張孝俊

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 超前地質預報

超前地質預報是基于已有地質資料和數(shù)據(jù)，同時通過工程現(xiàn)場雷達及TSP等地質物探方式，預判工程開挖工作面前方地質巖層特性情況，包括水文情況、巖層含水量與強度等巖性性質，斷裂帶、含水量較高的巖層及溶洞等不良地質的探測手段。超前地質預報能夠對不良地質地層提前作出判斷，從而提供提高施工安全的預防性工作作業(yè)措施，在不良地質段適當提高隧道圍巖級別強度，具有總體上減少工程經濟成本及為施工工程提供安全保障的優(yōu)勢[1]。

2 超前地質預報在某隧道施工過程中的應用

某隧道在施工前期階段，超前地質預報工作是在分析已有地質勘探數(shù)據(jù)及相關地質勘查資料的基礎上，同時在工程現(xiàn)場采用地質雷達超前預報系統(tǒng)和TSP超前預報技術，對現(xiàn)場采集回來的數(shù)據(jù)分析處理，整合分析現(xiàn)場傳感器圖像及反射波表現(xiàn)，并與前期已有的地質數(shù)據(jù)和資料對比。在上述工作的基礎上來獲取開挖工作面前方地質體總體巖層特性，不良地質體巖層位置特性等相關地質預報信息。

某隧道施工過程中，工程現(xiàn)場所采用的地質雷達及TSP地質超前預報技術主要是參照隧道前方工程地質及水文地質、巖層含水情況及強度、巖性性質構造變化、不良地質體的規(guī)模形狀及位置等情況來選擇，相鄰TSP超前預報之間的距離為150 m[2]。相比TSP技術，地質雷達探測隧道工作面前方的地質特性精確度較高，能較好識別含水量較高的位置及溶洞區(qū)、破碎帶、斷裂帶等不良地質區(qū)。但由于其只能在20～35 m的較小范圍內探測[3]，所以在選擇超前地質預報技術時，總體采用TSP預報技術，在巖層變化較大，地質特性情況較復雜的地區(qū)局部采用地質雷達。

在上述超前地質預報工作的基礎上，某隧道工程設計人員通過將超前地質預報結果與前期設計圍巖對比，必要時對圍巖受力情況重新進行計算及分析，核查前期所設計的圍巖級別是否能夠滿足工程安全要求，并將數(shù)據(jù)結果實時反饋給業(yè)主單位，通過進一步的設計變更優(yōu)化，在保證施工安全的前提下重新進行施工組織，優(yōu)化施工安排，從而加快施工進度。

3 超前地質預報與BIM技術的結合

3.1 超前地質預報與BIM技術結合的基本原理

結合BIM技術的超前地質預報技術首先是在前期勘察數(shù)據(jù)及資料的基礎上，依據(jù)立方體網格的有限元思路，建立地質三維可視化模型，在BIM可視化軟件中重新構建工程范圍內的有效地質體；后期采用BIM軟件本身功能及二次開發(fā)技術，將地質數(shù)據(jù)資料信息、TSP地質預報數(shù)據(jù)成果集成到BIM三維地質模型中，通過插值計算等方式快速得到不良地質體的巖層特性及位置等信息，在BIM軟件系統(tǒng)中直觀顯示不良地質體與隧道的空間關系，分析不良地質體對隧道結構造成的影響；最后在上述分析基礎上建議選擇適當?shù)乃淼绹鷰r級別，給出可行的工程安全保障措施建議。

BIM技術所采用的三維地質建模普遍通過立方體網格技術，即空間六面體單元，地質建模過程中在模型中將屬性賦予給地質體，同時，將其形態(tài)結構特征以三維模型的方式表達。基于上述原理，BIM三維地質建模過程包含有對地質體進行分區(qū)及作為前者依據(jù)的地質處理（基于三維網格模型技術）。

基于BIM技術的三維地質模型具有三維可視化、屬性信息集成、模型參數(shù)化的特點。超前地質預報通過采用基于程序二次開發(fā)的BIM技術，依托基于BIM思路的三維地質模型，將TSP數(shù)據(jù)成果導入其中，從而實現(xiàn)測試成果數(shù)據(jù)的可視化。

某隧道三維地質建模及后期二次開發(fā)技術主要是基于達索（CATIA）軟件，該軟件強大的模型搭建及后期屬性集成功能，實現(xiàn)BIM技術與超前地質預報技術的結合。具體過程如下：

a）將建模軟件CATIA與地質數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系，實現(xiàn)物探屬性數(shù)據(jù)完整地導入CATIA軟件，作為數(shù)據(jù)來源計算六面體網格屬性。

b）基于屬性數(shù)據(jù)參照點和掌子面，搭建六面體網格。

c）將原始地質模型導入到六面體網格實現(xiàn)地質分區(qū)，將開挖工作面前方的地質體三維模型獲取出來。

d）在六面體單元網格中導入帶屬性的物探數(shù)據(jù)，以插值的方法進行數(shù)據(jù)計算。

e）基于上述處理結果形成等值面，獲取不良地質體信息（點位形狀等）。

3.2 工程應用

在某隧道左洞出口 ZK41+188—ZK41+018，共170 m范圍內，對隧道開挖工作面進行超前地質預報，基于前期工程地質勘察資料及數(shù)據(jù)，針對掌子面前方工程地質特點，采用探測距離較長的TSP地質預報技術，相關TSP數(shù)據(jù)結果見圖1～圖3。

圖1 TSP反射P波二維成像圖

圖2 TSP反射SH波二維成像圖

圖3 TSP反射SV波二維成像圖

圖中，傳感器的3個分量分別用縱波（P波）、橫波水平分量（SH波）、橫波垂直分量（SV波）表示，根據(jù)圖1～圖3反射波的變化可看出巖性強弱的細微變化。

將上述物探數(shù)據(jù)及資料，TSP地質預報成果數(shù)據(jù)與BIM技術相結合。

3.2.1 總體流程

a）基于前期已有的相關地質探測資料與有關地質勘查數(shù)據(jù)，通過CATIA軟件建立ZK41+188—ZK41+018及其往前1 km范圍段三維地質模型。

b）基于前期構建的不同隧道圍巖類型的隧道模板庫，在CATIA軟件中以起終點樁號、圍巖類型等為參數(shù)快速建立ZK41+188—ZK41+018段隧道模型。

c）以前期采集的TSP地質成果數(shù)據(jù)為基礎，通過后期分析處理，構建預報段范圍內的三維立方網（見圖 4）。

圖4 TSP反射P波反射界面三維成像圖

d）根據(jù)以上數(shù)據(jù)進行超前地質預報分析，確定不良地質體形狀位置信息，建立三維模型。

e）分析不良地質體和三維地質模型的關系。

（a）分析不良地質體與隧道已開挖和未開挖段的空間關系見圖5所示。

圖5 不良地質體與隧道已開挖和未開挖段的關系

（b）分析不良地質體與各地層空間關系見圖6所示。

圖6 不良地質體與各地層關系

3.2.2 超前地質預報與BIM技術相結合

a）ZK41+188—ZK41+085段圍巖與開挖工作面相近，基于前期地質勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質預報成果數(shù)據(jù)，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：該段巖體局部有股狀涌水，整體塊狀構造特征，特別是：ZK41+150—ZK41+135 段、ZK41+119—ZK41+099段，強度一般，裂隙較發(fā)育，巖體結構的穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護采用Ⅲ級。

b）ZK41+199—ZK41+148段巖體基于前期地質勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質預報成果數(shù)據(jù)，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：局部有股狀涌水，整體呈塊狀構造特征，局部有碎塊狀結構，強度較弱，裂隙較發(fā)育，巖體結構的穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護采用Ⅲ級（偏弱）。

c）ZK41+074—ZK41+043段巖體基于前期地質勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質預報成果數(shù)據(jù)，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：呈塊狀結構，局部有股狀涌水，特別是：ZK41+339—ZK41+332段，強度較弱，裂隙較發(fā)育，巖體結構的穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護采用Ⅲ級。

d）ZK41+043—ZK41+018段巖體基于前期地質勘察數(shù)據(jù)及TSP超前地質預報成果數(shù)據(jù)，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數(shù)據(jù)，分析得出：呈塊狀結構，局部呈碎塊狀結構，局部有股狀涌水，強度一般，裂隙發(fā)育，巖體穩(wěn)定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護采用Ⅲ級（偏弱）。

4 結語

目前傳統(tǒng)的地球物理方法分析法以及地質綜合分析方法受限于現(xiàn)場探測成果數(shù)據(jù)較復雜、分析難度較大、經驗性較強的特點，雖然是超前地質預報技術的主流手段但依然有一定的操作難度[4]。將BIM技術應用于超前地質預報是一種創(chuàng)新的超前地質預報技術手段，利用BIM可視化、屬性信息集成及參數(shù)化的特點，實現(xiàn)地質數(shù)據(jù)動態(tài)實時、智能化、可視化處理，不僅能夠快速高效地獲取不良地質體的位置巖層特性，而且在分析不良地質體特性、直觀顯示與工程結構空間關系，分析并測算其對工程結構影響等方面具有重要優(yōu)勢，為傳統(tǒng)的超前地質預報提供了新的思路與方向，具有較高的可操作性和實用性，為防止隧道施工時地質災害的發(fā)生提供可靠的實用性成果。