BIM技術應用于隧道超前地質預報

張孝俊

（山西省交通規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據，同時通過工程現場雷達及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據及相關地質勘查資料的基礎上，同時在工程現場采用地質雷達超前預報系統和TSP超前預報技術，對現場采集回來的數據分析處理，整合分析現場傳感器圖像及反射波表現，并與前期已有的地質數據和資料對比。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、破碎帶、斷裂帶等不良地質區。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，并將數據結果實時反饋給業主單位，通過進一步的設計變更優化，在保證施工安全的前提下重新進行施工組織，優化施工安排，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據及資料的基礎上，依據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技術，將地質數據資料信息、TSP地質預報數據成果集成到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的隧道圍巖級別，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及作為前者依據的地質處理（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、模型參數化的特點。超前地質預報通過采用基于程序二次開發的BIM技術，依托基于BIM思路的三維地質模型，將TSP數據成果導入其中，從而實現測試成果數據的可視化。

某隧道三維地質建模及后期二次開發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與地質數據庫建立聯系，實現物探屬性數據完整地導入CATIA軟件，作為數據來源計算六面體網格屬性。

b）基于屬性數據參照點和掌子面，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地質分區，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據，以插值的方法進行數據計算。

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據，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數據結果見圖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。

將上述物探數據及資料，TSP地質預報成果數據與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據，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地質成果數據為基礎，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）根據以上數據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據及TSP超前地質預報成果數據，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數據，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，裂隙較發育，巖體結構的穩定性一般。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據及TSP超前地質預報成果數據，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數據，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，裂隙較發育，巖體結構的穩定性一般。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據及TSP超前地質預報成果數據，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數據，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，裂隙較發育，巖體結構的穩定性一般。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據及TSP超前地質預報成果數據，結合屬性信息集成的BIM三維可視化成果數據，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，裂隙發育，巖體穩定性一般。建議該段隧道開挖后圍巖支護采用Ⅲ級（偏弱）。

4 結語

目前傳統的地球物理方法分析法以及地質綜合分析方法受限于現場探測成果數據較復雜、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化的特點，實現地質數據動態實時、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勢，為傳統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生提供可靠的實用性成果。