàn)有的BIM 建模方法還無法滿足，因此本文主要基于傳感器技術(shù)，建立多通道異構(gòu)信息的融合機(jī)制，構(gòu)建集成BIM 分析系統(tǒng)，解決隧道工程設(shè)計(jì)階段的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理（如設(shè)計(jì)參數(shù)變更等）問題，為BIM 技術(shù)在工程領(lǐng)域的信息化發(fā)展提供系統(tǒng)思路和依據(jù)。以某城市陸地隧道工程項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目路線全長(zhǎng)約5.5 km，包括陸域段隧道和海域段工程，本文將主要運(yùn)用BIM 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對(duì)隧道主線陸域段支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真，并提出相應(yīng)的解決方案。陸域段隧道長(zhǎng)度2 460 m，線路基坑深度在3.0～21.5 m 之間變化，基坑沿線部分地層均分布有軟弱土（如新近填土、淤泥、淤泥質(zhì)土等）?；铀诘貙淤x存薄厚不均的淤泥層、砂層，且長(zhǎng)區(qū)段臨近沿江高速樁基礎(chǔ)，基坑安全等級(jí)需求高，因此，采用整體剛度較大，止水效果好的地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻厚度為1.0 m。

陸地隧道工程采用“地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐型式”的支護(hù)結(jié)構(gòu)，由于存在大跨基坑結(jié)構(gòu)，為了提高強(qiáng)度，在斷面中部增設(shè)加強(qiáng)立柱。根據(jù)基坑深度不同，分別設(shè)置了2～5 道支撐，第2～4 道支撐采取鋼支撐，水平間距分別為9.0 m 或3.0 m，第1 道支撐為混凝土支撐，尺寸為1.0 m×1.0 m（高×寬）。對(duì)部分基坑增設(shè)了3.0 m 間距的鋼支撐結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻穿透砂層等強(qiáng)透水層，地面設(shè)截水溝，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)擋水坎；基坑內(nèi)設(shè)降水井，隨挖隨降，基坑內(nèi)降水深度宜控制在開挖面以下1 m。

如圖1 所示的隧道結(jié)構(gòu)，其主要難點(diǎn)有：1）基坑長(zhǎng)寬比大（4∶1），施工難度高，常被視為長(zhǎng)條帶狀形基坑，給公路隧道明挖基坑工程的施工帶來了困難與風(fēng)險(xiǎn)；2）復(fù)雜的地層地質(zhì)狀況，施工區(qū)屬于嚴(yán)重砂土液化區(qū)，地面承載力在100 kPa 以下；圍筑海堤存在著一定的人為影響因素，施工需要針對(duì)性的強(qiáng)基措施；3）緊鄰有沿江高速，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮沿江高速的影響，在工程建設(shè)過程也應(yīng)保證降低對(duì)沿江高速正常運(yùn)營(yíng)的影響，由此產(chǎn)生了各種限制因素。

圖1 陸地隧道工程道路橫斷面圖

因此，為了針對(duì)性解決項(xiàng)目隧道主線陸域段支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的更變和設(shè)計(jì)問題，并結(jié)合研究城市市政交通建設(shè)領(lǐng)域中隧道工程的BIM 應(yīng)用，本文提出了一種基于信息融合的測(cè)試傳感器布設(shè)方法及其傳感器融合的總體系統(tǒng)構(gòu)架。結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)收集和處理技術(shù)，以BIM 技術(shù)為主體，為隧道工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案中設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)問題提供解決方法，有效優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析可視化，提高工程信息化建設(shè)水平。

1 系統(tǒng)構(gòu)建與建模分析

1.1 總體系統(tǒng)構(gòu)架

基于傳感器融合的BIM 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的總體系統(tǒng)構(gòu)架包括后臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)和前臺(tái)可視化界面兩部分，如圖2 所示。

圖2 總體系統(tǒng)構(gòu)架圖

后臺(tái)采用信息系統(tǒng)的邏輯分層構(gòu)造，分別為感知、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用等4 層結(jié)構(gòu)。感知層處于架構(gòu)底層，主要由傳感器構(gòu)成，實(shí)時(shí)采集隧道施工現(xiàn)場(chǎng)和周邊環(huán)境的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，是大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)應(yīng)用和發(fā)展的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)對(duì)感知層收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，進(jìn)行云儲(chǔ)存和虛擬化后統(tǒng)一匯入分布式數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)絡(luò)層可分為有線傳輸和無線傳輸，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分布式處理，應(yīng)用層則是整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，與前臺(tái)界面對(duì)接，依據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景輸出可視化的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

前臺(tái)可視化界面分為數(shù)據(jù)界面和圖形界面，整體系統(tǒng)將大量抽象的數(shù)據(jù)用圖表、圖形、動(dòng)畫視頻、文本等可視化形式呈現(xiàn)，經(jīng)過數(shù)據(jù)可視化處理，可以讓業(yè)主和設(shè)計(jì)師等相關(guān)技術(shù)人員簡(jiǎn)潔明了地理解問題所在?？梢暬倪^程不僅是數(shù)據(jù)視覺效果傳遞，而且是數(shù)據(jù)內(nèi)涵和寓意的“知識(shí)表示”。該系統(tǒng)可將隧道工程的各類信息與傳感器傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，將傳感動(dòng)態(tài)信息與BIM 靜態(tài)信息融合，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果可視化，通過大數(shù)據(jù)融合分析系統(tǒng)的界面系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示項(xiàng)目信息，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息，直觀了解數(shù)據(jù)的內(nèi)部聯(lián)系，提高溝通效率。

1.2 傳感器布設(shè)技術(shù)

在觀察和采集現(xiàn)場(chǎng)各類不同用途的傳感器，通過布設(shè)技術(shù)可以將BIM 大數(shù)據(jù)分析所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、采集并按照一定的數(shù)據(jù)規(guī)律通過數(shù)學(xué)建模轉(zhuǎn)換成可用信息。適用于BIM 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的傳感器種類很多，根據(jù)信號(hào)的類別進(jìn)行選擇。通常，這類傳感器可以作為系統(tǒng)中的直接感應(yīng)被測(cè)對(duì)象的元件，由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成［6］。由于現(xiàn)場(chǎng)情況十分復(fù)雜，其安裝位置非常重要，傳感器陣列的布設(shè)技術(shù)是解決問題的關(guān)鍵?？紤]到數(shù)據(jù)建模的需要，在施工現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試區(qū)域采用了多傳感器信息融合的陣列模式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工場(chǎng)地與外部環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。

故障覆蓋率與傳感器辨識(shí)率是衡量傳感器及其陣列布設(shè)的重要指標(biāo)，據(jù)此可以確定傳感器類型、布設(shè)結(jié)構(gòu)、間距和數(shù)量等。在布設(shè)開始前，需要搭建一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，以檢查整個(gè)陣列的可靠性是否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，并據(jù)此進(jìn)行傳感器陣列的布局改善、變化間距、增減數(shù)量等布設(shè)優(yōu)化工作。采用布設(shè)設(shè)計(jì)方法為基于經(jīng)驗(yàn)的布局法與有效獨(dú)立算法（EFI）的融合。

1.3 系統(tǒng)仿真算法

1.3.1 傳感器靜態(tài)誤差補(bǔ)償

在隧道現(xiàn)場(chǎng)使用的傳感器，由于環(huán)境、狀況和溫濕度變化等原因時(shí)，可能出現(xiàn)零漂、遲滯以及非線性誤差等傳感器靜態(tài)誤差［7］。特別是因隧道構(gòu)造和施工影響產(chǎn)生的零漂可能性最大，同時(shí)，電壓源和電壓波動(dòng)等也會(huì)導(dǎo)致電壓漂移等情況出現(xiàn)。

對(duì)于無法預(yù)測(cè)的靜態(tài)誤差進(jìn)行補(bǔ)償是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求，采用非線性誤差補(bǔ)償方法，如圖3 所示。布里淵分布式光纖傳感器受到某一數(shù)據(jù)信號(hào)x 的干擾，輸出數(shù)據(jù)信號(hào)y。再通過接口電路模塊的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，成為信號(hào)Y，此輸出是符合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，采集控制器將其轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)Yc，接口電路的選擇通常是依據(jù)信號(hào)Y來確定的，一般采用ADC 或FDC 等。

圖3 傳感器靜態(tài)補(bǔ)償?shù)姆蔷€性誤差修正

在對(duì)傳感器標(biāo)定時(shí)，需要測(cè)定在若干溫度環(huán)境的數(shù)據(jù)來定義x～y 特性曲線，并進(jìn)行基于非線性算法的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如采用二元插值法確定其修正值。采集控制器會(huì)同時(shí)接收信號(hào)Y 及表示環(huán)境溫度的信號(hào)θ，計(jì)算出綜合閾值X，按照修正公式計(jì)算出Yc=KX，式中的K 為權(quán)重值，通過傳感器標(biāo)定給出。

1.3.2 MIDAS GTS 模型

根據(jù)城市隧道的物理特征，在BIM 信息模型基礎(chǔ)上，利用專用的地基和隧道的結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬和分析，判斷設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的限定數(shù)值和方案合理性。采用有限元法對(duì)分析對(duì)本研究的陸地隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行巖土結(jié)構(gòu)模擬、固結(jié)分析與動(dòng)力學(xué)分析等。在使用MIDAS GTS（Geotechnical and Tunnel Analysis System）軟件建立基坑模型時(shí)，通常會(huì)采用梁?jiǎn)卧蜆秵卧M圍護(hù)樁體［8］。在計(jì)算過程中，根據(jù)剛度等效性原則，考慮到隧道主線陸域段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將一些樁單元（如聯(lián)排鉆孔灌注樁等）視為地下連續(xù)墻，以簡(jiǎn)化網(wǎng)格步長(zhǎng)定義，達(dá)到減少計(jì)算機(jī)時(shí)的目的。根據(jù)MIDAS GTS 仿真要求，考慮了需要隧道基坑底土體的縱向位移（如現(xiàn)場(chǎng)基坑有隆起等狀況）、基坑側(cè)壁土體的水平位移及其動(dòng)力特征，來設(shè)定相應(yīng)的計(jì)算邊條及其需用在軟件加以限定的數(shù)值。在地基和隧道的結(jié)構(gòu)建模時(shí)，將描述地基單元的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如單元結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、梁?jiǎn)卧蜆秵卧O(shè)計(jì)圖紙數(shù)據(jù)及其土層動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)引入MIDAS GTS 中，以完成最終建模工作［9］。

1.3.3 多傳感器信息融合算法

多傳感器的信息融合算法是通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、比對(duì)與組合等數(shù)據(jù)處理方式采集被測(cè)環(huán)境或物體的數(shù)位信息、特征識(shí)別以及整體態(tài)勢(shì)的實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，特別是用于解決異構(gòu)的傳感器及其傳感器陣列的信息匹配問題［10］。其核心在于確定與評(píng)估異構(gòu)的各類不同輸入傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和抗噪分析，建立異構(gòu)的傳感器及其傳感器陣列的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，優(yōu)化多通道數(shù)據(jù)的融合機(jī)制。例如，多傳感器信息融合的一致性算法是現(xiàn)場(chǎng)采用的較為經(jīng)典的一種。設(shè)在傳感器陣列中，第i 個(gè)傳感器的測(cè)量值為xi（i=1，2，…，n），用σi表示傳感器第i 個(gè)的測(cè)量精度，則其測(cè)量模型為［10］

設(shè)dij（j=1，2，…，n）為算法的置信距離，則dij、dji可表示兩傳感器i 與j 間的數(shù)據(jù)支持度

依照以往同類現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試數(shù)據(jù)與傳感器定標(biāo)結(jié)果，給出參數(shù)值εij，則可以確定傳感器i 與j 之間的數(shù)據(jù)支持關(guān)系rij

由此，傳感器矩陣的支持度向量

支持度向量R 用于計(jì)算異構(gòu)的傳感器及其陣列相互傳輸?shù)臓顟B(tài)函數(shù)。采用鄧軍等人研究的改進(jìn)算法［12］，可以得到異構(gòu)的傳感器及其陣列的最終數(shù)據(jù)融合值。式中，αi表示第i 個(gè)數(shù)據(jù)的權(quán)重值

1.3.4 干擾信號(hào)處理方法

傳感器獲取的信號(hào)中常常夾雜著噪聲及各種干擾信號(hào)，為了準(zhǔn)確地獲取表征被檢測(cè)對(duì)象特征的定量信息，必須對(duì)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理［13］。改善干擾信號(hào)處理的信噪比與分辨率可以采用濾波、降噪和補(bǔ)償?shù)却胧﹣硗瓿伞?/p>

1.3.5 融合數(shù)據(jù)處理方法

在實(shí)際隧道測(cè)量中，傳感器是采用確定測(cè)量角度的分格點(diǎn)測(cè)法，得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)是離散分布的，為了對(duì)隧道整體斷面進(jìn)行整體分析和態(tài)勢(shì)觀察，需求獲得空間的連續(xù)數(shù)據(jù)圖形，故需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。采用的插值方法是內(nèi)插法，它是采用測(cè)試數(shù)據(jù)在計(jì)算區(qū)域測(cè)量出的有限函數(shù)值，按精確度的不同要求，插值出特定函數(shù)圖形。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)的所需點(diǎn)上給出特定函數(shù)值作為測(cè)試數(shù)據(jù)的近似值。根據(jù)工程精度的一般要求采用多項(xiàng)式插值法，其中包括最臨近法、線性法以及三次曲線法等。通過大數(shù)據(jù)處理與計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果分析，對(duì)比最鄰近法、線性法與三次曲線法等3 種插值法的結(jié)果，如圖4 所示，其中三次曲線法效果最佳。因此，采用三次曲線插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到隧道斷面上所有測(cè)量點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，便于數(shù)據(jù)處理和分析。

圖4 采用三種插值法的隧道斷面結(jié)果對(duì)比

2 應(yīng)用案例分析

2.1 傳感器類型、選用和布局設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)支護(hù)參數(shù)的提取和監(jiān)控，需要選用適用的傳感器類型，并完成傳感器的安裝及合理布局。本陸域段隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真主要采用嵌入式傳感器，包括軸力傳感器和位移傳感器，分別用于隧道深基坑鋼支撐軸向應(yīng)力監(jiān)測(cè)和隧道圍巖相對(duì)位移監(jiān)測(cè)。主要使用MIDAS/GTS 對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立隧道支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真模型。在隧道深基坑開挖過程中，采用軸力傳感器進(jìn)行鋼支撐軸向應(yīng)力監(jiān)測(cè)，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，得到隧道深基坑在不同開挖階段的鋼支撐軸向應(yīng)力分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理處，并進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。如在對(duì)鋼支撐的應(yīng)力分布進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用了“XHX-2××××”系列的表面應(yīng)變計(jì)，在所測(cè)量的區(qū)域內(nèi)，垂直軸線斷面的布設(shè)，每個(gè)斷面內(nèi)，鋼支撐的表面應(yīng)變計(jì)按10 測(cè)點(diǎn)計(jì)。在對(duì)支護(hù)接觸應(yīng)力檢測(cè)時(shí)，采用布里淵分布式光纖傳感等，垂直軸線斷面的布設(shè)，每個(gè)斷面內(nèi)接觸應(yīng)力按35～48 測(cè)點(diǎn)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 傳感器布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)圖

在隧道頂部沉降檢測(cè)時(shí)，采用激光傳感器，由于隧道結(jié)構(gòu)的影響其沉降數(shù)據(jù)不能通過直接的儀器儀表測(cè)量得出，需采用幾何計(jì)算法進(jìn)行。具體方法為：在隧道頂部（垂直線A 點(diǎn)）安裝一個(gè)被測(cè)用平板，在隧道腰部（水平線B 點(diǎn)）安裝激光傳感器，通過B 點(diǎn)傳感器的激光束獲得A、B 兩點(diǎn)間的距離；再通過隧道全站儀獲得水平線與垂直線交點(diǎn)C 與端點(diǎn)A 的距離。若隧道的拱頂出現(xiàn)沉降，到達(dá)E 點(diǎn)時(shí)，則激光束可檢測(cè)出變化點(diǎn)的距離，即可通過簡(jiǎn)單的幾何計(jì)算就可求得隧道頂部的沉降數(shù)據(jù)，并通過輔助線變化可求得收斂值［14］。其幾何計(jì)算方法如圖6 所示。

圖6 基于幾何計(jì)算法的隧道頂部沉降激光傳感器檢測(cè)

布局設(shè)計(jì)方案的實(shí)施步驟：

1）傳感器及其陣列立面、平面布局圖及其詳細(xì)說明，包括測(cè)點(diǎn)描述、傳感器類型、測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)和傳感器數(shù)量等；2）根據(jù)施工圖安裝傳感器、連接與調(diào)試；3）通過采集控制器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，輸入計(jì)算模型中，經(jīng)計(jì)算處理得到地基和隧道的梁?jiǎn)卧蜆秵卧嚓P(guān)應(yīng)力數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以兩維和三維的應(yīng)力分布狀況圖表示；4）這些分析的數(shù)據(jù)可與設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)數(shù)值比對(duì)，通過誤差分析，可以確定原設(shè)計(jì)的一些問題所在，從而對(duì)原設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行修改。

2.2 結(jié)果分析與討論

通過現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)采集、實(shí)際數(shù)據(jù)與模型計(jì)算的數(shù)據(jù)融合分析，可以模擬出地基和隧道的梁?jiǎn)卧蜆秵卧?，在各個(gè)工程階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況的動(dòng)態(tài)分布。仿真數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，由于地基和隧道深度的推進(jìn)，土體壓力越發(fā)加大。例如，在架設(shè)各層鋼支撐時(shí)，每道支撐的應(yīng)力會(huì)從初始值線性增長(zhǎng)達(dá)到設(shè)定的界定值。

（1）在基坑開挖深度到達(dá)6.7 m 時(shí)，對(duì)St（1，6）鋼支撐的受力狀況進(jìn)行仿真分析，由圖7 可以看出，St（1，6）鋼支撐軸向應(yīng)力分布在592.36～745.59 kN 之間，受力分布較為均勻，中部軸向應(yīng)力最大。

圖7 6.7 m 深度的鋼支撐St（1，6）軸向應(yīng)力分布

（2）在基坑開挖深度到達(dá)10.7 m 時(shí)，基坑增加了鋼支撐St（2，6）結(jié)構(gòu)，由圖8 可以看出，當(dāng)前鋼支撐St（1，6）較之前的受力情況有所下降，而鋼支撐St（2，6）所受應(yīng)力呈現(xiàn)線性增加，受力最大的部分應(yīng)力值達(dá)到1 067.34 kN。

圖8 10.7 m 深度的St（1，6）/St（2，6）軸向應(yīng)力分布

（3）在基坑開挖深度到達(dá)14.7 m 時(shí)，在鋼支撐St（1，6）/St（2，6）的支護(hù)上加設(shè)了鋼支撐St（3，6），鋼支撐St（1，6）的受力分布狀態(tài)基本穩(wěn)定。隨后，當(dāng)開挖全部完成后，對(duì)鋼支撐St（3，6）的應(yīng)力分布狀況仿真分析，鋼支撐St（1，6）/St（2，6）/St（3，6）應(yīng)力分布狀況均達(dá)到了預(yù)警值，如圖9 所示。

圖9 結(jié)束時(shí)鋼支撐St（1，6）/St（2，6）/St（3，6）軸向應(yīng)力分布

由此可見，地基和隧道圍護(hù)鋼支撐的設(shè)計(jì)軸向應(yīng)力極值為1 850 kN 左右，而計(jì)算應(yīng)力數(shù)據(jù)達(dá)到1 452.13 kN，為設(shè)計(jì)極值的78.49%，已接近預(yù)警值，原設(shè)計(jì)方案中的初期支護(hù)參數(shù)偏小。據(jù)此提出優(yōu)化方案：1）對(duì)未開挖部分，重新進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)初期支護(hù)剛度；2）對(duì)已開挖部分，需要及時(shí)增設(shè)鋼支撐，并適當(dāng)提高預(yù)應(yīng)力水平，改善鋼支撐的整體應(yīng)力分布狀況受力條件，以達(dá)到抗基坑失穩(wěn)的目的。

通過仿真數(shù)據(jù)結(jié)果，可以隨著傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案中的參數(shù)問題，并針對(duì)未開挖和已開挖部分進(jìn)行方案修改和變更，適用于設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)方案參數(shù)不合理變更、施工過程受力狀態(tài)不合理進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)變更等多種情況，對(duì)設(shè)計(jì)方案的參數(shù)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)和施工階段都進(jìn)行了有效的監(jiān)控和管理。

3 結(jié)論

主要分析了在陸地隧道工程的BIM 系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)分析過程中，應(yīng)用信息融合方法解決傳感器布設(shè)問題。以隧道主線的陸域段支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)仿真為案例，通過多傳感器的數(shù)據(jù)信息和MIDAS GTS 軟件數(shù)值模擬，結(jié)合項(xiàng)目設(shè)計(jì)信息，隨著監(jiān)測(cè)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案中的參數(shù)問題，并針對(duì)未開挖和已開挖部分進(jìn)行方案修改。該系統(tǒng)融合運(yùn)用傳感器和BIM 技術(shù)，有效解決了項(xiàng)目中設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更、施工過程中隧道參數(shù)出現(xiàn)偏差導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更、隧道受力狀態(tài)變化反饋不及時(shí)，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累不足以及設(shè)計(jì)階段對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和評(píng)估不全面等的問題，避免了后期的設(shè)計(jì)變更和工程變更，保證了工程施工和運(yùn)營(yíng)階段的安全。將基于信息融合的傳感器技術(shù)與陸地隧道工程的BIM 大數(shù)據(jù)相結(jié)合，擴(kuò)展了BIM 大數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，從動(dòng)態(tài)工程數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)隧道設(shè)計(jì)階段的相關(guān)問題，有利于工程全過程的信息技術(shù)的作用，提升了項(xiàng)目的科學(xué)決策水平，同時(shí)，為BIM 在隧道工程領(lǐng)域全生命周期的實(shí)施與推廣提供了實(shí)證。