基岩山区高速铁路高陡边坡BIM应用

张坤，周福军，柏青，王栋，马腾，李泉柏

（1.中铁第一勘察设计院集团有限公司 中国铁建BIM工程实验室，陕西西安 710043；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司 轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西西安 710043）

1 工程概况

西安—成都高速铁路（简称西成高铁）是我国“八纵八横”高铁网规划中“京昆通道”的重要组成部分，全长643 km，是我国首条穿越秦岭山区的高速铁路，桥隧比高达92.1%。以西成高铁纸坊1号隧道为例开展高陡边坡BIM应用，该隧道位于西安市鄠邑区境内，是穿越秦岭山区的重点工程，隧道全长8 378 m，最大埋深657.5 m。

纸坊1号隧道所面临的工程难点如下：

（1）工程环境危险。该隧道地处秦岭山区，为西成高铁穿越秦岭的第2座隧道，出露岩性主要为花岗岩、片岩及片麻岩。隧道进出口危岩落石极为发育，严重危及高铁安全。洞口进出口地形陡峭，平均坡度高达60°～70°，专业人员难以达到陡坡现场，并且严重危及调查人员的生命安全。

（2）施工工期紧张。当时环境是全线已经开展高铁的联调联试工作，距离最后的通车时间不足3个月，边坡加固工程施工工程约2个月，其中勘察设计周期不足1个月，要完成地形测量、地质调查、地质成果整理、边坡加固方案设计等工作，面临很大挑战。

（3）传统外业工作效率低下。外业工作主要包括地形测量和地质调查，地形测量工作流程一般为路基专业提供边坡断面的设计数据，由测量人员携带测量仪器到现场采集测量数据。由于地形高陡、植被茂密，外业工作进展十分缓慢，每组只能完成断面数据1～2处。同时也给地质人员的不良地质调查工作带来极大的困难，难以查清危岩落石的具体分布。

西成高铁纸坊1号隧道概况见图1。

图1 西成高铁纸坊1号隧道概况

2 BIM应用

2.1 BIM人员配置

BIM设计团队主要包括专业指导和BIM指导，建立了多专业协同工作机制。线路专业为总体专业，负责BIM设计统一协调和安排；测绘专业负责工程区地形数据的采集；地质专业负责三维地质模型的建立；路基专业负责高陡边坡加固方案的设计；桥梁专业和隧道专业根据加固方案评估不良地质对结构体的影响程度［1］。

2.2 BIM软件配置

该项目BIM设计采用的软件体系分为三大类：地理信息采集软件、三维地质建模软件和工程设计分析软件（见图2）。在地理信息采集方面，通过无人机采集隧道洞口相关数据，采用Bentley ContextCapture软件处理形成三维倾斜摄影模型，并通过Bigemap下载大区域场景辅助建模；在三维地质建模方面，主要通过自主研发的二维勘察地质系统和三维地质建模系统，完成复杂三维地质模型的创建；在工程设计分析方面，通过岩土计算软件进行边坡稳定性分析，然后利用Rock Fall软件模拟落石运动轨迹，路基和隧道专业在Revit和Civil 3D平台通过自主研发的路基BIM和隧道BIM软件完成边坡加固模型和隧道模型的创建。

2.3 项目BIM勘察

在项目BIM勘察过程中，主要工作流程如下：

（1）通过无人机采集隧道工程区地形和影像原始数据，在ContextCapture软件处理后，形成洞口范围内三维倾斜摄影模型（见图3），利用倾斜摄影模型高清影像特点，开展高陡边坡危岩落石的调查。共查明危岩落石群14处，并开展洞口地质灾害评价：自然工况下，危岩体可能发生滚落，砸向轨道；暴雨工况下，可能诱发小规模垮塌，严重影响行车安全。

图2 项目BIM设计软件体系

图3 隧道洞口倾斜摄影模型

（2）通过Tisger创建三维地质模型（见图4），并对地质模型添加与地层相关的属性信息（见图5），如地层时代、成因、岩性、风化程度、承载力等。在模型应用方面，模拟了隧道开挖（见图6），自动获取围岩等级，辅助隧道专业开展设计。

图4 隧道地质模型

图5 隧道地质模型属性信息

图6 隧道模拟开挖

2.4 项目BIM设计

在项目BIM设计过程中，首先将地质剖面数据导入到边坡稳定性分析软件中进行高陡边坡的稳定性分析（见图7）；其次在Revit中创建被动防护网等族库，实现边坡防护的可视化设计（见图8、图9）；再次基于BIM模型实现锚索、锚杆的加固设计，最后实现一键式生成工程数量表（见图10）。

2.5 项目BIM协同设计

利用自主研发的协同设计平台PL系统，能够实现全院多专业流程管理及数据传递、资料互提、版本管理等工作，极大提高了协同设计效率。项目BIM协同设计流程见图11。

图7 洞口边坡稳定性分析

图8 边坡防护族库

图9 高陡边坡主被动防护网设计

图10 边坡防护工程数量表

在高陡边坡加固防护措施中，对边坡防护BIM模型与现场施工效果进行了对比分析，主被动防护网的布置、数据与BIM模型保持一致（见图12）。

图11 项目BIM协同设计流程

图12 BIM模型与实际工程对比

3 BIM应用拓展

3.1 地质建模

自主研发的三维地质建模软件具有正向、高效的特点［2］。利用勘测多源地质数据，快速创建三维地质模型。根据工点类型分为场地建模和长大带状建模（见图13）。场地建模主要适用于房建工点，场地分布有多排钻孔情况，通过三维地质建模软件可以自动插值形成层面，最终形成各种地质体。长大带状建模方法主要是针对铁路工程一般仅有单排钻孔的特点，先通过钻孔完成地质纵断面的填绘工作，然后再结合平面地质数据源，通过插值算法形成地层界面，再与地形体进行布尔运算，形成最终的形状异性的地质体［3-5］。

针对复杂地质现象，实现了复杂地质体的单独建模方法（见图14）。根据岩层特征和滑坡体的运动规律，实现了岩体层理面建模、多级滑坡建模，模型表达精度极大提高。

图13 地质建模方法

图14 地质单体建模方法

3.2 勘察

地质BIM软件能够实现模型的参数开挖，输入线路的起止里程、边界条件、开挖深度，能够快速获取不同土石等级的土方量，提高了土石方工程造价的准确性，并支持多种格式文件导出，保证地质模型数据的传递，辅助下游专业开展设计。地质模型应用挖方及刷方见图15，地质模型开挖统计见图16。

图15 地质模型应用挖方及刷方

图16 地质模型开挖统计

3.3 设计

Revit平台对房建工程BIM设计支持性较好，但无法满足铁路工程路基和隧道BIM设计，路基和隧道BIM设计主要是通过二次开发来实现本专业的BIM设计。

路基专业在Revit平台中通过二次开发，基于线路骨架，基本实现了路基本体模型、坡面防护模型、地基处理模型的自动化拼装，极大提高路基设计效率［6］。

隧道专业在Revit平台中主要建模思路如下：首先赋予线路参数，其次输入隧道设计参数，最后一键式批量生成隧道BIM模型（见图17）［7-8］。

图17 隧道本体建模

3.4 运维

在运维方面，通过BIM+无人机技术实现了铁路运营风险监控，具体操作流程为：通过无人机及时采集数据，然后实时生成三维地形，在叠加多源地形地质数据基础上，最后建立三维地质倾斜摄影模型（见图18）。

图18 BIM应用运维操作流程

对既有风险点开展多期对比分析，评估风险等级，建立风险预控数据库，保证铁路运营安全。BIM应用运维风险点多期分析对比见图19。

图19 BIM应用运维风险点多期分析对比

4 结束语

利用BIM技术解决了高铁施工中复杂的工程地质问题，取得良好效果。在传统勘察的基础上引入无人机新型勘测手段，极大地提高了勘测效率和勘察质量。BIM项目的成功实践为后续即将开展的西宁—成都、西安—十堰等复杂山区高铁BIM技术的应用提供了解决方案和经验总结。

在今后的BIM推广中，将继续深化4个方面的研究：标准、正向、协同、新技术，推进BIM的全生命周期应用，主要包括：结合IFD、IFC完善地质BIM的标准建立；深入研究地质BIM的正向设计，实现高效目标；加强全专业BIM协同设计的覆盖推广面；强化新型勘测技术与BIM的融合、研发。