基于BIM信息模型的隧道病害追踪管理研究

欧阳晶 湖南工学院土木与建筑工程学院讲师

彭俊峰 湖南工学院土木与建筑工程学院

王丰仓 陕西铁路工程职业技术学院城轨工程学院副教授

梅 华 湖南工学院土木与建筑工程学院讲师

隧道工程在施工和运营中经常会出现各种病害问题，这些病害的产生大多与地质情况和隧道施工过程有一定的关系[1]。对于隧道病害，一般需要通过监测找出病害产生的原因，然后采取针对性的措施。现有的病害检测方法多为钻孔及人工观察等，存在效率低下、容易破坏隧道的整体结构等问题。虽然利用无损检测技术能够对隧道病害进行检测，但是由于病害产生的原因各不相同，也无法进行准确判断。建筑信息模型（Bui1ding Information Mode1ing，BIM）具有三维可视化等特点，可应用在隧道工程的建设和运营过程中。

1 隧道病害的类型及形成原因

1.1 隧道病害的类型

山岭隧道形成病害类型较多，如衬砌裂缝、渗漏水、掉块、排水管堵塞等，其中渗漏水和衬砌裂缝病害在多数隧道中均有发生[2]。虽然渗漏水和衬砌裂缝病害表面看影响较小，但实际对隧道结构会产生较大的危害，甚至会影响隧道的正常使用。渗漏水会对衬砌混凝土的耐久性产生较大的影响，冬季也会结冰导致衬砌冻胀，渗水流到路面也会影响过往车辆的安全行驶。衬砌裂缝贯穿时可能会造成较大的渗漏水，对衬砌的承载能力会产生较大的影响，严重时会产生衬砌掉块现象。

1.2 隧道病害产生的原因

1.2.1 衬砌裂缝

隧道衬砌产生裂缝的原因较多，主要有外部荷载因素、勘察设计及施工因素等。隧道结构受到来自外部各类荷载、结构自身次应力等作用，如围岩自承能力较差、围岩偏压较大等都会产生很多裂缝。勘察设计阶段对围岩级别的划分不够准确，使结构设计与实际围岩级别不匹配，衬砌承载能力不够[3]。施工阶段经常出现严重的超欠挖情况、初期支护施作时间不合适、混凝土等级不够等施工质量问题，都会导致裂缝。另外，受隧道内部温度、湿度等混凝土养护环境与外部因素的影响，混凝土易变形，控制不好容易产生衬砌结构裂缝问题。

1.2.2 隧道渗漏水

隧道渗漏水病害产生的原因较多，主要有工程地质条件、工程设计及施工质量等方面。大多数隧道结构所处的围岩及地质条件比较复杂，施工过程中的地应力释放、支护结构承受的围岩压力及地下水压力的变化等，都会导致衬砌产生裂缝，在地下水赋存区域产生隧道渗漏水问题。隧道支护结构设计厚度不够，结构抗渗等级不够，衬砌设计强度不足，加上围岩地质条件较差，都会导致隧道渗漏水问题[4]。

2 隧道BIM 模型构建方法

2.1 隧道BIM 建模难点

虽然BIM 技术在建筑领域的应用日渐成熟，在隧道工程设计及施工阶段也有较多应用实例，但是仍然存在很多问题有待解决。隧道工程呈长条状分布，这与一般建筑行业的点状或块状区域集中分布不同，对于传统的建模技术，实现完整建模的效率较低。隧道工程受其独特且多变的工程建设环境影响，与其他工程相比，与工程地质的关系更为密切，地质资料更复杂，提高了BIM 建模的难度。隧道工程受制于多变的工程地质条件，存在不同程度的超欠挖问题，而BIM 的规则模块建模并不能完全反映隧道工程的实际工程情况，这也是阻碍BIM 技术在隧道工程中运用的重要原因。

受施工信息采集和反馈分析技术的限制，信息化设计施工并未在隧道工程实践中得到有效实施。例如，隧道掌子面的地质信息及其他施工监控数据、实际支护状况等，不能快速反馈至设计和业主单位，并据此进行参数修正，使实际采用的支护结构不能满足承载要求，导致一些隧道在支护后出现裂损、变形和坍塌，影响施工质量和安全。隧道围岩结构系统的安全稳定，必须依赖详细的施工数据和大量可靠的监测数据，如何快速、准确地获取这些数据，是实施全寿命建养管理的基本前提[5]。结构信息和施工运维信息的科学管理，既是提高数据运行效率的重要保障，也是快速开展安全状态评价和科学决策工作的重要前提，因此实现施工和运维信息在BIM 平台的数据融合，是实施全寿命建养管理的关键途径[6]。

2.2 隧道BIM 建模方法

隧道BIM 建模思路如图1 所示。

图1 隧道BIM 建模思路

首先，对隧道的内部结构组成和空间特征进行分析，确定隧道的各个组成要素，以此建立隧道的三维空间结构模型。

其次，分析将平面的结构要素投射到三维空间模型的原理和方法，分析隧道病害的基础参数，并将隧道病害要素映射到隧道三维空间结构模型中，实现隧道病害的三维化展示。

最后，对搭载的隧道病害信息赋予相应的病害量化参数，并采用二次开发程序对隧道病害信息进行自动分类、计算、评定等操作，以便对隧道结构进行相应的技术分析与评定[7]。

隧道病害信息的三维可视化实现，可以采用Revit 软件的二次开发来实现。例如，通过Revit API 开发插件控制模型里面的信息，能够实现隧道病害空间曲线的批量生成。

3 隧道BIM 信息模型体系

根据隧道施工过程和运营阶段的特点，基于隧道病害三维可视化及病害追踪管理的需要，制定隧道BIM 信息模型体系，主要包括隧道开挖轮廓BIM 模型、初期支护BIM 模型和二次衬砌BIM 模型，如表1 所示[8]。

表1 隧道BIM 信息模型体系

3.1 建立隧道开挖轮廓BIM 模型

隧道开挖后、初期支护前，通过收集隧道开挖的超欠挖轮廓数据，快速建立隧道开挖轮廓的BIM 模型，根据收集的地质和地下水信息将其载入BIM 模型中。隧道开挖轮廓超欠挖数据可以采用三维激光进行扫描，一般在隧道每开挖一个循环未支护前快速收集数据。地质和地下水信息由现场技术人员利用监测系统进行收集，在完成每次循环开挖后，通过地质素描记录描述相关信息的获取过程。

3.2 建立初期支护BIM 模型

在初期支护完成后，通过收集的初期支护变形数据建立隧道初期支护BIM 模型，并将初期支护参数、裂缝、渗漏水等信息数据载入BIM 模型中。隧道初期支护变形数据通过相应的变形监测系统获取，裂缝、渗漏水等信息由现场技术人员收集。根据完成初期支护到开始二次衬砌施工的时间，进行一次或多少监测，如果变形、裂缝、渗漏水等没有明显变化则采用一次收集的数据，如果变化比较大则采用多次收集的数据导入BIM 模型中。

3.3 建立二次衬砌BIM 模型

在完成浇筑后，根据收集的二次衬砌轮廓信息建立相应的隧道二次衬砌BIM 模型，并将收集的衬砌支护参数、变形、裂缝、渗漏水等信息载入BIM 模型中。隧道二次衬砌变形数据在隧道施工过程中由现场技术人员定期获取，在隧道竣工运营阶段可以采用远程无人监测系统进行定期监测，具体监测频率可根据隧道的变形量大小确定。隧道裂缝、渗漏水等病害可通过定期人工或远程监测获取。

4 基于BIM 模型的隧道病害的追踪管理

4.1 衬砌裂缝追踪管理

根据获取的超欠挖和地质情况信息模型，查找衬砌裂缝的产生原因，分析裂缝发展的一般规律，采取不同的处理方法。对于受到历史应力或非应力原因造成的，位于结构表面部分已经趋向于稳定、不再有发展的衬砌裂缝，采用封堵的方式，如裂缝表面处理、裂缝注浆等方法。对于受到围岩地质条件影响较大、衬砌结构持续受力而出现增宽增长趋势的衬砌裂缝，可采用结构补强的方式进行处理。当衬砌裂缝位于水压较大处，应先采取措施降低隧道衬砌外侧的水压，然后采取强力结构补强措施进行处治。对于隧道施工过程中超欠挖严重，导致围岩对隧道衬砌局部应力过大产生的裂缝，应先对超欠挖进行处理。不同衬砌裂缝产生的原因及治理方法如表2 所示。

表2 不同衬砌裂缝产生的原因及治理方法

4.2 渗漏水病害追踪管理

第一，利用BIM 信息模型系统对隧道渗漏水病害产生的原因进行分析，并采用对应的方法进行处理。第二，针对不同的渗漏水形式，结合数据及图像信息分析渗漏现状及发展情况，采取填充或喷浆等处理方法，如果渗漏水情况非常严重，可以考虑拆除部分衬砌，然后采用部分抗渗等级更高的衬砌结构。

5 结语

近年来，BIM 在隧道工程方面多运用于设计过程中，而对施工和运营阶段的相关研究与应用还较少。本文详细分析了隧道中常见的衬砌裂缝、渗漏水等病害的特点和原因，并提出了隧道BIM 信息模型建立思路和病害三维可视化实现方法，具有重要的现实意义。