何高峰 羅先啟 張 輝 攸巧仙

(1. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,200240,上海;2. 中建股份南寧軌道交通2號線項目部，530028,南寧;3. 中建隧道建設有限公司，401320,重慶//第一作者，博士研究生)

0 引言

GIS(地理信息系統)以直觀的地理圖形方式獲取、存儲、管理、計算、分析和顯示與地球表面位置相關的各種數據；BIM(建筑信息模型化)技術具有數字化、可視化、真實化的特點，有利于工程項目從設計、施工到運營維護實現全生命周期動態(tài)可視化管理、信息共享和決策支持。BIM與GIS二者相結合在城市規(guī)劃、市政管網管理等諸多領域有所應用，與各自單獨應用相比，在建模質量、分析精度、決策效率、成本控制水平等方面都有明顯提高[1-2]。在地鐵施工方面，BIM技術也得到了大量的應用，主要體現在隧道結構環(huán)境方面[3-5]；在隧道所賦存周圍地質與地理環(huán)境方面，GIS優(yōu)越的空間信息管理功能可分析大量不同種類的數據[6]，并用于建筑物結構安全、災害監(jiān)測及預警預報[7-8]。

地鐵隧道結構是一個復雜多變的系統，為確保地鐵隧道安全運行與使用壽命,需要綜合分析宏觀地質環(huán)境和隧道施工內部環(huán)境，進行施工安全預警預報。為保證整個地鐵隧道的安全，需要利用BIM技術并考慮地鐵隧道的精細數據，這些數據包括三維實體和表面數據，即和隧道結構相關的工程數據，如隧道中某個管片的開裂或滲漏數據等；而GIS考慮地面以上受影響的建筑物及公路等其他市政設施，以及地下工程所賦存的地質環(huán)境，例如地表附近某大樓的地理位置及相應沉降。

BIM與GIS的相結合,既能滿足不同工程的精度要求，又能減少測量工作、降低空間信息采集成本，以及實現數據的共享和利用。文獻[10]實現了BIM與GIS在上海軌道交通規(guī)劃選線、設計、施工、竣工驗收交接及運營維護管理等不同階段的共同應用。文獻[11]基于BIM和GIS技術，提出了城市軌道交通的信息全生命周期管理系統(RIM)，該系統為地鐵管網協同設計、現場安裝即時調整以及運維信息快速更新和查詢的綜合信息管理平臺,現已運用于寧波市的在建地鐵及輕軌交通項目。地鐵隧道施工是一個復雜的風險性系統工程,不僅體現在地質勘察的局限性、地質條件的復雜性方面,而且還體現在隧道施工技術、質量控制及管理等多個方面。因此，分析諸多的影響因素，許多學者研究了隧道結構、地表建筑物安全風險，也提出了針對不同階段的評價措施[12-13]。以上研究主要集中在二者數據融合技術、工程信息化及可視化研究方面，考慮復雜影響環(huán)境下，BIM和GIS數據結合后的進一步分析，并將分析結果用于隧道安全預警預報較少。本文針對南寧地鐵2號線巖溶發(fā)育復雜的場地工程地質條件，綜合考慮地鐵隧道穿越建筑物施工安全的影響因素，對淺埋暗挖地鐵隧道結構安全進行風險評估；結合地鐵隧道BIM的結構模型和GIS的空間地理信息模型，實現了基于BIM平臺的風險評估結果的三維可視化，并利用現場監(jiān)測數據建立預警預報系統，可為設計者、管理人員及決策者提供強有力的技術支撐和依據。

1 BIM和GIS的特點及應用

BIM是對工程項目設施實體與功能特性的數字化表達，側重于表達地鐵隧道結構構件、產品等詳細要素，即在局部環(huán)境下及直角坐標系中對地鐵隧道自身框架和內部詳細組成進行三維體現。在施工階段，開展管線綜合碰撞檢查，考慮不同時段的施工工序信息(包括人員、機械等在內的工程實體)，以及相關施工監(jiān)測信息，建立地鐵施工的4D模型。在模型中綜合考慮造價信息來進行5D施工管理，建立與時間、成本、施工參數相關聯的6D BIM 模型，從而實現施工組織的精細化管理[14]。

GIS研究的是大范圍的空間對象及抽象化的建筑對象，通過統一的地理坐標系全局性地參考、展示、評估、分析和地理要素緊密相關的造型、立面和外部空間等整體輪廓。對于線路相對較長的城市軌道交通工程而言，第一，涉及管線、建筑、地形地貌等大量地理信息，而三維模型又存在帶有空間屬性的數據分析能力不足等問題，GIS空間分析、空間數據庫提供了解決思路和方案[15]，而這是BIM所未予關注和難以解決的；同時，將GIS技術引入到隧道病害數據管理中，為隧道養(yǎng)護和安全評估提供了豐富的數據來源[8]。第二，針對城市軌道交通所處的復雜地質環(huán)境，GIS能夠有效地存儲、管理和分析巖土工程中大量不同種類的數據以便充分挖掘和使用工程信息，具體過程為：①建立三維地質模型，揭露場區(qū)巖溶空間發(fā)育規(guī)律，評價施工過程中巖溶塌陷的危險性；②考慮地層移動和地表變形造成的地面沉陷、基坑垮塌、隧道破壞、周邊建筑物損害及地下管線損害等因素，在GIS中展現和分析不良地質體的空間分布，確定區(qū)域地質災害風險等級，建立地鐵施工地表變形監(jiān)測安全預警系統，實現監(jiān)測數據網絡化管理動態(tài)分析，預測施工過程中的變形狀況，從而指導地鐵隧道的安全施工。

2 BIM與GIS結合應用于地鐵隧道安全預警預報

BIM側重于對地鐵區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間設備段結構框架和內部詳細組成的三維表達;GIS則使用統一的地理坐標系統來呈現隧道所處的地質環(huán)境和地理環(huán)境。利用二者優(yōu)勢共同實現地鐵隧道工程項目細化的局部結構與整體的融合，并綜合考慮人員、機械等在內的工程實體與周圍宏觀地理和地質環(huán)境的相互作用和影響，為地鐵隧道結構安全提供了可視化的三維環(huán)境，并為設計者、管理人員及決策者提供強有力的技術支撐和依據。

2. 1 基于GIS的隧道安全風險評估

巖溶地區(qū)隧道結構安全包括地面建(構)筑物結構安全、地鐵隧道結構安全以及空間施工安全，其主要影響因素包括地質災害(突水突泥、巖溶塌陷等)、不良地質(暗河、充水充泥溶腔、含導水斷層、巖溶管道等)、地層巖性、地下水位、可溶巖與非可溶巖接觸帶、地形地貌、巖層產狀、層面與層間裂隙、圍巖級別，以及超前地質預報、監(jiān)控量測、開挖支護、監(jiān)控量測動態(tài)反饋信息等。以南寧地鐵2號線石子塘站—大沙田站區(qū)間(以下簡稱“石大區(qū)間”)為例，利用Google Earth獲取其地理位置，并將該區(qū)段的巖溶發(fā)育平面位置分布進行展示，如圖1所示。結合GIS數據庫的空間分析、空間數據庫進行數據分析，以此來指導施工。

圖1 南寧地鐵2號線石大區(qū)間地理位置及巖溶發(fā)育平面位置分布圖截圖

綜合考慮上述因素，利用層次分析法和模糊綜合評判方法得到石子塘站—大沙田站區(qū)間巖溶塌陷危險性分區(qū)評價結果，如表1所示。

表1 石子塘站—大沙田站區(qū)間巖溶塌陷危險性分區(qū)表

根據隧道掘進方向，在GIS界面上顯示石大區(qū)間巖溶塌陷風險等級信息，并使用不同顏色來直觀地表示，如圖2所示。

圖2 南寧地鐵2號線石大區(qū)間巖溶塌陷風險等級圖

依據南寧地鐵2號線工程巖溶發(fā)育區(qū)段的工程地質和水文地質資料，同時參考既有地鐵線路以及其他巖溶地區(qū)地鐵修建過程中的工程巖溶處理經驗，明確巖溶區(qū)的處理原則為安全第一、先預報、再驗證處理、后施工，處理范圍為不同塌陷風險等級的所對應的巖溶區(qū)。根據不同巖溶塌陷風險等級對應的危險程度采取相應的處理措施，如表2所示。

采用隧道虛擬漫游和虛擬隧道開挖技術來模擬隧道開挖施工，預知隧道開挖過程中遭遇的地下巖性變化、地質條件變化，以及可能遭遇的地質災害環(huán)境、地質災害類型及其危險程度，同時將現場的地質信息反饋到GIS數據庫中進行對比分析以及更新。

表2 石大區(qū)間不同巖溶塌陷風險等級處理措施

2. 2 BIM與GIS結合應用

BIM與GIS的結合應用包含了地鐵隧道地質信息、地下管線信息、周邊建筑技術信息、機械人員信息、施工監(jiān)測信息等在內的工程實體與施工工序信息。風險評價則綜合考慮了影響隧道結構安全的諸多因素，利用GIS空間分析技術，從宏觀角度去評價周圍地質環(huán)境的危險性。利用Revit軟件的API(應用程序編程接口)二次開發(fā)功能，將風險評價結果顯示在BIM平臺上，可以具體到在某個地鐵區(qū)間隧道、地鐵車站和區(qū)間設備段結構框架和內部詳細屬性中。通過添加不同災害信息，結合實際監(jiān)測信息，可采取不同施工工序及相應的防治措施。針對中-高風險等級區(qū)域，采取短進尺、弱爆破、強支護、早封閉的施工方法；對低風險區(qū)域進行提前注漿，并且依據鉆探取芯分析的地質狀況、地下水量,決定是否采用全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿、徑向注漿等措施。

最后將施工進度、隧道結構變形數據、地面沉降數據、建筑物沉降傾斜數據等實時變形監(jiān)測信息，與BIM隧道結構模型及周邊環(huán)境GIS數據進行整合，綜合分析地鐵隧道安全風險，在Web監(jiān)測平臺上以三維可視化的形式展示，并向各專業(yè)設計人員和施工人員發(fā)布相關信息，以方便現場進行動態(tài)管理。

3 結語

針對南寧地鐵2號線復雜的巖溶地質條件，利用GIS進行場地巖溶塌陷風險評價，考慮施工因素和監(jiān)測信息進行隧道結構安全風險評價，并將結果呈現在BIM平臺，實現地鐵隧道全生命周期結構安全三維可視化及預警預報。主要成果如下：

1) 在Google Earth建立地鐵隧道宏觀地理環(huán)境基礎上，考慮復雜的地質環(huán)境以及隧道施工工藝等諸多影響因素，利用GIS空間數據分析和處理功能，按照地鐵線路里程展示了南寧地鐵2號線石大區(qū)間巖溶塌陷風險等級。利用Revit軟件的API進行二次開發(fā)導入GIS計算結果，結合BIM模型，可具體到某個管片處的變形、裂縫或滲漏等災害點。根據地鐵隧道不同巖溶塌陷風險等級采取綜合防治措施，是地鐵隧道施工結構安全風險評估的基礎。

2) 在地質災害風險評價基礎上，結合GIS空間地理信息的地面沉降數據、建筑物沉降傾斜數據，以及BIM平臺上的隧道結構變形數據等實時變形監(jiān)測信息，根據地鐵隧道沉降、地面沉降及隧道附近建筑物沉降傾斜等相關標準，綜合分析地鐵隧道結構的安全風險，進而可采取不同施工工序和相應防治措施，并發(fā)布相關預警預報信息。