基于多模型融合的深厚软土地区隧道工程安全监控系统研究

李文静，黄君，张伟，何钦

（1.珠海大横琴城市新中心发展有限公司，广东珠海 519000；2.中国铁建投资集团有限公司，广东珠海 519000；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430061；4.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东广州 510500）

三维建模及其带来的信息化、平台化管理手段已应用于工程建设的多个方面，它有效促进了建筑行业由粗放型管理向精细化管理的转变，从整体上提高了企业的作业和管理效率，提升经济效益的同时也创造了更大的社会效益。

深厚软土地区地质条件复杂，这类地质条件下的跨江隧道工程施工难度大、风险因素多，传统的管理手段已无法满足建设方越来越综合化的安全监控需求，亟需借助信息化手段提高项目管理工作的效率和质量。本文针对杧洲隧道工程项目特征，基于三维建模和多模型融合手段，提出一种基于无人机三维建模、BIM、三维地质模型和有限元模拟的安全监控系统搭建手段，探索将多源异构信息进行融合的新展现形式，并在未来应用于工程管理云平台中。

1 常见三维模型及其特征

在工程建设中常用的三维模型主要为通过无人机倾斜摄影搭建的三维模型和BIM，有条件的情况下还会有三维地质模型和有限元分析模型，其特征及应用如下。

（1）无人机三维模型：无人机倾斜摄影技术通过在无人机上搭载多台高精度摄像头，从垂直、倾斜等多个角度采集影像（见图1），在对倾斜影像数据处理后输出正射影像、地形图、三维模型等［1］。近年来，由于相关技术和设备日趋成熟，无人机三维模型被广泛应用于城乡规划、地质勘察、建筑工程、农业等多个领域［2-5］。周小蓉等利用无人机倾斜摄影生成三维实景模型，对城市隧道工程的规划选线、隧道开挖施工方式、上部影像测量及巡检等方面进行了应用探索，取得良好效果［6］。对于隧道工程来说，周边环境三维模型的建立将为隧道工程中相关数据管理提供更多可能性。

图1 无人机三维模型

（2）BIM：建筑信息模型（BIM）的核心是通过建筑工程三维模型，利用数字化技术，为该模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库［7］（见图2）。王鑫等以天津地铁11 号线盾构区间下穿长泰河为背景，通过BIM技术对地铁施工进行动态优化管理，发现BIM的可视化动态管理技术在地铁工程施工进度控制、资源整合和成本管理上具有明显的优势［8］。BIM 为地铁、隧道等地下工程提供了更多精确的结构和数据信息，是所有信息模型的核心。

图2 隧道BIM

（3）三维地质模型：三维地质建模是指运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来建模并用于地质研究的一门技术（见图3）。尤其是对于跨江隧道工程，地质模型具有更大价值。李锡均等创新地将三维地质模型应用于超前地质预报，实现不良地质体等对象的全面立体化、可实时动态仿真，促进超前地质预报的准确性与可靠性、时效性，为防止隧洞施工时地质灾害的发生提供可靠的可视化成果［9］。

图3 三维地质模型

（4）有限元分析模型（见图4）：工程上，有限元分析（finite element analysis，FEA）利用数学近似的方法对载荷工况进行模拟。大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。黄承泽通过使用三维有限元分析手段，模拟某工程新河道的开挖、格宾石笼挡墙施工和旧河道回填等工况施工并分析其对邻近既有地铁隧道结构的影响，取得良好效果［10］。

图4 有限元分析模型

鉴于现有三维模型在建设工程领域的应用效果，本次研究拟在珠海杧洲隧道工程中应用多模型融合手段并应用有限元分析，搭建具备先进技术手段和管理方式的隧道安全监控系统。

2 工程概况

2.1 项目总览

杧洲隧道工程位于横琴粤澳深度合作区和珠海洪湾片区，整体上呈南北走向，隧道穿越马骝洲水道，北岸接环港东路与洪湾大道交叉口，南岸接厚朴道。道路等级为城市次干道，设计速度50 km/h，路线全长约3.0 km，其中隧道全长1695 m（盾构段全长约915.4 m，两端各设一座工作井，桩号里程LK1 ＋142.800 和LK2 ＋058.200，工作井长约24.6 m，北岸暗埋段长173.2 m，敞开段长205 m；南岸暗埋段长172.197 m，敞开段长180 m）。总投资约29.94 亿元。杧洲隧道作为一体化区域“三横五纵”骨干路网之一，其建设加强了洪湾片区和横琴本岛的交通联系，并可通过区域路网快速与港珠澳大桥连接线衔接，提升一体化区域的对外交通能力和面向粤港澳大湾区的区域辐射能力。

2.2 不良地质情况

杧洲隧道工程沿线不良地质、特殊土主要包括明浜塘、液化土、人工填土、填石、软土、残积土及风化岩等，如图5 所示。其中，人工填土主要为杂填土（1）2、素填土（1）3、填石（1）4 及冲填土（1）5 层。由于填土工程性质复杂，土质不均匀，基坑开挖易引起坍塌事故，特别是（1）5层，主要以砂土为主，在地下水作用下易发生流砂、突涌事故；填石层对基坑开挖、围护影响较大，特别是对地下连续墙成槽影响较大；软土主要为（2）1 淤泥，（2）1 淤泥分布几乎遍布，基坑开挖及盾构推进主要涉及该层。（2）1 淤泥呈流塑状，具高灵敏度、高压缩性、低强度等特点，易发生蠕变和扰动，工程性质差，是产生工后沉降的主要土层；风化岩、残积土母岩为砂岩及花岗岩，残积土主要由黏土、石英砂、砾砂组成，硬塑，饱和，场地内几乎遍布，该类土具有浸水易软化、强度明显降低的特性。此外，岩石全～强风化带中还存在中～微风化残留体，对于基础施工有一定的不利影响。

图5 工程地质剖面图

3 安全监控系统

3.1 系统开发思路

由工程概况可知，杧洲隧道工程意义重大，但其工程施工复杂，场地及周边地质条件复杂，亟须建立有效的安全监控系统进行管理。基于现有技术和工程实际需求，本次研究提出了安全监控系统研究思路和系统架构，如图6 和图7 所示。

图6 多模型研究思路

图7 系统架构

在单一页面中，融合无人机三维模型、BIM及三维地质模型，并在融合的模型上展示不同部分的有限元分析结果。在对模型进行查看时，还可以使用系统中的一些基础操作功能，通过点击某一特定图层或测点可以获取实时动态。在搭建完毕后，系统会通过客户端或云端的形式留存，供随时使用。

3.2 系统模块

系统中包含两大功能模块，分别是模型展示模块和数据分析模块。

（1）模型展示模块：如图8 ～图10 所示，系统将分图层展示无人机模型、BIM、三维地质模型和有限元分析模型，首页可实现“一图统管”，也可重点关注其中某个模型，实现如隧道漫游类的展示功能。

图8 模型展示模块

图10 隧道漫游

（2）数据分析模块：系统内针对不同模型提供了多种数据分析模块，技术人员可对感兴趣的区域进行剖切分析（见图11）、挖填方分析、淹没分析、虚拟钻孔分析、地层爆炸分析（见图12）、隧道漫游等多类分析操作，协助开展安全管理。

图11 剖切分析

图12 地层爆炸分析

3.3 系统特色

本安全监控系统有三大亮点，一是完成了多模型的有机融合，二是实现了数据图层化、可视化，三是突破了传统模型单一的外在查看，基于模型特征添加了多元分析功能。

（1）模型融合。无论是无人机模型、BIM、三维地质模型，还是有限元分析模型，其来源都不同，数据类型和架构也完全不同，一图展示存在一定技术难度。本系统开发应用的模型融合手段可以很好地解决这一问题，通过模型融合技术，将多种不同原始格式的模型高度整合，使其能提供良好的展示和管理效果。随着工程的进行和数据的大量累积，这一优势将尤为明显。

（2）数据可视。以往的类似系统更侧重于模型本身的展示，专业人员无法从模型上获取更多专业信息和最大化利用模型，使模型实现“中看又中用”。本系统在模型展示的基础上，添加各类测量、绘制、数据查看功能，并依附于模型存在，为用户提供丰富的可视化使用体验。

（3）多维分析。在实现展示和查看功能的基础上，本系统还设置了多种专业的分析模块。例如，可对感兴趣的部分进行剖切，亦预留了其他多种功能，为后续系统优化提供可能性。

4 存在问题

现阶段，杧洲隧道安全监控系统还存在一些问题，主要为初期实现过程中的问题和后期应用中的问题。在初期实现过程中的一大问题是模型轻量化。单一模型的数据量已十分巨大，多模型的融合对融合技术及终端配置都提出了新的要求。另外，针对建设工程中的数据特点，还需进行算法优化。在后期应用中，该系统还需进一步拓展功能，目前跨江、跨海隧道工程数量众多，不同项目将会有不同的个性化需求，如何拓展现有系统模块，使之不断满足出现的新需求，是下一步需要考虑的问题。

5 结语

针对杧洲隧道工程的特征，本文提出一种将无人机三维模型、BIM、三维地质模型及有限元分析模型进行有机融合并展示的监控手段，搭建安全监控系统。该系统具有模型融合、数据可视、多维分析等特征，可为隧道工程全过程安全监控提供直观的管理手段。目前该系统还有许多问题亟待解决，如模型轻量化、动态数据查看和功能扩展等，但在建筑工程领域整体向智能化和数字化转变的大趋势下，该系统未来将有广阔的发展前景。