基于BIM的山岭隧道施工安全管理系统研究

李文韬，刘思佳，马强强，张拥军，徐文协

(青岛理工大学 青岛市 266000)

0 引言

复杂多变的不良地质条件是造成隧道工程事故的主要因素[1]，面对复杂多变的地质条件，加之施工管理人员对风险认识不到位，设计、施工、监测等参建单位信息共享不及时不充分及其容易造成工程事故，严重制约了隧道的安全高效建设[2]。

随着地质勘探、监控量测、BIM等技术的不断发展，实现隧道勘察、设计、施工以及监控量测的系统信息化管理成为了可能。对此众多学者做出了大量的研究。隧道地质信息管理方面，李涛[3]等人通过地质信息管理系统TGIS实现了隧道地质信息的信息化、精细化管理。

隧道设计方面，李君君[4]等人将BIM技术引入到隧道设计中，实现了隧道模型的三维建立，信息附加等问题，翟世鸿[5]等人对矿山法建模精度方面进行了研究，使BIM建模精度符合二维施工图纸施工信息的要求。董君[6]等人应用BIM技术实现了隧道衬砌智能化施工建设；隧道管理方面，陈涛[7]运用隧道及地铁工程预警控制平台实现了对隧道数据的管理和隧道施工预警，黄廷[8]等人建立了基于BIM的公路隧道运维管理平台，提高了公路运营隧道的管理化水平。

综上所述，众多学者在勘察精度、安全设计以及施工管理方面做了大量的研究，但在从隧道勘察、设计、施工以及监控量测一体化、信息化管理方面还有待进一步提高，结合隧道施工的特点，将超前地质预报、数值模拟、BIM技术合理地运用到隧道的勘察、设计、施工阶段，建立了隧道施工预警系统，可为隧道的安全顺利施工保驾护航。

1 隧道安全管理系统设计

1.1 系统需求分析

(1)隧道施工信息的实时传递

由于隧道项目规模大、复杂度高以及地质环境复杂多变，隧道施工信息是一个动态变化的过程。当遇到如富水区、破碎带等复杂地质条件时，前期的设计方案有时会不满足施工安全要求，这就需要进行设计方案的变更优化。方案的实时优化需要施工方和设计方对隧道信息能够高效精准的传递，才能保证设计方案的时效性和可行性。同样隧道监控量测单位发现隧道变形异常时，也需要及时将隧道围岩信息反馈给施工单位。施工单位也需要对现场施工状况、施工进度等做出全方位的把控，这都需要各单位信息的精准高效的传递。因此，建立一个多单位信息共享的平台，可以防止各单位信息传递不及时、不精确，保证隧道施工信息的动态传递。

(2)隧道数据管理

隧道在施工过程中会产生大量的数据，如施工单位需对施工进度及施工资源使用状况进行详细记录，监测单位需要对日常监测数据进行归纳整理等，如果对施工资料不进行科学的归纳整理，就会给相关人员提取有效信息造成巨大的困难，特别是不同单位不同专业进行相关资料查询时，由于对资料的不熟悉以及资料繁杂，往往导致在提取有用信息时耗费大量时间和精力。而对隧道数据进行电子化管理，可有效提高人员对有效信息的获取效率。

(3)隧道施工指导

对于学校来说它不是私人建筑，而是社会公共建筑，与社会中学生家长和周围居民等紧密联系。所以教育建筑的建设，不单单是满足其自身的功能要求就好，而是要考虑更多的制约因素。所以校园空间规划从宏观层面来说要以整体空间为出发点，协调平衡各方面制约，分析出项目本质的目标诉求。以整体为出发点有利于把握建设项目在所处环境中的主要矛盾，突出主要特点，明确了主从关系，提供了具体要素应遵守的规则和秩序[6]。

隧道在建设过程中，隧道施工工法会随地质条件的改变而做出调整，施工管理人员需要对隧道施工工艺进行全面掌握，以及把握施工进度、施工资料的使用状况，传统管理手段很难在短时间内做到对隧道的全方位把控并指导施工。因此，将BIM模型导入施工管理系统，可以对隧道施工工法进行三维动画展示，也可对隧道的物料、施工进度进行管理，施工管理人员通过系统可以清晰明了地掌握隧道施工动态，从而指导施工。

(4)设计方案变更

当施工遇到比勘探结果更加不良的地质带时，按原设计方案施工存在安全隐患，就需要对隧道设计方案进行变更，设计单位可以在平台中迅速获取相关有效信息，对设计方案及时进行变更，将变更的设计方案更新到隧道建设安全管理平台中，保证隧道施工的施工安全与进度。

(5)隧道施工预警

隧道施工监测是保证隧道安全顺利施工必不可少的一环，隧道监测可实时动态地掌握隧道围岩变形信息和隧道支护受力状况。管理系统提供预警功能，隧道监控量测负责人可通过平台发布预警信息以及日常隧道监测状况。

1.2 监测系统构架

基于BIM的山岭隧道施工安全管理系统是集数据采集、数据分析管理、综合评估与预警为一体的平台，系统采用B/S架构进行设计，其中BIM模型的展示引擎为Unity3D，在系统中应用推广比较方便，客户端用户只要安装能够接受Unity3D插件的网页浏览器即可。

隧道建设安全管理系统可分为数据采集子系统、数据管理子系统、隧道预警子系统、隧道施工监测平台四部分组成。系统架构图如图1所示。

图1 系统架构图

(1)数据采集层：主要包括隧道开挖前的地质信息数据采集、超前地质预报信息数据采集;隧道施工过程中隧道施工数据采集，隧道监控量测中隧道拱顶沉降、洞周收敛、钢拱架应力、地表沉降等应力位移数据信息采集。隧道施工结束后隧道初支二衬数据信息的采集。

(3)数据管理层：包括设计数据库、施工数据库、监测信息数据库、数值模拟数据库。设计数据库主要存储设计单位的设计、变更资料等；施工数据库包括了隧道施工进度、物料管理等用于施工单位的资料存储。监测信息数据库主要存储监测单位日常监测信息以及监测数据处理信息等。数值模拟数据库用于存储数值模拟的模拟报告等模拟信息。

(4)平台层：隧道建设相关负责人可以对本单位负责的数据进行修改和更新，单位负责人只有在经其他单位同意后方能进行查询其他单位相关施工信息，但不能进行修改。如施工单位相关负责人只能对BIM施工模型和数据库进行修改和更新，对监测单位的BIM模型及监测信息数据库在经监测单位负责人的同意下只能对监测单位相关信息进行查询，但不能进行修改和更新。

2 工程应用

2.1 工程项目概况

威东线田和至温泉段改建工程位于威海市环翠区，隧道开挖高度为9.77m，净宽14.305m，，隧道处地貌为削蚀低山丘陵地貌单元，隧道最大埋深约为46m，隧道进出口处地形起伏较陡，围岩风化程度高，分化呈沙土状，且埋深浅，为V级围岩，隧道出口段有一段隧道破碎带，隧道地质环境极其复杂，给隧道的安全高效施工带来了极大的挑战，为节约隧道施工成本，保证施工进度，隧道在进出口处采用CRD工法施工，四级围岩采用CD法施工，三级围岩采用台阶法施工，地质条件复杂多变，施工工艺多样化，以及施工人员的不当操作等因素，导致隧道在施工期间极易发生坍塌冒顶事故，给隧道安全高效施工带来极大威胁。

2.2 三维模型展示

根据隧道设计施工图纸、地质勘查报告和隧道监控量测方案，通过Revit建模平台，分别建立隧道结构族库，隧道场地族库及隧道测点族库如图2所示。将建立好的族文件导入项目中进行拼装修改最终形成隧道结构模型，如图3所示。最后根据勘察资料绘制地质模型，按照相应的坐标将地质模型与结构模型进行组合最终形成隧道BIM模型，如图4所示。

图2 族库文件展示

图3 隧道结构模型图

图4 隧道整体模型图

2.3 隧道BIM模型于施工中的应用

根据不同的施工工法对隧道施工过程进行三维动态施工模拟以及实现三维施工进度的三维可视化，施工管理人员通过三维系统可以将BIM模型与施工进度相结合，实现隧道的施工进度管理，如图5所示。现场工作人员可通过手机端管理平台对现场的施工安全隐患问题进行拍照并通过语言文字等信息进行描述上传管理平台，平台负责人可将施工安全隐患问题反馈给具体负责人，对施工存在的安全与质量问题进行整改，实现隧道施工的安全与质量管理如图6、图7所示。

图5 隧道施工进度三维展示

图6 现场安全隐患整改1

图7 现场安全隐患整改2

2.4 隧道BIM监控量测模型于隧道监控量测中的应用

2.4.1隧道超前地质预报与隧道病害检测

采用TSP技术、超前钻孔、地质雷达相结合的综合手段对隧道掌子面前方土体地质信息进行采集；将预测采集到的隧道前方富水程度，围岩破碎程度等信息存储到隧道地质信息模型中。如对掌子面族文件进行信息赋予，信息包括：掌子面桩号、岩性、围岩等级、现场照片数据等信息，并根据现场实际施工状况对隧道掌子面进行材质赋予，从而实现隧道地质模型信息的采集与存储；利用地质雷达实现隧道衬砌背后空洞的检测，根据地质雷达探测结果建立空洞族文件，将空洞族文件导入BIM三维模型系统中。空洞族文件信息包括监测日期、空洞位置、空洞大小等相关信息，实现了隧道监控量测的三维可视化管理。如图8、图9所示。

图8 隧道掌子面信息展示

图9 隧道监控量测模型

2.4.2隧道围岩变形预测与预警

根据隧道设计资料和现场实测围岩地质信息，对黄家夼隧道不同工法进行三维动态数值模拟，以黄家夼隧道进口段为例，黄家夼隧道进口段为强风化花岗质片麻岩，强度低，围岩岩体破碎-极破碎，围岩自稳能力差，为v级围岩，洞口段地形偏压角度约为25°～45°之间，属于典型浅埋偏压小净距隧道。为了防止隧道在施工过程中出现失稳状况，利用大型有限元软件对隧道特殊区段建立三维数值模型，如图10所示，对隧道围岩变形规律和受力特点进行预测。变形规律如图11、图12所示。根据计算结果，对黄家夼隧道按照风险进行分级如图13所示，对隧道可能出现的重大风险区域进行重点管控。

图10 隧道模拟计算模型

图11 隧道各监测点拱顶累计沉降实测值

图12 隧道各监测点拱顶累计沉降模拟值

图13 隧道围岩变形可视化预警

2.5 监测平台的协同信息管理

设计、施工、监测、监理单位可以通过协同信息平台实现隧道施工过程中信息的获取、传输、存储、处理。从而实现各参建单位的信息共享和协同管理。

设计单位通过管理平台上传隧道设计施工BIM模型，设计管理人员可根据平台获取隧道施工过程中的地质围岩参数信息，当施工段和设计段隧道地质状况出现明显差异时，设计单位可根据现场施工信息，对隧道施工方案进行实时调整。施工单位通过管理平台获取隧道设计施工BIM模型，将BIM模型导入施工管理系统，实现隧道施工三维可视化，以及施工进度、工程量、施工安全与施工质量的把控。监测单位可根据管理平台获取隧道施工三维模型，通过隧道监测方案，设计隧道三维监测模型和隧道数值模拟模型。通过数值模拟，对隧道围岩变形进行预测。通过实测实时监测隧道的围岩变形。当出现异常情况，监测单位发布预警信息，相关单位通过预警信息及时做出方案调整。

3 总结

通过建立基于BIM的山岭隧道施工安全管理系统，实现了隧道施工、监控量测、超前地质预报的三维可视化管理，大大提高了隧道施工安全管理效率和水平，提高了各单位的协同管理能力，保证了隧道的安全高效施工。