BIM技术在岩溶隧道勘察中的应用

范明明 刘 科

（中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司，四川 成都 610036）

0 引言

在隧道建设过程中常常会遇到岩溶不良地质的问题，这是阻碍隧道建设的一个重要难题，如果在施工过程中没有科学合理地对岩溶进行处理，就极有可能导致生产安全事故的发生[1]。BIM技术发展迅速，在工程领域得到了极高的认可和广泛的应用[2]。将BIM技术应用在复杂岩溶隧道勘察设计中非常重要，但目前关于BIM技术在岩溶隧道中的应用还比较少。覃羡安等人[3]借助GeoBIM软件建立了桩基和溶洞的组合模型，给桩基在岩溶地质环境中的设计提供了宝贵的建议和指导；王伟清等人[4]借助Revit场地命令建立了溶洞三维模型，在经过量化和可视化处理之后使其形态和发育情况更直观地呈现在技术人员面前。考虑到BIM技术在岩溶隧道勘察中应用较浅、研究深度不足，该文以实际工程为例，通过Civil 3D构建了预测岩溶发育方向和趋势的BIM模型，提出Excel、Dynamo和Revit三者相结合的建模方式，分析了隧道和溶洞之间的位置关系并将溶洞的形态和发育情况可视化，给隧道岩溶的处理和施工提供了建议和指导。

1 岩溶发育的预测研究

1.1 项目概况

某隧道工程右幅长度为5648m，左幅长度为5641m，均属于单向坡。该隧道属于分离式特长隧道，其设计时速与最大埋深分别为100km/h和301 m主要围岩等级为Ⅲ级和Ⅳ级，布设了一座通风斜井。隧道区域属于谷地和溶蚀峰丛洼地地貌。参考地质钻探与地址调绘结果，仅有部分山体存在覆盖层且厚度较薄，下部基岩类型属于泥盆系中统东岗岭组和泥盆系上统榴江组白云质灰岩。区域内岩溶为主要不良地质，在进行勘察过程中发现多处溶洞、溶蚀洼地和落水群，同时根据物探结果判断隧道内可能存在地下暗河、溶洞和岩溶裂隙等。

1.2 岩溶发育的预测

该区域地形地貌受岩溶发育影响较大，是岩溶区控制岩溶水运移与赋存的一个主要因素，分析地形地貌有利于掌握隧道区域内岩溶发育情况。在研究中将基准定为洞轴线、2km处定为边界来划分隧道岩溶研究区域，采用三维建模软件来创建研究区的地形曲面，经过曲面分析后能够更直观地得到各流域凹地的类型、边界、汇水点和面积等信息，参考钻探和地址调查能够从整体上得出隧址区域内岩溶的发育状况。

1.3 创建Civil 3D BIM预测模型

该研究采用的软件为Civil 3D，它能够在各个目标之间构建智能化关系，将设计变成实时动态更新三维参数模型，有关联性好、实时性强和准确度高等优点，能够帮助工程设计人员高质量、高效率地完成设计任务，是当前隧道、公路和水利工程中常用到的设计工具。

在建模过程中通过添加高程点和等高线的方式来创建研究区范围Civil 3D地形曲面，先设置曲面样式和特性，经流域分析后得出各流域凹地的类型、边界、汇水点和面积等信息；选择隧道出口段1km区段作为研究对象，主要包括4个流域凹地，对其依次编号为273、262、260和256；根据跃水命令分析上述流域凹地的地表径流，得出各自的地表径流汇水点（表1），对4个流域凹地汇水点分别编号为P273、P262、P260和P256。根据以上步骤建立预测岩溶发育的BIM模型（图1），以该模型为基础进行宏观预测岩溶发育的工作。

图1 岩溶发育三维预测模型

表1 流域凹地坐标信息

1.4 预测分析

岩溶地下水和循环受地形地貌的影响较大，区域地貌反映了区域性地下水排泄和侵蚀基准面的分布特点，体现了地表水网的发育特点，基本控制着岩溶发育及地下水的流动方向和流动趋势，影响岩溶地下水的循环交替[5]。在各个流域凹地中，地势高程比较高的是262处，地表补给水均流向262处并从势能最高的路径和方向进排泄，对比其他汇水点的高程和P262汇水点，结合隧道地址纵断面，能够推算出汇水点P262位置地表补给水的流动方向和趋势，可以推测出地下岩溶发育通道的方向与范围。如图2所示，其中处于上方的是岩溶发育通道1，下方的是岩溶发育通道2。从图2中能够明显看出，因为岩溶发育通道1基本没有穿过隧道，隧道受岩溶发育通道1的影响较小，所以该文不对其进行分析。岩溶发育通道2穿越隧道并和隧道相交，可能会对隧道产生影响，主要桩号范围以右线计K66+476～K66+551和344～349为该范围隧道设计高程，其中478.9m和373.9m分别为其起点高程和终点高程，两者相差15m。参考分析结果，岩溶可能会对以右线计桩号K66+476～K66+551范围隧道形成干扰，导致其出现涌水和塌陷等灾害，影响其安全性。在施工过程中须格外重视岩溶对隧道的影响，做好超前地质监测预报，拟定相应的应急方案。

图2 岩溶发育方向和范围

1.5 岩溶实际勘探情况

上述隧道工程右幅出口段施工至K66+491位置处，在掌子面上部存在一个溶洞，发育方向为左上至右下，溶洞高、宽、长分别为10m、8m、10m。该溶洞腔内有大量水量，曾先后出现过5次突泥涌水灾害，其中灾害最严重的一次涌水方量达到了10000m3，对隧道建设产生了较大负面影响，阻碍了隧道的安全建设，不利于隧道的稳定性和安全性。当验证出现岩溶突泥涌水的部位时选择了Civil 3D软件，通过构建预测岩溶发育的BIM模型来对其进行分析和预测。Civil 3D软件能够快速创建隧道模型、地面3D模型和岩溶凹地与隧道之间空间关系可视化的BIM模型，迅速完成流域分析、汇水点推测和定位，辅助岩溶涌水的预测和分析工作。

2 可视化建模与实例分析

2.1 建模方式与数据收集

除了Civil 3D，还可以选择Revit来完成岩溶溶腔的建模，由于其模型具有不规则性和不均衡性，因此当建模时须通过可视化平台Dynamo来辅助。建模的具体步骤为先采集溶腔典型断面的坐标数据，建立Excel数据库，然后结合编写的Dynamo程序读取Excel中的数据，拟合典型断面并放样来建立溶腔实体模型，之后将其以族属性保存至Revit中。

对原始数据的采集，可选择溶腔的典型断面并采集各断面的角点坐标，按照“断面桩号-点序号”的方式命名数据点。

2.2 开发Dynam程序和建模

Dynamo程序具体包括3个功能模块，依次是读取Excel模块、拟合断面模块和几何构造模块。其中读取Excel模块可以全面读取表格中的数据，建立断面桩号列表和点编号列表作为溶腔建模的原始数据来支撑后期模型的建立。断面拟合模块将搜索项设为断面桩号字符列表来搜索数据，从点列表里筛选各个断面相应的角点，在程序里重构断面轮廓，为了让模型与实际情况更接近，偏移缩放了最后一个和第一个断面轮廓来模拟溶洞两端结束的部位。为了Dynamo程序运行顺利、达到节点放样的要求并防止程序报错，须定数等分各个断面的轮廓，再根据等分点建立样条闭合曲线来替换断面轮廓。几何构造模块用Solid.ByLoft命令将拟合断面构成实体模型，然后将实体模型转换成Revit族，达到了溶腔三维可视化建模的目的。

2.3 实际工程中的溶岩规模和位置关系

上述隧道工程右幅出口段施工至K66+491位置处，在掌子面上部存在一个溶洞。根据三维建模的结果得知，溶洞发育趋势为左上至右下，兼顾竖向发育，溶腔向上高、横向宽、纵向长和体积分别为22.26m、22.2m、29.68m和7570.27m3，如图3所示。

图3 溶洞发育情况和规模

在岩溶三维可视化建模完成后，可分别从二维和三维角度来分析隧道与岩溶的位置关系。从二维角度来看，Revit软件可以从任意角度剖切分析可视化模型，如图4所示，其中纵向剖面与隧道平行，横向剖面与纵向剖面垂直，有助于通过参考断面体征来分析隧道和岩溶的空间位置。从三维角度分析，隧道和岩溶的关系表现如下：当溶腔中的泥水压力超过其和掌子面间不透水层的最大承载力时，部分隧道从岩溶中穿过的类型会出现突泥涌水[6]，突发涌水会对隧道施工产生极大的影响，极有可能破坏隧道的稳定性和安全性。

图4 隧道岩溶组合模型

2.4 岩溶施工处理方案

通过分析岩溶隧道三维模型，制定了上述隧道工程出口处岩溶处理方案：1）将混凝土泵送至拱顶上部溶腔范围内做护拱处理，保证拱顶位置厚度大于2m；2）初始方案是布设双层小导管做超前支护处理，第一排和第二排的外插角分别为10°和20°，搭接长度要大于100cm。从三维模型能够看出，隧道拱顶上部有较大的溶腔，双层小导管可能无法提供足够的支护强度，由于溶腔的纵向长度达到23m，因此决定在初始方案上增加自进式管棚来做超前支护处理，管棚环向间距为30cm，仰角6°，在中间插入钢筋，钢筋类型为一级钢，直径28mm。为了将开挖扰动降至最小，选择单榀掘进、爆破强度尽量小和监测频率尽量高的方式；3）选择抗水压衬砌方案并布设双层初支。首次初支选择C25喷射混凝土+I22工字钢+钢筋网+小导管径向系统锚杆的形式，二次支护选择C25喷射混凝土+I22工字钢+钢筋网的形式。两道初支间的钢拱架交错布设并预留变形量5cm，防水层选择“两布一膜”的类型，只在没有溶腔处设置径向系统注浆小导管，在注浆的过程中须加入水玻璃；二衬选择钢筋混凝土结构，厚度80cm，仰拱选择加深65cm的措施，对断面重新拟合，在第二道初期支护和二衬之间提前设置15cm的变形量，选择双层防水板和土工布相组合的防水方式，加密横向、环向排水管，布设间距为3m；4）该方案安装了水压监测报警系统，监测初支和二衬之间的水压。

3 结论

为了能够最大程度地降低岩溶对隧道建设产生的安全风险，该研究以实际隧道工程为例，分析了BIM技术在岩溶隧道勘察设计中的应用效果，得到了如下3个结论：1）通过Civil 3D构建了预测岩溶发育的BIM模型，可以较好地预测隧道区域内岩溶发育的方向和趋势并且估算涌水量；2）提出Revit、Dynamo和Excel三者相结合的岩溶三维建模方式，让模型更接近实际情况；3）生成隧道结构和岩溶相结合的三维模型，有利于掌握岩溶的规模和发育情况，能够正确真实地呈现隧道结构和不规则、不均衡岩溶间的空间位置关系，为确定岩溶施工处理方式提供参考，说明在岩溶隧道勘查中 BIM 技术具有应用空间和应用价值。