基于BIM信息模型的隧道病害追蹤管理研究

歐陽晶 湖南工學院土木與建筑工程學院講師

彭俊峰 湖南工學院土木與建筑工程學院

王豐倉 陜西鐵路工程職業技術學院城軌工程學院副教授

梅 華 湖南工學院土木與建筑工程學院講師

隧道工程在施工和運營中經常會出現各種病害問題，這些病害的產生大多與地質情況和隧道施工過程有一定的關系[1]。對于隧道病害，一般需要通過監測找出病害產生的原因，然后采取針對性的措施。現有的病害檢測方法多為鉆孔及人工觀察等，存在效率低下、容易破壞隧道的整體結構等問題。雖然利用無損檢測技術能夠對隧道病害進行檢測，但是由于病害產生的原因各不相同，也無法進行準確判斷。建筑信息模型（Bui1ding Information Mode1ing，BIM）具有三維可視化等特點，可應用在隧道工程的建設和運營過程中。

1 隧道病害的類型及形成原因

1.1 隧道病害的類型

山嶺隧道形成病害類型較多，如襯砌裂縫、滲漏水、掉塊、排水管堵塞等，其中滲漏水和襯砌裂縫病害在多數隧道中均有發生[2]。雖然滲漏水和襯砌裂縫病害表面看影響較小，但實際對隧道結構會產生較大的危害，甚至會影響隧道的正常使用。滲漏水會對襯砌混凝土的耐久性產生較大的影響，冬季也會結冰導致襯砌凍脹，滲水流到路面也會影響過往車輛的安全行駛。襯砌裂縫貫穿時可能會造成較大的滲漏水，對襯砌的承載能力會產生較大的影響，嚴重時會產生襯砌掉塊現象。

1.2 隧道病害產生的原因

1.2.1 襯砌裂縫

隧道襯砌產生裂縫的原因較多，主要有外部荷載因素、勘察設計及施工因素等。隧道結構受到來自外部各類荷載、結構自身次應力等作用，如圍巖自承能力較差、圍巖偏壓較大等都會產生很多裂縫。勘察設計階段對圍巖級別的劃分不夠準確，使結構設計與實際圍巖級別不匹配，襯砌承載能力不夠[3]。施工階段經常出現嚴重的超欠挖情況、初期支護施作時間不合適、混凝土等級不夠等施工質量問題，都會導致裂縫。另外，受隧道內部溫度、濕度等混凝土養護環境與外部因素的影響，混凝土易變形，控制不好容易產生襯砌結構裂縫問題。

1.2.2 隧道滲漏水

隧道滲漏水病害產生的原因較多，主要有工程地質條件、工程設計及施工質量等方面。大多數隧道結構所處的圍巖及地質條件比較復雜，施工過程中的地應力釋放、支護結構承受的圍巖壓力及地下水壓力的變化等，都會導致襯砌產生裂縫，在地下水賦存區域產生隧道滲漏水問題。隧道支護結構設計厚度不夠，結構抗滲等級不夠，襯砌設計強度不足，加上圍巖地質條件較差，都會導致隧道滲漏水問題[4]。

2 隧道BIM 模型構建方法

2.1 隧道BIM 建模難點

雖然BIM 技術在建筑領域的應用日漸成熟，在隧道工程設計及施工階段也有較多應用實例，但是仍然存在很多問題有待解決。隧道工程呈長條狀分布，這與一般建筑行業的點狀或塊狀區域集中分布不同，對于傳統的建模技術，實現完整建模的效率較低。隧道工程受其獨特且多變的工程建設環境影響，與其他工程相比，與工程地質的關系更為密切，地質資料更復雜，提高了BIM 建模的難度。隧道工程受制于多變的工程地質條件，存在不同程度的超欠挖問題，而BIM 的規則模塊建模并不能完全反映隧道工程的實際工程情況，這也是阻礙BIM 技術在隧道工程中運用的重要原因。

受施工信息采集和反饋分析技術的限制，信息化設計施工并未在隧道工程實踐中得到有效實施。例如，隧道掌子面的地質信息及其他施工監控數據、實際支護狀況等，不能快速反饋至設計和業主單位，并據此進行參數修正，使實際采用的支護結構不能滿足承載要求，導致一些隧道在支護后出現裂損、變形和坍塌，影響施工質量和安全。隧道圍巖結構系統的安全穩定，必須依賴詳細的施工數據和大量可靠的監測數據，如何快速、準確地獲取這些數據，是實施全壽命建養管理的基本前提[5]。結構信息和施工運維信息的科學管理，既是提高數據運行效率的重要保障，也是快速開展安全狀態評價和科學決策工作的重要前提，因此實現施工和運維信息在BIM 平臺的數據融合，是實施全壽命建養管理的關鍵途徑[6]。

2.2 隧道BIM 建模方法

隧道BIM 建模思路如圖1 所示。

圖1 隧道BIM 建模思路

首先，對隧道的內部結構組成和空間特征進行分析，確定隧道的各個組成要素，以此建立隧道的三維空間結構模型。

其次，分析將平面的結構要素投射到三維空間模型的原理和方法，分析隧道病害的基礎參數，并將隧道病害要素映射到隧道三維空間結構模型中，實現隧道病害的三維化展示。

最后，對搭載的隧道病害信息賦予相應的病害量化參數，并采用二次開發程序對隧道病害信息進行自動分類、計算、評定等操作，以便對隧道結構進行相應的技術分析與評定[7]。

隧道病害信息的三維可視化實現，可以采用Revit 軟件的二次開發來實現。例如，通過Revit API 開發插件控制模型里面的信息，能夠實現隧道病害空間曲線的批量生成。

3 隧道BIM 信息模型體系

根據隧道施工過程和運營階段的特點，基于隧道病害三維可視化及病害追蹤管理的需要，制定隧道BIM 信息模型體系，主要包括隧道開挖輪廓BIM 模型、初期支護BIM 模型和二次襯砌BIM 模型，如表1 所示[8]。

表1 隧道BIM 信息模型體系

3.1 建立隧道開挖輪廓BIM 模型

隧道開挖后、初期支護前，通過收集隧道開挖的超欠挖輪廓數據，快速建立隧道開挖輪廓的BIM 模型，根據收集的地質和地下水信息將其載入BIM 模型中。隧道開挖輪廓超欠挖數據可以采用三維激光進行掃描，一般在隧道每開挖一個循環未支護前快速收集數據。地質和地下水信息由現場技術人員利用監測系統進行收集，在完成每次循環開挖后，通過地質素描記錄描述相關信息的獲取過程。

3.2 建立初期支護BIM 模型

在初期支護完成后，通過收集的初期支護變形數據建立隧道初期支護BIM 模型，并將初期支護參數、裂縫、滲漏水等信息數據載入BIM 模型中。隧道初期支護變形數據通過相應的變形監測系統獲取，裂縫、滲漏水等信息由現場技術人員收集。根據完成初期支護到開始二次襯砌施工的時間，進行一次或多少監測，如果變形、裂縫、滲漏水等沒有明顯變化則采用一次收集的數據，如果變化比較大則采用多次收集的數據導入BIM 模型中。

3.3 建立二次襯砌BIM 模型

在完成澆筑后，根據收集的二次襯砌輪廓信息建立相應的隧道二次襯砌BIM 模型，并將收集的襯砌支護參數、變形、裂縫、滲漏水等信息載入BIM 模型中。隧道二次襯砌變形數據在隧道施工過程中由現場技術人員定期獲取，在隧道竣工運營階段可以采用遠程無人監測系統進行定期監測，具體監測頻率可根據隧道的變形量大小確定。隧道裂縫、滲漏水等病害可通過定期人工或遠程監測獲取。

4 基于BIM 模型的隧道病害的追蹤管理

4.1 襯砌裂縫追蹤管理

根據獲取的超欠挖和地質情況信息模型，查找襯砌裂縫的產生原因，分析裂縫發展的一般規律，采取不同的處理方法。對于受到歷史應力或非應力原因造成的，位于結構表面部分已經趨向于穩定、不再有發展的襯砌裂縫，采用封堵的方式，如裂縫表面處理、裂縫注漿等方法。對于受到圍巖地質條件影響較大、襯砌結構持續受力而出現增寬增長趨勢的襯砌裂縫，可采用結構補強的方式進行處理。當襯砌裂縫位于水壓較大處，應先采取措施降低隧道襯砌外側的水壓，然后采取強力結構補強措施進行處治。對于隧道施工過程中超欠挖嚴重，導致圍巖對隧道襯砌局部應力過大產生的裂縫，應先對超欠挖進行處理。不同襯砌裂縫產生的原因及治理方法如表2 所示。

表2 不同襯砌裂縫產生的原因及治理方法

4.2 滲漏水病害追蹤管理

第一，利用BIM 信息模型系統對隧道滲漏水病害產生的原因進行分析，并采用對應的方法進行處理。第二，針對不同的滲漏水形式，結合數據及圖像信息分析滲漏現狀及發展情況，采取填充或噴漿等處理方法，如果滲漏水情況非常嚴重，可以考慮拆除部分襯砌，然后采用部分抗滲等級更高的襯砌結構。

5 結語

近年來，BIM 在隧道工程方面多運用于設計過程中，而對施工和運營階段的相關研究與應用還較少。本文詳細分析了隧道中常見的襯砌裂縫、滲漏水等病害的特點和原因，并提出了隧道BIM 信息模型建立思路和病害三維可視化實現方法，具有重要的現實意義。