基于BIM 的仿真技術在巖溶隧道防排水體系優化中的應用技術研究

宋振軍SONG Zhen-jun

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030024）

0 引言

貴南高鐵穿越黔桂高原過渡帶及桂西巖溶峰叢洼地、峰林平原區，地質、地形條件復雜，巖溶區長度占正線長度的80%。貴南高鐵廣西段全長282 公里，其中，隧道長129公里/44.5 座，需要設置泄水洞64.8 公里，約占洞身長度的一半，施工及運營期隧道防排水問題十分突出。雖然在貴廣、滬昆等類似項目具有一定的工程實踐經驗，但更多的是項目建設后期或運營初期被動地采取工程措施，隧道防排水系統總體上采用傳統的設計方案，并且增加的泄水洞措施與洞身本身防排水系統存在不能有效銜接、作用發揮不理想等問題。[1-2]

BIM（Building Information Modeling）即建筑信息化模型，是一個完備的信息模型，能夠將工程項目在全生命周期中各個不同階段的工程信息、過程和資源集成在一個模型中，方便被工程各參與方使用。BIM 技術在鐵路行業的應用起步更晚，尚未形成統一標準，且由于鐵路特性及鐵路行業的專業復雜性，其涉及區域廣泛，地形地貌及地質條件復雜，各專業之間難以協調，推動困難。

將BIM 技術應用于巖溶隧道的防排水體系模擬，國內尚未有過先例，由于BIM 的可視化、協調性、模擬性、優化性、參數化性及信息完備性，該項應用的成功，將推動我國BIM 技術的發展，為類似項目提供參考依據，開創區別于正向設計的新的BIM 應用形式，為國內首創。[3]

1 工程概況

大方山隧道位于廣西境內荔波～環江區間，設計時速350km，單洞雙線，全長9647m。隧區地下水以孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水為主。孔隙水主要賦存于隧區第四系全新統坡殘積層和出口端基巖全風化層中，其含水量微弱，主要接受大氣降雨補給，對隧道影響小。基巖中裂隙水由于地質構造的活動，斷裂及構造節理裂隙發育，為地下水的富集提供了良好的空間，在節理密集地帶或斷裂破碎帶附近地下水量較大，水量豐富。因此在隧道施工過程中，節理裂隙密集帶或斷裂破碎帶附近可能會遇到股狀涌水。隧道洞身含水巖組為石炭系中統（C2）灰巖、白云巖，屬于巖溶溶隙-管道水。由于地表洼地、落水洞、溶洞、消水洞發育，推測隧區巖溶中等～強烈發育，巖溶水豐富，但分布不均一、無規律。

2 三維GIS+BIM 平臺構建思路

依托鐵路項目三維GIS+BIM 空間信息管理平臺，根據鐵路工程的具體需求分析及施工數據，集成各種數據源模型（傾斜模型、BIM 模型、3DMAX 模型、GIM 模型），對設計模型或完工實體模型對象進行屬性信息掛接（施工信息、環境信息），實現基于真三維場景的施工BIM 模型交付。具體結構化功能包括信息交互（場景瀏覽、快速查詢、標注、檢索、編輯等）；對比對照（設計擬合場景與設計平縱面的二三維一體化同步）；模擬分析（專項功能可視化分析、項目施工計劃進度虛擬推演等），分析模擬（運行模擬及事故模擬等）。

根據開挖揭示的地質情況，地貌及自然水系，利用計算機仿真技術動態模擬隧道洞身水文特征及防排水設施的功能，結合在建項目大方山隧道設計水文資料、現場記錄的隧道水文資料及相關水文地質資料建立防排水設施三維模型及效果動態模擬，及時對設計進行優化，為運營期養護維修提供基礎資料，并實現以下特點：

①實現建模快速化：可根據坐標、里程、高程、隧道防排水系統主要結構尺寸（排水溝、盲管等參數），快速完成隧道防排水系統建模。

②快速定義巖溶洼地：根據3D+GIS 模型，可采用不同顏色自動標識Ⅰ類和Ⅱ類洼地。

③快速建模溶洞：輸入溶洞與線路相對位置、溶洞長度、寬度、高度和大體形態（錐體等），現場溶洞出水情況，實現在隧道線路準確位置快速建模溶洞模型。

④防排水仿真模擬：可通過輸入地表降雨量，初步隧道洞內防排水系統出水情況，同時建立水文水力模型，與隧道現場防排水系統進行模擬對比，判別防排水系統能否有效，初步提供優化防排水結構的要求，確保防排水能力。（圖1）

圖1 三維GIS+BIM 平臺軟件應用組成

3 三維GIS+BIM 排水體系三維可視化仿真系統平臺構建

3.1 模型建立

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

①建立數字沙盤：通過在3DGIS 空間信息平臺中集成配準與項目工程相關的GIS 地圖模型、無人機傾斜攝影模型、基于鉆探資料的GIM 地質地層模型、設計二維模型及設計三維BIM 模型。構建項目內容的直觀實體及所在的地表及地下環境的三維數字沙盤，能夠真實還原現場，身臨其境地感知項目對象實體所處的地物地貌、不良地質及空間拓撲關系等。（圖2）

圖2 建立三維數字沙盤

②建立關系模型：大方山隧道BIM 建模項目包含大方山隧道正洞、泄水洞和平導的防排水系統、相互位置關系進行BIM 建模。（圖3）

圖3 建立關系模型

③根據大方山隧道地質鉆探資料進行GIM 建模，模型與場景布置、組裝，參數組合并錄入，同時對GIM 建模及屬性編輯，鏈接相關資料和圖紙。（圖4）

圖4 地質鉆探資料進行GIM 建模

3.2 三維模擬分析

3.2.1 降水模擬

根據當地氣象預報資料，在對話框中直接調整設置24 小時雨量參數圖表。包括設置里程區段、線路兩側寬度范圍以及起止時間。設置完成后即可啟動模擬：在主界面即會看到計時指針進程下的直觀區域降水等級的降雨動態渲染，同時在對話框中實時顯示地面降水量。（圖5）

圖5 降水模擬

3.2.2 匯水模擬

利用系統的空間量測分析功能，可視化快速獲得計算匯水區域的地表面積、投影面積、坡度分布及填充體積等參數。代入匯水面積數學模型（西南地區）開發形成匯水模擬功能對話窗；在配合開啟降水模擬后，即可進一步將區域的匯水變化程度作實時動態渲染表達。（圖6）

圖6 匯水模擬分析

3.2.3 滲水模擬

根據系統開發的洼地中心提取功能，可對設計方提供的“封閉洼地調查分析調查表”進行完善和審核。然后可按在分段區域的場景模型上按其洼地分類等級構建洼地的構建標記分布模型。在降水模擬功能基礎上依據設計提供的隧道涌水量預測方法及數學模型，構建滲水模擬的后臺程序。在降水模擬的基礎上進一步參數化驅動區域滲水仿真效果和等效計算效果。

3.2.4 排水模擬

通過外部導入或調整設置小時雨量參數表（輸入條件）。已經獲取的涌水計算模型，根據已經獲取的隧道涌水點的觀測記錄表。直接驅動渲染隧道排水溝及泄水洞口的動態排水程度。亦可打開對話框查看實時排水量。當達到排水上限將會啟動告警組合程序。

通過在平臺場景內建立水位、水量等傳感器的組態模型，并根據降雨法水文計算的匯水面積和雨量傳感器的數據對比后抽象此處的積水漏斗。實現了三維可視效果：通過輸入里程，可實現VR 觀察此段防排水施工情況，預留輸入數據模型（地表降雨量、出水量等），經模擬計算，可視隧道防排水系統排水效果，并判別排水系統的可行性。

4 結語

根據工程項目三維GIS+BIM 排水體系實體模型，從系統軟件管理體系構架、框架設計方案等層面詳細論述了三維GIS+BIM 數據可視化仿真系統的設計方案與開發。該系統軟件在融合并運用目前各種鐵路工程信息資源的基礎上，借助計算機網絡系統軟件出示的信息內容傳輸通道，以技術標準、信息內容全方位、高度共享資源的大數據中心為信息內容儲存、融合獲取的基礎，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施工管理、設計的有效工具。