三维正向设计在山区高挡墙加固工程中的应用研究

刘文庆

随着现代科技与信息技术的发展，交通基础设施行业正迎来翻天覆地的变革，BIM作为一种新型技术手段越来越多地应用于道路、桥梁、隧道等基础设施建设中。王文利等提出BIM 技术的三维正向设计，发挥BIM技术具有精细的几何特征、丰富的属性信息的特点，进行风电场升压站全专业三维参数化模型的创建，从而直接生成二维的施工图和深化设计图，缩短风电场设计周期和设计成本，提高设计质量。王斌等根据BIM技术在项目设计阶段中的应用情况，分析了目前公路设计中的BIM技术应用现状与未来发展的方向。曹建涛阐述了正向设计是一种基于BIM模型实现设计任务的流程，即在三维环境下进行隧道项目的参数化设计、方案优化设计、施工图出图等，甚至与计算模型结合，同步优化的概念。焦柯等提出了适应于BIM 正向设计的项目管理指引要点，包括优化ISO 管理、设计协调会节点、BIM负责人和BIM 进阶培训等，研发出基于Revit 平台可以快速建模、直接计算、自动成图的建筑结构设计系统GSRevit。张斌针对BIM技术应用于市政快速路设计阶段存在的问题，基于Bentley软件集成思维和统一的操作环境（MicroStation平台）适用于大体量基础设施建模的特点，使用Bentley平台在整体设计阶段不采用二维CAD图纸文件，在三维环境下使用BIM模型完成市政快速路正向设计。

我国沪嘉高速1984年建成通车后，全国高速公路进入大发展时期，至今已过去30多年，高速公路路基边坡、挡墙出现不同程度病害。不少学者针对既有高边坡、高挡墙采取不同治理措施。王华俊等以浙江省某高速公路K298边坡挡墙为例，根据边坡的地质条件及挡墙病害情况采用钢花管注浆加固，并确定了合理的注浆压力、扩散半径及注浆孔间距。工程实践结果表明该方法是一种经济适用、施工简便的挡墙病害处治措施。吕鹏华介绍了格栅挡墙技术在高速公路边坡加固中的应用情况，可为以后类似的工程施工提供一定的借鉴经验。牛高等对渝黔高速公路衡重式高路堤挡墙因设计参数取用不当造成的安全隐患进行了计算分析，并提出了加固处治措施。吴文佑采用了预应力锚杆框架加固，彻底解决了原浆砌片石结构已出现的病害，并对山体进行了有效防护。黄燚在总结既有挡墙加固实例的基础上，概括了目前既有挡墙加固的主要技术措施，并针对重庆涪陵区江东某滑坡体上高边坡公路挡墙，提出采用普通抗滑桩与采用预应力锚索抗滑桩进行加固的两种方案。本文首次将三维正向设计应用于山区高挡墙加固项目中，阐述了三维正向设计在山区高挡墙加固应用中的工作流程和三维正向设计的特点和三维正向设计相较于传统二维设计的优势。

一、工程概况

安徽某高速该段挡墙为浆砌片石重力式路堤挡墙，地面线以上高度3.5～5.5米，墙顶以上填土高度约4米，病害段落总长度60米，沉降缝3～10米一道，共计8片挡墙，对应段落路面出现通长纵向裂缝，且已呈圆弧状，挡墙墙面勾缝脱落、墙身开裂，挡墙锥坡弧段坡面浆砌片石脱落、破碎，排水孔未见工作痕迹。

图1 挡墙对应段落路面圆弧状裂缝

图2 挡墙墙身及锥坡破碎

挡墙坡脚地势平缓，起伏不大。坡脚外侧为村道，村道距挡墙墙脚距离仅为0.5～2米。

与2018年4月9日现场调查的情况对比发现，挡墙有明显外倾和开裂现象，挡墙锥坡原浆砌片石护坡已经发生破碎，后续调查发现浆砌片石仍在发生破碎，开裂仍在发展，挡墙的整体状况较差。

图3 挡墙伸缩缝错开及墙身外倾

二、三维正向设计

鉴于既有挡墙病害较为严重，在不影响已有挡墙安全使用、既有高速安全营运和加固措施快速有效的前提下，考虑采用原挡墙外加扶壁墙支挡方式进行加固。

本项目三维正向设计流程包括：无人机倾斜摄影→三维实景模型→三维地形模型→平纵横三维设计→边坡防护设计→特殊构造物设计→成果交付。

图4 三维正向设计流程

1. 无人机航测系统

本次外业勘测采集数据方式为无人机航测系统，通过倾斜摄影测量技术，实现对三维立体地理信息的快速获取。

图5 无人机航测系统

较传统数据采集方法，无人机航测系统具备体积小，重量轻、快速获取影像、飞行条件需求较低的优势。整个作业过程用时约两个小时，取得航拍图片600余张。

2. RTK 实时动态差分技术

本次项目中无人机航测系统首次采用了RTK实时动态差分技术，将无人机采集数据的三维定位精度由米级提升至厘米级。

RTK（Real - time kinematic，实时动态）载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。

通过多次平面高程精度校核测试，搭载RTK实时动态差分技术的无人机水平定位精度达到±5cm，垂直定位精度达到±10cm。平面和高程精度均满是本项目设计要求。

3. 成果交付

实现三维图纸交付，较传统二维图纸清晰、美观、易于理解。三维图纸清晰的标识各个部件尺寸，形象、生动，易于理解。

图6 三维图纸交付

三、加固方案动态优化

1. 扶壁墙间距优化

扶壁墙间距直接影响加固效果和整体美观，传统的二维CAD设计无法直观表现扶壁墙之间的相对位置以及与老挡墙之间的关系，三维正向设计能直观反映扶壁墙与老挡墙间相对位置关系，通过三维模型可以对扶壁墙间距进行优化，以提高实际加固效果和美观性。

图7 扶壁墙加固三维效果图

2. 扶壁墙尺寸优化

三维正向设计可清楚调整扶壁墙几何尺寸以满足实际工程需要。三维正向设计可解决以下问题：（1）扶

壁墙埋深与老挡墙埋深之间相对位置关系；（2）扶壁墙占地范围大小调整；（3）扶壁墙高度、厚度、襟边宽度等优化。

图8 扶壁墙几何尺寸示意图

四、对施工的精确指导

本项目三维正向设计成果有：三维施工图设计文件、三维效果图、三维视频漫游。三维正向设计因设计质量精准能够较好指导施工，主要体现在以下三个方面。

（1）三维正向设计成果内容丰富，生动形象，在进行施工前技术交底优势明显，三维视频漫游模拟加固施工全过程，关键施工工序进行突出、强调，较传统方式更加形象，给人印象深刻。

图9 三维正向设计效果图

（2）三维正向设计由于其高质量设计精度可以尽量减少设计变更。本项目基于现状三维实景模型开展三维设计，三维实景模型等比例还原现状挡墙，通过实景模型，可以适时量测现状挡墙尺寸等关键信息。

图10 三维实景模型

（3）三维正向设计采用参数化设计模式，施工过程中如遇现场与设计不符情况，可以适时调整扶壁墙尺寸，提高设计效率和设计质量，加快工程进度。

图11 施工完成后照片

五、结语

（1）本文通过黄山某挡墙加固项目详细阐述了三维正向设计在山区挡墙加固中的成功应用，为以后类似工程的设计提供了宝贵的经验和思路。

（2）山区挡墙加固项目三维正向设计包括：无人机倾斜摄影→三维实景模型→三维地形模型→平纵横三维设计→边坡防护设计→特殊构造物设计→成果交付等七个步骤。

（3）三维正向设计在山区挡墙加固中的应用，能对扶壁墙间距和尺寸进行优化，具有直观性、美观性、便捷性等特点。

（4）三维正向设计能实现三维图纸交付、三维效果图展示、三维视频漫游，增加了设计文件交付的丰富性，便于项目后续服务和管养单位后期排查。

（5）三维正向设计因设计质量精准能够较好指导施工，在施工交底、减少设计变更、加快工程进度等方面优势明显。