宋振軍SONG Zhen-jun

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024）

0 引言

貴南高鐵穿越黔桂高原過(guò)渡帶及桂西巖溶峰叢洼地、峰林平原區(qū)，地質(zhì)、地形條件復(fù)雜，巖溶區(qū)長(zhǎng)度占正線長(zhǎng)度的80%。貴南高鐵廣西段全長(zhǎng)282 公里，其中，隧道長(zhǎng)129公里/44.5 座，需要設(shè)置泄水洞64.8 公里，約占洞身長(zhǎng)度的一半，施工及運(yùn)營(yíng)期隧道防排水問(wèn)題十分突出。雖然在貴廣、滬昆等類似項(xiàng)目具有一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但更多的是項(xiàng)目建設(shè)后期或運(yùn)營(yíng)初期被動(dòng)地采取工程措施，隧道防排水系統(tǒng)總體上采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且增加的泄水洞措施與洞身本身防排水系統(tǒng)存在不能有效銜接、作用發(fā)揮不理想等問(wèn)題。[1-2]

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息化模型，是一個(gè)完備的信息模型，能夠?qū)⒐こ添?xiàng)目在全生命周期中各個(gè)不同階段的工程信息、過(guò)程和資源集成在一個(gè)模型中，方便被工程各參與方使用。BIM 技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用起步更晚，尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且由于鐵路特性及鐵路行業(yè)的專業(yè)復(fù)雜性，其涉及區(qū)域廣泛，地形地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜，各專業(yè)之間難以協(xié)調(diào)，推動(dòng)困難。

將BIM 技術(shù)應(yīng)用于巖溶隧道的防排水體系模擬，國(guó)內(nèi)尚未有過(guò)先例，由于BIM 的可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、參數(shù)化性及信息完備性，該項(xiàng)應(yīng)用的成功，將推動(dòng)我國(guó)BIM 技術(shù)的發(fā)展，為類似項(xiàng)目提供參考依據(jù)，開(kāi)創(chuàng)區(qū)別于正向設(shè)計(jì)的新的BIM 應(yīng)用形式，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。[3]

1 工程概況

大方山隧道位于廣西境內(nèi)荔波～環(huán)江區(qū)間，設(shè)計(jì)時(shí)速350km，單洞雙線，全長(zhǎng)9647m。隧區(qū)地下水以孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水為主?？紫端饕x存于隧區(qū)第四系全新統(tǒng)坡殘積層和出口端基巖全風(fēng)化層中，其含水量微弱，主要接受大氣降雨補(bǔ)給，對(duì)隧道影響小?；鶐r中裂隙水由于地質(zhì)構(gòu)造的活動(dòng)，斷裂及構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育，為地下水的富集提供了良好的空間，在節(jié)理密集地帶或斷裂破碎帶附近地下水量較大，水量豐富。因此在隧道施工過(guò)程中，節(jié)理裂隙密集帶或斷裂破碎帶附近可能會(huì)遇到股狀涌水。隧道洞身含水巖組為石炭系中統(tǒng)（C2）灰?guī)r、白云巖，屬于巖溶溶隙-管道水。由于地表洼地、落水洞、溶洞、消水洞發(fā)育，推測(cè)隧區(qū)巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育，巖溶水豐富，但分布不均一、無(wú)規(guī)律。

2 三維GIS+BIM 平臺(tái)構(gòu)建思路

依托鐵路項(xiàng)目三維GIS+BIM 空間信息管理平臺(tái)，根據(jù)鐵路工程的具體需求分析及施工數(shù)據(jù)，集成各種數(shù)據(jù)源模型（傾斜模型、BIM 模型、3DMAX 模型、GIM 模型），對(duì)設(shè)計(jì)模型或完工實(shí)體模型對(duì)象進(jìn)行屬性信息掛接（施工信息、環(huán)境信息），實(shí)現(xiàn)基于真三維場(chǎng)景的施工BIM 模型交付。具體結(jié)構(gòu)化功能包括信息交互（場(chǎng)景瀏覽、快速查詢、標(biāo)注、檢索、編輯等）；對(duì)比對(duì)照（設(shè)計(jì)擬合場(chǎng)景與設(shè)計(jì)平縱面的二三維一體化同步）；模擬分析（專項(xiàng)功能可視化分析、項(xiàng)目施工計(jì)劃進(jìn)度虛擬推演等），分析模擬（運(yùn)行模擬及事故模擬等）。

根據(jù)開(kāi)挖揭示的地質(zhì)情況，地貌及自然水系，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬隧道洞身水文特征及防排水設(shè)施的功能，結(jié)合在建項(xiàng)目大方山隧道設(shè)計(jì)水文資料、現(xiàn)場(chǎng)記錄的隧道水文資料及相關(guān)水文地質(zhì)資料建立防排水設(shè)施三維模型及效果動(dòng)態(tài)模擬，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，為運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修提供基礎(chǔ)資料，并實(shí)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

①實(shí)現(xiàn)建?？焖倩嚎筛鶕?jù)坐標(biāo)、里程、高程、隧道防排水系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)尺寸（排水溝、盲管等參數(shù)），快速完成隧道防排水系統(tǒng)建模。

②快速定義巖溶洼地：根據(jù)3D+GIS 模型，可采用不同顏色自動(dòng)標(biāo)識(shí)Ⅰ類和Ⅱ類洼地。

③快速建模溶洞：輸入溶洞與線路相對(duì)位置、溶洞長(zhǎng)度、寬度、高度和大體形態(tài)（錐體等），現(xiàn)場(chǎng)溶洞出水情況，實(shí)現(xiàn)在隧道線路準(zhǔn)確位置快速建模溶洞模型。

④防排水仿真模擬：可通過(guò)輸入地表降雨量，初步隧道洞內(nèi)防排水系統(tǒng)出水情況，同時(shí)建立水文水力模型，與隧道現(xiàn)場(chǎng)防排水系統(tǒng)進(jìn)行模擬對(duì)比，判別防排水系統(tǒng)能否有效，初步提供優(yōu)化防排水結(jié)構(gòu)的要求，確保防排水能力。（圖1）

圖1 三維GIS+BIM 平臺(tái)軟件應(yīng)用組成

3 三維GIS+BIM 排水體系三維可視化仿真系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

3.1 模型建立

組建包含隧道周邊環(huán)境模型、地質(zhì)底層模型、溶洞模型、水系模型、防排水設(shè)施模型及各類傳感器模型的集成仿真平臺(tái)。

①建立數(shù)字沙盤：通過(guò)在3DGIS 空間信息平臺(tái)中集成配準(zhǔn)與項(xiàng)目工程相關(guān)的GIS 地圖模型、無(wú)人機(jī)傾斜攝影模型、基于鉆探資料的GIM 地質(zhì)地層模型、設(shè)計(jì)二維模型及設(shè)計(jì)三維BIM 模型。構(gòu)建項(xiàng)目?jī)?nèi)容的直觀實(shí)體及所在的地表及地下環(huán)境的三維數(shù)字沙盤，能夠真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)，身臨其境地感知項(xiàng)目對(duì)象實(shí)體所處的地物地貌、不良地質(zhì)及空間拓?fù)潢P(guān)系等。（圖2）

圖2 建立三維數(shù)字沙盤

②建立關(guān)系模型：大方山隧道BIM 建模項(xiàng)目包含大方山隧道正洞、泄水洞和平導(dǎo)的防排水系統(tǒng)、相互位置關(guān)系進(jìn)行BIM 建模。（圖3）

圖3 建立關(guān)系模型

③根據(jù)大方山隧道地質(zhì)鉆探資料進(jìn)行GIM 建模，模型與場(chǎng)景布置、組裝，參數(shù)組合并錄入，同時(shí)對(duì)GIM 建模及屬性編輯，鏈接相關(guān)資料和圖紙。（圖4）

圖4 地質(zhì)鉆探資料進(jìn)行GIM 建模

3.2 三維模擬分析

3.2.1 降水模擬

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀箢A(yù)報(bào)資料，在對(duì)話框中直接調(diào)整設(shè)置24 小時(shí)雨量參數(shù)圖表。包括設(shè)置里程區(qū)段、線路兩側(cè)寬度范圍以及起止時(shí)間。設(shè)置完成后即可啟動(dòng)模擬：在主界面即會(huì)看到計(jì)時(shí)指針進(jìn)程下的直觀區(qū)域降水等級(jí)的降雨動(dòng)態(tài)渲染，同時(shí)在對(duì)話框中實(shí)時(shí)顯示地面降水量。（圖5）

圖5 降水模擬

3.2.2 匯水模擬

利用系統(tǒng)的空間量測(cè)分析功能，可視化快速獲得計(jì)算匯水區(qū)域的地表面積、投影面積、坡度分布及填充體積等參數(shù)。代入?yún)R水面積數(shù)學(xué)模型（西南地區(qū)）開(kāi)發(fā)形成匯水模擬功能對(duì)話窗；在配合開(kāi)啟降水模擬后，即可進(jìn)一步將區(qū)域的匯水變化程度作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)渲染表達(dá)。（圖6）

圖6 匯水模擬分析

3.2.3 滲水模擬

根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的洼地中心提取功能，可對(duì)設(shè)計(jì)方提供的“封閉洼地調(diào)查分析調(diào)查表”進(jìn)行完善和審核。然后可按在分段區(qū)域的場(chǎng)景模型上按其洼地分類等級(jí)構(gòu)建洼地的構(gòu)建標(biāo)記分布模型。在降水模擬功能基礎(chǔ)上依據(jù)設(shè)計(jì)提供的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法及數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建滲水模擬的后臺(tái)程序。在降水模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)一步參數(shù)化驅(qū)動(dòng)區(qū)域滲水仿真效果和等效計(jì)算效果。

3.2.4 排水模擬

通過(guò)外部導(dǎo)入或調(diào)整設(shè)置小時(shí)雨量參數(shù)表（輸入條件）。已經(jīng)獲取的涌水計(jì)算模型，根據(jù)已經(jīng)獲取的隧道涌水點(diǎn)的觀測(cè)記錄表。直接驅(qū)動(dòng)渲染隧道排水溝及泄水洞口的動(dòng)態(tài)排水程度。亦可打開(kāi)對(duì)話框查看實(shí)時(shí)排水量。當(dāng)達(dá)到排水上限將會(huì)啟動(dòng)告警組合程序。

通過(guò)在平臺(tái)場(chǎng)景內(nèi)建立水位、水量等傳感器的組態(tài)模型，并根據(jù)降雨法水文計(jì)算的匯水面積和雨量傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)比后抽象此處的積水漏斗。實(shí)現(xiàn)了三維可視效果：通過(guò)輸入里程，可實(shí)現(xiàn)VR 觀察此段防排水施工情況，預(yù)留輸入數(shù)據(jù)模型（地表降雨量、出水量等），經(jīng)模擬計(jì)算，可視隧道防排水系統(tǒng)排水效果，并判別排水系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)工程項(xiàng)目三維GIS+BIM 排水體系實(shí)體模型，從系統(tǒng)軟件管理體系構(gòu)架、框架設(shè)計(jì)方案等層面詳細(xì)論述了三維GIS+BIM 數(shù)據(jù)可視化仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)軟件在融合并運(yùn)用目前各種鐵路工程信息資源的基礎(chǔ)上，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件出示的信息內(nèi)容傳輸通道，以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、信息內(nèi)容全方位、高度共享資源的大數(shù)據(jù)中心為信息內(nèi)容儲(chǔ)存、融合獲取的基礎(chǔ)，完成工程組織間各種信息資源的綜合處理方法，是鐵路工程防排水系統(tǒng)施工管理、設(shè)計(jì)的有效工具。