基于BIM融合技术的复杂地质路段综合设计研究与应用

作者简介：王长海（1981—），教授级高级工程师，硕士研究生，主要从事交通数字化工程技术研发与应用工作。

文章针对某高速公路古滑坡及岩溶隧道的综合设计难题，开展了激光雷达、实景三维及三维地质建模等BIM融合技术研究，对该工程复杂地质路段的古滑坡对象、岩溶隧道对象分别进行了三维实体建模，并开展了基于BIM的体系化技术应用，确保了复杂地质路段工程安全，取得了较好的应用效果。

BIM;古滑坡;岩溶隧道;激光雷达;实景三维

U412A100333

0 引言

BIM （Building Information Modelling） 是三维数字化的代表性技术[1]，可以有效囊括工程项目测绘、勘察和设计等多个阶段信息[2]。BIM技术的本质是综合信息的可视化表达和有效传递，能够呈现设计对象的各项信息数据[3]，并可以基于三维数字信息逼真地模拟设计对象的真实信息。BIM技术能够综合提升交通项目测绘、勘察和设计的效率和质量[4]，尤其是在复杂地质区域或路段的综合设计应用，具有显著的效果。

通过BIM模型统一表达地上和地下空间的土木工程全要素对象[5-6]，并保证各专业之间数据的无缝传递[7-8]，建立项目测绘与地质等专业之间的统一模型，能够利用三维模型的可视化、易于直观分析、数据融合与共享等特性[9-10]，为高速公路复杂地质路段的勘测和设计提供详实可靠的基础数据和分析技术。

本文以广西蒙山至象州高速公路工程为背景，针对工程中存在的白石古滑坡、岩溶区隧道等复杂地质问题，结合地质勘察和物探、地表航测、地上地下空间各专业BIM模型，研究基于BIM的可视化综合分析与设计的关键技术及其应用，确保复杂地质路段工程安全，取得了良好的效果。

1 项目概述

蒙山至象州高速公路全长65.336 km，主线长33.668 km。项目起点位于荔浦与金秀县界龙围屯附近，终于金秀县桐木镇长田岭附近，桥隧比高达35.3%，造价约为50亿元。蒙山至象州高速公路的项目成果响应了国家西部大开发战略计划，助力完善中国国家高速公路网，构筑西南地区出海和广西东部地区出海出边国际大通道，推进国际化区域经济合作。项目建设对提高西南纵深山区的地方交通通行能力，加快广西地区经济发展和沿线旅游资源开发等具有重要战略意义。

2 项目难点

该项目里程长，总体规模大，特别是沿线地形陡峭，还存在滑坡体、岩溶等不良地质，具有一定的技术难度，导致路線方案的比选存在一定的困难，具体表现为以下两类问题：

（1）项目里程长、工程规模大，综合管理复杂。项目主线长33.668 km，桥梁长4 891.625 m，隧道全长6 987 m，包括一处服务区和两处互通，项目总造价约为50亿元。

（2）路段经过的地形、地质等基础条件复杂，路线方案选择困难。拟建公路附近存在古滑坡，该滑坡工程属于Ⅰ级滑坡防治工程。边坡受地下水和降雨影响，稳定性差，易发生剥落、崩塌甚至滑坡事故，甚至诱发古滑坡复活。

针对设计施工的重难点问题，通过BIM技术开展项目场地勘测、初步设计及优化，能够解决项目中存在的难点问题。

3 BIM技术应用

3.1 无人机三维实景和分析

利用无人机采集路段沿线的正摄影像，并在Smart3D上完成三维实景建模，形成BIM设计所需的基础资料。通过构建的实景建模，对场地进行详细、精确的三维重建，辅助科学设计和决策。

3.2 基于机载激光雷达的三维航测和环境分析

项目全线通过高精度激光雷达测绘，完成精准测绘，并构建三维高精度地形曲面，解决了传统人工测绘采样点不足的问题。精确的测量成果提高了BIM设计的合理性及准确性，有效减少了后期针对土石方、边坡方案、挡墙高度、桥梁墩台位置、隧道洞口等因测量精度不足导致的设计变更。

3.3 三维地质模型构建与评价

针对隧道和大型古滑坡等复杂地质路段构建三维地质模型，能够实现地形、地质结构、物探及岩土参数等多要素的可视化表达，并在此基础上进行桥梁、隧道等构筑物对象的结构设计。

基于采集的复杂地质路段的三维空间物探数据，并结合地质钻探和三维地形资料建立了地质模型，包括地层结构、溶洞不良地质等，实现地质与结构的综合分析（见图1、图2）。

通过构建古滑坡等复杂地质模型和溶洞模型，充分解析古滑坡及溶洞的构造特征，并通过地层关系分析隧道围岩等级，确保了隧道和古滑坡的安全设计。利用三维地质模型还能够完成断面剖分及投影，形成地质剖面图，并实现三维模型和二维剖面的实时联动。

3.4 白石古滑坡三维设计

白石古滑坡作为本项目地质复杂的重难点路段，采用BIM技术开展专题研究，结合三维地质、路基、边坡防护、桥梁等进行综合分析，确保了滑坡体内的工程设计合理、结构安全（如图3所示）。

白石古滑坡主要由第四系（Q4）、滑坡堆积层（Ddel～Qdel）及泥盆系下统莲花山组（D1l）地层组成，属于顺层岩质滑坡。滑坡规模属于深层巨型古滑坡。

对白石古滑坡利用基于Bentley平台开发的GeoStation软件进行建模，根据区域地质情况将表层碎石土、滑带土、中风化砂岩、强风化砂岩等岩层建成标准地层。依据钻孔和物探资料，将钻孔资料录入软件，赋予钻孔不同的地层属性，最后生成地层界面和三维地质岩体。

基于地质滑坡体地质模型及路线三维模型，分析路线走向对古滑坡的影响。

（1）全断面深挖段：需对左侧路堑边坡采用抗滑桩等强支挡结构进行防护，设防底部应穿越影响滑面。

（2）全断面高填方路段：左侧挖方设防与全断面深挖段左侧设防相同，右侧高填方段采取设置支挡或支护结构，底部同样需穿越所影响到的浅层滑动面。

（3）一般填挖段：在不影响路基整体稳定性的情况下要及时封闭填挖方边坡坡面，并做好截排水设施，同时加强监控量测，出现异常时应及时采取支挡防护措施。

（4）桥梁段：桥台填筑后可能引发浅层滑动，需进行防护。桥梁桩基础嵌入至最深层滑面以下，并且要对桩基进行特殊的抗滑设计。

根据模型可以更加直观地对古滑坡段路线进行设计，并对路线经过的滑坡体进行边坡防护，减少路线对古滑坡的扰动，有利于方案设计的安全性和经济性。

3.5 岩溶区域隧道三维设计

六帮尾隧道作为蒙山至象州高速公路的控制性工程，设计长度达3 525 m，属于特长隧道。利用BIM技术对隧道地质、隧道结构开展三维设计，确保隧道选线合理，结构安全。

六帮尾隧道为双洞分离式越岭特长隧道，隧道最大埋深约为590.6 m。隧址区属碎屑岩区，隧道两端山体斜坡未见滑坡、山体崩塌、泥石流等不良地质。

六帮尾隧道长度为3 525 m，隧址范围狭长，钻孔数量少，建模难度大。为了提高地层界面的建模精度，在数据库中提前录入虚拟钻孔，赋予真实钻孔和虚拟钻孔标准地层属性，将隧址范围分成若干个范围进行分别建模。结合物探数据，标示隧址区断层和溶洞位置，生成三维断层和溶洞模型。

基于隧道三维地质模型，将在PowerCivil和CivilStation软件中建立的隧道结构模型整合在地质模型中，利用三维地质模型的属性查询功能，结合隧道里程桩号查看任意横截面的隧道横断面，综合分析隧道周围围岩状况，判定隧道埋深，掌握地层、地质属性，优化隧道结构设计（见图4）。

3.6 三维仿真和数字化交底

针对隧道及古滑坡路段的车流及人流进行交通仿真和预测，分析项目未来的交通流量，规划复杂地质区域交通节点的组织，并将分析结果进行三维模拟和仿真，能够直观地呈现分析结果，进而有效助力交通组织决策。

通过构建复杂地质路段的三维场地模型，合理规划施工场地的布置，进行集约化管理，能够优化施工的用地，保障施工现场的安全。

4 应用效果及其创新

（1）基于三维实景重构数字化工程环境，解决项目征地、环境评估等复杂难題，并有效提高地形地质复杂路段的设计精度。

（2）针对白石古滑坡、岩溶区隧道等复杂地质路段，结合地质勘察和物探、地表航测、各专业BIM模型进行可视化综合分析，确保复杂地质路段的工程施工及运行安全。

（3）打造绿色品质工程。基于三维精细化模型，结合水文地质，能够综合地下水的影响，从而减少因公路建设而造成的水资源环境破坏。基于三维数字化技术，对原有植被现状进行保护，保持自然岩土风貌。

5 结语

通过机载激光雷达获取的高精度基础测量数据，能够快速地建立方案模型，实现对方案模型的调整、展示及初步进行工程量的统计。通过构建复杂地质区域包含构筑物的三维地上地下全专业的精细化模型，以二维辅助剖面和工程分析计算，提高工程设计安全性。通过施工仿真，发现并查找复杂地质区域设

计或施工中存在的隐蔽问题，为设计和施工提供可视化的参考和依据。

基于BIM技术的复杂地质区域三维建模与分析，对整体解决方案进行深度研究和应用，是交通行业三维数字化技术应用落地的现实途径，具有推广应用的实际效果和价值。

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