基于BIM与GIS结合应用的地铁隧道安全预警预报技术

何高峰 罗先启 张 辉 攸巧仙

(1. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,200240,上海;2. 中建股份南宁轨道交通2号线项目部，530028,南宁;3. 中建隧道建设有限公司，401320,重庆//第一作者，博士研究生)

0 引言

GIS(地理信息系统)以直观的地理图形方式获取、存储、管理、计算、分析和显示与地球表面位置相关的各种数据；BIM(建筑信息模型化)技术具有数字化、可视化、真实化的特点，有利于工程项目从设计、施工到运营维护实现全生命周期动态可视化管理、信息共享和决策支持。BIM与GIS二者相结合在城市规划、市政管网管理等诸多领域有所应用，与各自单独应用相比，在建模质量、分析精度、决策效率、成本控制水平等方面都有明显提高[1-2]。在地铁施工方面，BIM技术也得到了大量的应用，主要体现在隧道结构环境方面[3-5]；在隧道所赋存周围地质与地理环境方面，GIS优越的空间信息管理功能可分析大量不同种类的数据[6]，并用于建筑物结构安全、灾害监测及预警预报[7-8]。

地铁隧道结构是一个复杂多变的系统，为确保地铁隧道安全运行与使用寿命,需要综合分析宏观地质环境和隧道施工内部环境，进行施工安全预警预报。为保证整个地铁隧道的安全，需要利用BIM技术并考虑地铁隧道的精细数据，这些数据包括三维实体和表面数据，即和隧道结构相关的工程数据，如隧道中某个管片的开裂或渗漏数据等；而GIS考虑地面以上受影响的建筑物及公路等其他市政设施，以及地下工程所赋存的地质环境，例如地表附近某大楼的地理位置及相应沉降。

BIM与GIS的相结合,既能满足不同工程的精度要求，又能减少测量工作、降低空间信息采集成本，以及实现数据的共享和利用。文献[10]实现了BIM与GIS在上海轨道交通规划选线、设计、施工、竣工验收交接及运营维护管理等不同阶段的共同应用。文献[11]基于BIM和GIS技术，提出了城市轨道交通的信息全生命周期管理系统(RIM)，该系统为地铁管网协同设计、现场安装即时调整以及运维信息快速更新和查询的综合信息管理平台,现已运用于宁波市的在建地铁及轻轨交通项目。地铁隧道施工是一个复杂的风险性系统工程,不仅体现在地质勘察的局限性、地质条件的复杂性方面,而且还体现在隧道施工技术、质量控制及管理等多个方面。因此，分析诸多的影响因素，许多学者研究了隧道结构、地表建筑物安全风险，也提出了针对不同阶段的评价措施[12-13]。以上研究主要集中在二者数据融合技术、工程信息化及可视化研究方面，考虑复杂影响环境下，BIM和GIS数据结合后的进一步分析，并将分析结果用于隧道安全预警预报较少。本文针对南宁地铁2号线岩溶发育复杂的场地工程地质条件，综合考虑地铁隧道穿越建筑物施工安全的影响因素，对浅埋暗挖地铁隧道结构安全进行风险评估；结合地铁隧道BIM的结构模型和GIS的空间地理信息模型，实现了基于BIM平台的风险评估结果的三维可视化，并利用现场监测数据建立预警预报系统，可为设计者、管理人员及决策者提供强有力的技术支撑和依据。

1 BIM和GIS的特点及应用

BIM是对工程项目设施实体与功能特性的数字化表达，侧重于表达地铁隧道结构构件、产品等详细要素，即在局部环境下及直角坐标系中对地铁隧道自身框架和内部详细组成进行三维体现。在施工阶段，开展管线综合碰撞检查，考虑不同时段的施工工序信息(包括人员、机械等在内的工程实体)，以及相关施工监测信息，建立地铁施工的4D模型。在模型中综合考虑造价信息来进行5D施工管理，建立与时间、成本、施工参数相关联的6D BIM 模型，从而实现施工组织的精细化管理[14]。

GIS研究的是大范围的空间对象及抽象化的建筑对象，通过统一的地理坐标系全局性地参考、展示、评估、分析和地理要素紧密相关的造型、立面和外部空间等整体轮廓。对于线路相对较长的城市轨道交通工程而言，第一，涉及管线、建筑、地形地貌等大量地理信息，而三维模型又存在带有空间属性的数据分析能力不足等问题，GIS空间分析、空间数据库提供了解决思路和方案[15]，而这是BIM所未予关注和难以解决的；同时，将GIS技术引入到隧道病害数据管理中，为隧道养护和安全评估提供了丰富的数据来源[8]。第二，针对城市轨道交通所处的复杂地质环境，GIS能够有效地存储、管理和分析岩土工程中大量不同种类的数据以便充分挖掘和使用工程信息，具体过程为：①建立三维地质模型，揭露场区岩溶空间发育规律，评价施工过程中岩溶塌陷的危险性；②考虑地层移动和地表变形造成的地面沉陷、基坑垮塌、隧道破坏、周边建筑物损害及地下管线损害等因素，在GIS中展现和分析不良地质体的空间分布，确定区域地质灾害风险等级，建立地铁施工地表变形监测安全预警系统，实现监测数据网络化管理动态分析，预测施工过程中的变形状况，从而指导地铁隧道的安全施工。

2 BIM与GIS结合应用于地铁隧道安全预警预报

BIM侧重于对地铁区间隧道、地铁车站和区间设备段结构框架和内部详细组成的三维表达;GIS则使用统一的地理坐标系统来呈现隧道所处的地质环境和地理环境。利用二者优势共同实现地铁隧道工程项目细化的局部结构与整体的融合，并综合考虑人员、机械等在内的工程实体与周围宏观地理和地质环境的相互作用和影响，为地铁隧道结构安全提供了可视化的三维环境，并为设计者、管理人员及决策者提供强有力的技术支撑和依据。

2. 1 基于GIS的隧道安全风险评估

岩溶地区隧道结构安全包括地面建(构)筑物结构安全、地铁隧道结构安全以及空间施工安全，其主要影响因素包括地质灾害(突水突泥、岩溶塌陷等)、不良地质(暗河、充水充泥溶腔、含导水断层、岩溶管道等)、地层岩性、地下水位、可溶岩与非可溶岩接触带、地形地貌、岩层产状、层面与层间裂隙、围岩级别，以及超前地质预报、监控量测、开挖支护、监控量测动态反馈信息等。以南宁地铁2号线石子塘站—大沙田站区间(以下简称“石大区间”)为例，利用Google Earth获取其地理位置，并将该区段的岩溶发育平面位置分布进行展示，如图1所示。结合GIS数据库的空间分析、空间数据库进行数据分析，以此来指导施工。

图1 南宁地铁2号线石大区间地理位置及岩溶发育平面位置分布图截图

综合考虑上述因素，利用层次分析法和模糊综合评判方法得到石子塘站—大沙田站区间岩溶塌陷危险性分区评价结果，如表1所示。

表1 石子塘站—大沙田站区间岩溶塌陷危险性分区表

根据隧道掘进方向，在GIS界面上显示石大区间岩溶塌陷风险等级信息，并使用不同颜色来直观地表示，如图2所示。

图2 南宁地铁2号线石大区间岩溶塌陷风险等级图

依据南宁地铁2号线工程岩溶发育区段的工程地质和水文地质资料，同时参考既有地铁线路以及其他岩溶地区地铁修建过程中的工程岩溶处理经验，明确岩溶区的处理原则为安全第一、先预报、再验证处理、后施工，处理范围为不同塌陷风险等级的所对应的岩溶区。根据不同岩溶塌陷风险等级对应的危险程度采取相应的处理措施，如表2所示。

采用隧道虚拟漫游和虚拟隧道开挖技术来模拟隧道开挖施工，预知隧道开挖过程中遭遇的地下岩性变化、地质条件变化，以及可能遭遇的地质灾害环境、地质灾害类型及其危险程度，同时将现场的地质信息反馈到GIS数据库中进行对比分析以及更新。

表2 石大区间不同岩溶塌陷风险等级处理措施

2. 2 BIM与GIS结合应用

BIM与GIS的结合应用包含了地铁隧道地质信息、地下管线信息、周边建筑技术信息、机械人员信息、施工监测信息等在内的工程实体与施工工序信息。风险评价则综合考虑了影响隧道结构安全的诸多因素，利用GIS空间分析技术，从宏观角度去评价周围地质环境的危险性。利用Revit软件的API(应用程序编程接口)二次开发功能，将风险评价结果显示在BIM平台上，可以具体到在某个地铁区间隧道、地铁车站和区间设备段结构框架和内部详细属性中。通过添加不同灾害信息，结合实际监测信息，可采取不同施工工序及相应的防治措施。针对中-高风险等级区域，采取短进尺、弱爆破、强支护、早封闭的施工方法；对低风险区域进行提前注浆，并且依据钻探取芯分析的地质状况、地下水量,决定是否采用全断面帷幕注浆、周边帷幕注浆、径向注浆等措施。

最后将施工进度、隧道结构变形数据、地面沉降数据、建筑物沉降倾斜数据等实时变形监测信息，与BIM隧道结构模型及周边环境GIS数据进行整合，综合分析地铁隧道安全风险，在Web监测平台上以三维可视化的形式展示，并向各专业设计人员和施工人员发布相关信息，以方便现场进行动态管理。

3 结语

针对南宁地铁2号线复杂的岩溶地质条件，利用GIS进行场地岩溶塌陷风险评价，考虑施工因素和监测信息进行隧道结构安全风险评价，并将结果呈现在BIM平台，实现地铁隧道全生命周期结构安全三维可视化及预警预报。主要成果如下：

1) 在Google Earth建立地铁隧道宏观地理环境基础上，考虑复杂的地质环境以及隧道施工工艺等诸多影响因素，利用GIS空间数据分析和处理功能，按照地铁线路里程展示了南宁地铁2号线石大区间岩溶塌陷风险等级。利用Revit软件的API进行二次开发导入GIS计算结果，结合BIM模型，可具体到某个管片处的变形、裂缝或渗漏等灾害点。根据地铁隧道不同岩溶塌陷风险等级采取综合防治措施，是地铁隧道施工结构安全风险评估的基础。

2) 在地质灾害风险评价基础上，结合GIS空间地理信息的地面沉降数据、建筑物沉降倾斜数据，以及BIM平台上的隧道结构变形数据等实时变形监测信息，根据地铁隧道沉降、地面沉降及隧道附近建筑物沉降倾斜等相关标准，综合分析地铁隧道结构的安全风险，进而可采取不同施工工序和相应防治措施，并发布相关预警预报信息。