基于BI M技术的隧道监测理论与应用探讨

王江，董耀武，户若琪，许三喜，刘国涛

（1.中铁北京工程局集团第一工程有限公司，西安710100；2.西安建筑科技大学陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，西安710055）

1 引言

Chuck Eastman 教授于1975 年创立了BIM 概念，使建筑工程的施工过程可视化，从而提高了项目的工作效率。BIM 技术具有可视化、协调性、仿真性和优化性等特征。 但是现阶段BIM 大多用在房建方面，隧道方面运用还不是很多。到目前为止，工程项目进度管理的技术手段还比较落后，不能全面、真实地反映工程项目的运行状况， 难以精确地描述多个项目的施工动态过程[1]。BIM 技术是以三维可视化数字信息模型为基础，在模型中附加构件的信息，并利用这些信息（如进度、材料、体量）来控制施工的[2]。

2 BI M在设计中的应用

2.1 BI M在建筑设计中的应用

由于BIM 首先被用在建筑方向， 为了更好地利用BIM，要分清楚在设计上BIM 与CAD 的不同[3-5]。首先，刚接触BIM的时候不要选择过于烦琐的项目从而导致自己丧失信心，不便于以后对BIM 的应用，应该由简到难循序渐进，对BIM 有了信心后期跟进就比较容易；其次，新软件初期总会出现大大小小的接口连接问题，应该根据不同的阶段，不同的需求，采用不同的应用方法。

2.2 BI M在隧道设计中的应用

中国铁路公司于2013 年积极推进BIM 技术在铁路项目建设中的应用，启动了铁路施工信息化的关键技术研究，以及BIM 技术的应用及相关标准的制定[6-8]。 根据隧道项目侧重点的不同，BIM 的应用也有些许差别， 设计方开展铁路设计，BIM 提供各方面的综合服务、结构分析、模型总量的概算；业主方可以利用BIM 功能了解施工方动向， 合理安排资金，或者需要更改施工方案时， 通过BIM 技术及时调整工程造价；施工方更可以利用3D、4D 技术对工程进项施工模拟，更好地把握施工周期，并且能起到一定的宣传推广作用。

3 隧道监测

3.1 隧道灾害危险分析

隧道灾害主要指在施工过程中跟隧道运营期间， 因为地质或者人为因素导致隧道变形或塌陷而带来的一种灾害，它影响甚至威胁人民的生命财产安全。 其表现形态主要分为地面塌陷、地面冻结、地下渗水导致施工无法继续、高温热害、冻融、山体落石、雷电地震灾害等。 根据相关文献[9]和文献[10]的记录，在1970—2015 年期间，国内外共发生83 例铁路隧道运营事故，其中火灾是各类灾害中的最主要灾害。 由于上述施工事故的发生，人们对隧道施工中的风险管理及控制密切关注。

3.2 隧道监控系统

隧道监控系统首先被用于国外。 与国外相比我国虽然起步比较晚，但是我国起步后通过大量的实践项目，获取了大量的经验，也取得了巨大的技术进展。 为了保证隧道在生命周期内安全可靠运行，必须对其进行安全监测、健康评估、隐患排查和采取相应的治理措施[11]。

3.3 监控量测

监控量测作为新奥法的3 大主要特点之一， 监控量测的作用主要有[12-13]：（1）为选择合适的支护时间提供依据；（2）掌握围岩动态， 利用监测结果修改设计方案， 预测围岩稳定时间，指导施工；（3）通过围岩变化可预测隧道内部灾害的发生，以便及时采取措施， 防患于未然。 监测前首先得进行洞内观察，有些问题可以用肉眼观察出来，比如围岩的支护情况、喷层有无开裂、隧道内裂隙水的变化等，并对照设计说明跟地质勘察报告，有问题及时指出；另外，监测人员应及时与隧道施工人员进行沟通，以便提供更方便快捷的信息。 随着隧道建设的不断发展，对隧道工程质量的要求也越来越高，对其进行监测已经成为必要的工作[14]。

3.3.1 监测点的设置

首先，采集隧道围岩信息，根据初次设计将围岩分为5 种不同的围岩级别（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），在每个典型的围岩类别中选择若干个具有代表性的监测点， 监测点应尽可能靠近掌子面[15]，这样才能更好地监测掌子面情况，这段时间内测得值最具有参考价值。 为了有效性更强，最好把点布在同一个断面上，由于开挖过程中地质、围岩会一直变化，因此，要根据围岩的不同，对监测点的间距进行适当调整。 另外，施工初期阶段由于围岩还不稳定，加上对洞内情况还不了解，监测点分布应该更密集，待围岩稳定、进洞后适当缩小监测点距离。 收敛变形的现场监测方案， 应视隧洞跨度、 围岩级别和施工情况而定，监测点一般为三角形或水平线等布置[16]。

3.3.2 传统的监测数据分析

传统的监测数据分析都是把数据测好之后输入Excel 表格中，在表格中反映围岩变化情况，建立回归曲线，从而分析围岩支护情况及其规律，更能有利于施工。 很多专家都在这方面做了大量的研究，根据徐兮等[17]对隧道监测的发展总结，将隧道拱部沉降的变化规律总结成相应的数据直观图， 较好地指导了施工；王国博等[18]对监测数据进行了数学回归，发现由于开挖方式、支护方式等因素的差异，需要用不同的回归方程进行分析；在对复杂隧道围岩受力进行有限元分析的基础上，林敏[19]利用BP 神经网络技术建立了预测模型，实现了对隧道内部围岩变形趋势的预测；王丹微等[20]运用SPSS 统计软件对隧道围岩监测数据进行了系统性的回归分析研究；喻伟[21]将监测数据与数值模拟的结果进行对比分析， 总结出了施工过程中初期支护的变形规律。

3.3.3 监测数据处理

根据李秀芳等[22]监测数据的研究，回归分析是重要的分析手段，可根据图形的变化能够预测隧道内部围岩变形情况，来智能化地评价围岩的稳定性，并能更好地指导施工。 李晓虹[23]利用信息技术，在计算机网络、单机环境下，设计了铁路隧道动态设计系统软件。 肖明等[24]对监测点的数据预处理的方法进行研究，对于隧道开挖反馈，他提出了优化粒子群算法。

4 隧道监控系统的提出与发展

隧道在修建与运营期间， 由于长期受荷载或者其他突发应力的作用，慢慢累计情况下难免会发生变形，再加上隧道属于偏远地区，管理还是不太方便，一旦隧道发生破坏，修整不及时会造成隧道停运， 同时也会对人们的生命财产造成很大的损害，所以必须要建设好隧道监测系统。 隧道监控系统的主要功能有：信息采集、信息供应、信息处理、实时控制、自诊断、数据统计等功能[25]。冉光明[26]指出信息化技术在中国发展缓慢的原因：（1）对信息化技术认识不足；（2）信息化资金投入有限；（3）对信息化技术的重视力度不够。 文献[1]中提出BIM 建模与隧道可视化相结合，利用BIM 3D 建模跟4D 虚拟模拟施工流程，以及BIM 模型自动合成各阶段工程量。 当发现问题一定要及时预报，安全预警在隧道监控中也很重要，隧道监控系统中监控中心要跟服务终端联动起来，通过电话、信息弹出窗口等形式进行报警。

监控系统要对收集到的数据进行分析， 由于隧道结构比较复杂，没有任何一种形式能全面地作出诊断，监测到的数据根据不同的方式进行整理统计，得到趋势图，运用不同的算法进行计算然后取综合值。

5 结论与展望

经过多年来的发展，基于不同的情况和研究目的，围岩量测在隧道方面已经慢慢成型，虽然现在技术成熟，但还需要人来检测，虽然有专家已提出无人自动化监测，但目前还没有大面积实现。 综合运用多种监控技术和预测技术，将信息技术、数据库技术、网络技术和虚拟现实技术相结合，预测标准的制定、 广泛的应用范围和精度的提高是主要的隧道监控系统的未来发展趋势[27]。 现如今，BIM 在隧道领域已经大面积应用，但是BIM 与现在隧道信息化的利用还不是很好，尤其是监控方面，但BIM 现在火速发展再加上BIM 建模的优势，隧道无人化监测会利用BIM 而迅速发展。 另外，目前用的监测系统还都五花八门，没有一个统一的标准，有必要对预报标准进行综合分析，利用BIM 发展监控平台。