BIM技术应用于隧道超前地质预报

张孝俊

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

1 超前地质预报

超前地质预报是基于已有地质资料和数据，同时通过工程现场雷达及TSP等地质物探方式，预判工程开挖工作面前方地质岩层特性情况，包括水文情况、岩层含水量与强度等岩性性质，断裂带、含水量较高的岩层及溶洞等不良地质的探测手段。超前地质预报能够对不良地质地层提前作出判断，从而提供提高施工安全的预防性工作作业措施，在不良地质段适当提高隧道围岩级别强度，具有总体上减少工程经济成本及为施工工程提供安全保障的优势[1]。

2 超前地质预报在某隧道施工过程中的应用

某隧道在施工前期阶段，超前地质预报工作是在分析已有地质勘探数据及相关地质勘查资料的基础上，同时在工程现场采用地质雷达超前预报系统和TSP超前预报技术，对现场采集回来的数据分析处理，整合分析现场传感器图像及反射波表现，并与前期已有的地质数据和资料对比。在上述工作的基础上来获取开挖工作面前方地质体总体岩层特性，不良地质体岩层位置特性等相关地质预报信息。

某隧道施工过程中，工程现场所采用的地质雷达及TSP地质超前预报技术主要是参照隧道前方工程地质及水文地质、岩层含水情况及强度、岩性性质构造变化、不良地质体的规模形状及位置等情况来选择，相邻TSP超前预报之间的距离为150 m[2]。相比TSP技术，地质雷达探测隧道工作面前方的地质特性精确度较高，能较好识别含水量较高的位置及溶洞区、破碎带、断裂带等不良地质区。但由于其只能在20～35 m的较小范围内探测[3]，所以在选择超前地质预报技术时，总体采用TSP预报技术，在岩层变化较大，地质特性情况较复杂的地区局部采用地质雷达。

在上述超前地质预报工作的基础上，某隧道工程设计人员通过将超前地质预报结果与前期设计围岩对比，必要时对围岩受力情况重新进行计算及分析，核查前期所设计的围岩级别是否能够满足工程安全要求，并将数据结果实时反馈给业主单位，通过进一步的设计变更优化，在保证施工安全的前提下重新进行施工组织，优化施工安排，从而加快施工进度。

3 超前地质预报与BIM技术的结合

3.1 超前地质预报与BIM技术结合的基本原理

结合BIM技术的超前地质预报技术首先是在前期勘察数据及资料的基础上，依据立方体网格的有限元思路，建立地质三维可视化模型，在BIM可视化软件中重新构建工程范围内的有效地质体；后期采用BIM软件本身功能及二次开发技术，将地质数据资料信息、TSP地质预报数据成果集成到BIM三维地质模型中，通过插值计算等方式快速得到不良地质体的岩层特性及位置等信息，在BIM软件系统中直观显示不良地质体与隧道的空间关系，分析不良地质体对隧道结构造成的影响；最后在上述分析基础上建议选择适当的隧道围岩级别，给出可行的工程安全保障措施建议。

BIM技术所采用的三维地质建模普遍通过立方体网格技术，即空间六面体单元，地质建模过程中在模型中将属性赋予给地质体，同时，将其形态结构特征以三维模型的方式表达。基于上述原理，BIM三维地质建模过程包含有对地质体进行分区及作为前者依据的地质处理（基于三维网格模型技术）。

基于BIM技术的三维地质模型具有三维可视化、属性信息集成、模型参数化的特点。超前地质预报通过采用基于程序二次开发的BIM技术，依托基于BIM思路的三维地质模型，将TSP数据成果导入其中，从而实现测试成果数据的可视化。

某隧道三维地质建模及后期二次开发技术主要是基于达索（CATIA）软件，该软件强大的模型搭建及后期属性集成功能，实现BIM技术与超前地质预报技术的结合。具体过程如下：

a）将建模软件CATIA与地质数据库建立联系，实现物探属性数据完整地导入CATIA软件，作为数据来源计算六面体网格属性。

b）基于属性数据参照点和掌子面，搭建六面体网格。

c）将原始地质模型导入到六面体网格实现地质分区，将开挖工作面前方的地质体三维模型获取出来。

d）在六面体单元网格中导入带属性的物探数据，以插值的方法进行数据计算。

e）基于上述处理结果形成等值面，获取不良地质体信息（点位形状等）。

3.2 工程应用

在某隧道左洞出口 ZK41+188—ZK41+018，共170 m范围内，对隧道开挖工作面进行超前地质预报，基于前期工程地质勘察资料及数据，针对掌子面前方工程地质特点，采用探测距离较长的TSP地质预报技术，相关TSP数据结果见图1～图3。

图1 TSP反射P波二维成像图

图2 TSP反射SH波二维成像图

图3 TSP反射SV波二维成像图

图中，传感器的3个分量分别用纵波（P波）、横波水平分量（SH波）、横波垂直分量（SV波）表示，根据图1～图3反射波的变化可看出岩性强弱的细微变化。

将上述物探数据及资料，TSP地质预报成果数据与BIM技术相结合。

3.2.1 总体流程

a）基于前期已有的相关地质探测资料与有关地质勘查数据，通过CATIA软件建立ZK41+188—ZK41+018及其往前1 km范围段三维地质模型。

b）基于前期构建的不同隧道围岩类型的隧道模板库，在CATIA软件中以起终点桩号、围岩类型等为参数快速建立ZK41+188—ZK41+018段隧道模型。

c）以前期采集的TSP地质成果数据为基础，通过后期分析处理，构建预报段范围内的三维立方网（见图 4）。

图4 TSP反射P波反射界面三维成像图

d）根据以上数据进行超前地质预报分析，确定不良地质体形状位置信息，建立三维模型。

e）分析不良地质体和三维地质模型的关系。

（a）分析不良地质体与隧道已开挖和未开挖段的空间关系见图5所示。

图5 不良地质体与隧道已开挖和未开挖段的关系

（b）分析不良地质体与各地层空间关系见图6所示。

图6 不良地质体与各地层关系

3.2.2 超前地质预报与BIM技术相结合

a）ZK41+188—ZK41+085段围岩与开挖工作面相近，基于前期地质勘察数据及TSP超前地质预报成果数据，结合属性信息集成的BIM三维可视化成果数据，分析得出：该段岩体局部有股状涌水，整体块状构造特征，特别是：ZK41+150—ZK41+135 段、ZK41+119—ZK41+099段，强度一般，裂隙较发育，岩体结构的稳定性一般。建议该段隧道开挖后围岩支护采用Ⅲ级。

b）ZK41+199—ZK41+148段岩体基于前期地质勘察数据及TSP超前地质预报成果数据，结合属性信息集成的BIM三维可视化成果数据，分析得出：局部有股状涌水，整体呈块状构造特征，局部有碎块状结构，强度较弱，裂隙较发育，岩体结构的稳定性一般。建议该段隧道开挖后围岩支护采用Ⅲ级（偏弱）。

c）ZK41+074—ZK41+043段岩体基于前期地质勘察数据及TSP超前地质预报成果数据，结合属性信息集成的BIM三维可视化成果数据，分析得出：呈块状结构，局部有股状涌水，特别是：ZK41+339—ZK41+332段，强度较弱，裂隙较发育，岩体结构的稳定性一般。建议该段隧道开挖后围岩支护采用Ⅲ级。

d）ZK41+043—ZK41+018段岩体基于前期地质勘察数据及TSP超前地质预报成果数据，结合属性信息集成的BIM三维可视化成果数据，分析得出：呈块状结构，局部呈碎块状结构，局部有股状涌水，强度一般，裂隙发育，岩体稳定性一般。建议该段隧道开挖后围岩支护采用Ⅲ级（偏弱）。

4 结语

目前传统的地球物理方法分析法以及地质综合分析方法受限于现场探测成果数据较复杂、分析难度较大、经验性较强的特点，虽然是超前地质预报技术的主流手段但依然有一定的操作难度[4]。将BIM技术应用于超前地质预报是一种创新的超前地质预报技术手段，利用BIM可视化、属性信息集成及参数化的特点，实现地质数据动态实时、智能化、可视化处理，不仅能够快速高效地获取不良地质体的位置岩层特性，而且在分析不良地质体特性、直观显示与工程结构空间关系，分析并测算其对工程结构影响等方面具有重要优势，为传统的超前地质预报提供了新的思路与方向，具有较高的可操作性和实用性，为防止隧道施工时地质灾害的发生提供可靠的实用性成果。