GIS 支持下岩土工程勘察设计一体化研究

文／莫鹏 中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司 广西南宁 530000

引言：

受传统工作方式影响，一些岩土工程在进行勘察报告的提交时，依旧会采取书面呈递的形式，并根据工作职能的不同，由各个部门分别向上级提交作业报告，再逐一完成工程项目资料的存档及备案。当报告存档后，一般不会再对其进行二次利用，导致勘查信息流通性不足，勘查资源浪费等问题。近些年。GIS 系统的出现引起了各个岩土工程的注意，相较于传统的工作形式，GIS 具有一定的兼容性和拓展性，因此可以承担岩土工程庞大的数据录入及分析、整理工作。

1.岩土工程勘察设计一体化的工作必要性

对于岩土工程而言，对其进行勘察工作，主要就是为了站在项目施工需求的角度上，对施工区域的地质情况、周边环境以及其他情况进行系统的勘测与评价、分析，而其设计工作则需要站在项目的整体需求角度上，对工程设计进行制定与优化，集中对项目的技术因素、经济情况以及工程资源等进行比对和分析，然后开展工程论证与编制。目前，在建设各类岩土工程时，都需要规范进行勘察及设计，其工作质效会对最终的工程质量产生直接影响。在开展勘察及设计任务时，勘察环节需要为设计任务提供真实、有效的数据资料，一旦提交的数据资料出现偏差或遗失等问题，则就容易导致项目的基础设计与地基处理出现明显的施工问题，不仅会造成岩土工程施工成本增加，还会加剧安全隐患。设计工作则为整个岩土工程的项目决策提出相应的判断依据，是进行工程建设的根基，如果设计方案存在明显的不足或缺陷，则会影响岩土工程的施工情况以及施工质效。

近些年，得益于科学技术的持续发展，城市化建设逐步加快，岩土工程的建设模式面临着更艰巨的挑战，由此，诞生了勘察设计一体化的作业模式。在对岩土进行勘察时，勘察人员会依据收集到的资料，提出更专业的施工意见，设计人员也可以及时根据设计进展和项目需要，与勘察人员进行沟通配合，一体化的建设模式初现雏形。一体化的作业形式，突破了传统岩土项目工作的瓶颈，打破了勘察人员与设计人员之间的信息壁垒，促使岩土工程的勘察环节与设计环节成为了一个密切联系的整体，确保了各项施工信息的流通，实现了资源共享。这种作业形式，既可以有效提升岩土工程质效，还可以加快工程建设步伐，达到缩短施工周期，节省项目成本的目的。除此之外，使用一体化的作业形式，还提升了勘察与设计之间的工作协调性，除了对本身工作情况进行优化外，勘察人员和设计人员还可以考虑到其他项目施工环节，有效提升了技术创新性。

2.GIS 支持下的某岩土工程案例的勘察设计一体化工作情况

本文以某地开展的某项商业综合体项目所实施的岩土施工工程为研究案例。目前，该项目的勘察及设计已于2022 年9 月底完成，该项目勘察设计报告也已经提交至上级部门，该案例的工作情况大致如下：

2.1 本案例勘察任务

技术人员先对建筑及基坑的开挖范围的土质情况进行调查，依据土层情况、岩土力学性质等设计实施方案，并在完成数据的采集与获取后，对该施工区域的地基情况进行评价与分析，重点评价地基的稳定性。同时，对该施工区域的地下水情况进行调查，掌握水位变化规律，判断该施工区域内进行基坑开挖，是否会存在地下水降低问题，分析这一现象对整个岩土工程的影响。除此之外，在开展勘察作业时，勘察人员还需要提供各类岩体技术参数，如地下水抗浮、基坑降水等，并对裂隙水、岩溶水的分布情况进行调查，判断各个含水层之间的关联性和水力连接程度，继而判断出适用于该项目建筑物的基础形式，为工程施工提供相关建议或意见。

在进行勘察作业时，结合行业标准、建筑工程等级，本项目所涉及的岩土勘察等级为甲等，依据建筑物的自身性质以及施工场地的实际条件，岩土勘察采用多种勘查手段并行的方式，例如取土试样、重型动探试验、波速测试等。

2.2 本案例的基础设计

根据本项目的实际情况，在制定基本案例的基础设计时，技术人员结合工程“高、深、大”的特点，对主楼建筑物采用桩基础的施工方案，对项目持力层采用中风化闪长岩，分别以人工挖孔桩、钻孔灌注桩进行桩型施工。由于本项目的地基施工情况中，需要较大的开挖深度，因此技术人员采用排桩方案，对其进行加固、支撑，强化基坑围护，以“两墙合一”的方式提升地基的安全性与稳定性。

在既往岩土工程的开展过程中，通常会将工程勘察与设计相区分，使其形成相对独立等工作环节，但是在补项目中，技术人员通过利用GIS，实现勘查与设计的联系，实现了降低工程误差、提升设计方案准确度与可行性的目的，有助于后期建设任务的顺利进行，实现了工程数据共享，构建了一体化的工作模式。

3.在GIS 支持下开展岩土工程勘察设计一体化工作的具体路径

3.1 紧抓技术应用效果 完善工程勘察资料

根据目前工作状况来看，在岩土工程勘察设计一体化作业过程中使用GIS 技术时，技术人员应当围绕以下几点展开相关工作：其一，利用虚拟现实技术，结合计算机技术，将工程资源信息整合至移动终端，通过高技术模拟系统，生成与工程项目相对应的、具有高相似度的三维模型，让其可以紧紧跟随技术人员进行移动并定位、记录，再由电脑承担复杂的数据处理及数据运算工作，最终绘制出更精准、更真实的3D 影作为岩土工程的重要参考资料。其二，根据地理信息系统的信息存储、记录、查询功能，实现对工程区域的叠加运算，技术人员再通过使用定量分级法，对现场的土地情况进行勘察、核验、测定，重点对岩土地质的稳定性和坚固性进行测定[1]。其三，技术人员通过使用专业三维建模软件，将勘察或检测数据直接录入系统，结合地质、测井以及地球物理资料等方面，实现工程信息的整合，汇总成数据模型，并以数据转化的形式，将数据模型导入至地理信息数据库，直接在数据库内对工程的各项空间指标进行分析、研究，并记录分析结果，将其作为开展工程项目的依据[2]。但是，从岩土工程勘察设计一体化的实施概况来看，地理信息系统的使用依旧具有一定的局限性和限制性，无法在岩土工程中充分发挥自身技术优势，尤其是在工程数据处理、数据分析以及数据管理方面，依旧留有一定的进步空间，难以直接承担全部的系统外软件包以及信息转化等工作负荷。

为了解决上述问题，在岩土工程勘察设计一体化施工过程中充分发挥GIS 的工作价值，技术人员和技术团队还应当重视勘察资料的管理工作。目前，在我国大部分岩土工程项目中，工程勘察的工作结果和工作质效依旧停留在对勘察对象表面“质”的研究和分析，缺少勘察对象的实际特征、数量关系以及数据变化等方面的分析，导致在岩土工程的设计环节，设计参考数据严重不足，设计人员无法尽快出具相应的设计方案，导致岩土工程拖延。甚至是延期等。正因如此，在工程勘察阶段，勘察人员应当重视GIS 的工作价值，依据工程需要和实际情况，灵活设计数据收集、收据分析的实施方案，规范利用GIS 对工程数据进行整合分析，并对资料数据进行数值化处理，及时将处理后的数据导入至工程数据库中，为岩土工程的设计数据提供更有价值、更真实的参考数据，便于后期设计人员使用收集到的勘察资料进行工程方案设计[3]。与此同时，技术人员还可以利用GIS 的固有功能，对工程数据或信息进行综合评定，结合图像叠加，再次对勘察资料进行处理。实施岩土工程勘察设计一体化的工作流程，规范对勘察资料进行收集、整理，可以参考以下作业流程：

（1）由勘察人员直接向数据库录入工程勘察信息；

（2）将勘查信息或资料汇总成GIS 数据源，并直接利用GIS 对数据资料进行管理、分析；

（3）以评价叠加的方式，再次对勘察资料进行整合、分析，并输出最终的勘查结果；

（4）由设计人员将勘查结果转化成具体的设计方案；

（5）出具工程最终成果。

3.2 制定GIS 应用方式 正视辅助设计系统

互联网技术的诞生与优化为各个行业的建设和发展提供了充足的工作支持，对于这一工作变化和挑战，技术人员在使用GIS 处理岩土工程勘察设计一体化相关工作时，也应当结合时代发展特点、工程项目需要等，将传统的手工作业形式尽快转变转向网络化、数字化作业模式，建立更优质的具有互联网技术特征的GIS 工作模式。在互联网技术的帮扶下，GIS 可以实现工程地理信息与空间信息的整合，有助于构建资源共享、成果共享的作业模式，这对于岩土工程勘察设计一体化的建立和发展具有显著的工作意义。由于岩土工程本身的作业量就比较大，且工作负荷较重，外界因素很容易对勘察结果造成影响，因此，技术人员可以利用计算机技术，在工程现场将每一项作业数据都进行计算机处理，利用互联网的信息传输功能，实现远距离的信息传输与交互，为其他作业环节提供更可靠的数据支撑，这样不仅可以加快数据的传输，还可以减少数据传递产生的工作误差，有效提升数据传输的真实性和完成性，继而达到缩减工程周期、提升工作质效的目的。将地理信息系统与先进的互联网系统相结合，构建现代化的作业模式，有助于加强设计团队与勘察团队的沟通，勘察团队可以尽快将勘察数据传输至设计团队终端，设计团队也可以直接利用互联网将数据疑问、数据缺失等问题直接反馈给勘察团队，勘察团队可以依据反馈结果对数据勘察进行补充和优化，在这种模式下，岩土工程的各个工种或技术岗位，也可以直接利用互联网技术实现工程信息的录入、传输和反馈，便于尽快实现岩土工程勘察设计一体化。

相较于其他工作系统，地理信息及系统的空间信息特征更为明显，它可以利用计算机内置的各类硬软件系统，直接对地球表层空间的地理数据进行收集、存储，并可以直接对数据进行运算、分析、管理、描述等，也就是说，当在岩土工程勘察设计一体化工作过程中使用GIS，技术人员就需要利用计算机系统，实现对整个工程项目的地理数据分析与研究工作，为了提升这一工作的实际质效，技术人员还可以结合计算机辅助设计系统，利用各类图形设备，在计算机上直接对地理信息进行处理、分析[4]。为工程设计环节提供更精准的工程数据。从工程实践角度来看，GIS 本身具有一定的数据分析、整理、汇总、处理能力，还可以实现图像叠加、空间数据处理等，当某一工程数据出现变动或更改，其他数据也会“自动”进行调整。虽然在数据整理与分析方面，计算机辅助设计系统无法达到GIS 的使用效果，仅仅可以利用数据库对工程数据进行管理，数据分析能力有所欠缺，但是计算机辅助设计系统可以实现地理信息数据的优化，可以加速岩土工程对地理信息的利用效果，因此，同样也有助于实现岩土工程勘察设计一体化。

3.3 规范选择勘察地点 提升勘探作业标注

结合岩土工程的项目需要，为其设计勘察设计一体化的作业模式，就需要不断提升工程勘察的精确度和准确度，出具更详细、更完备的勘查结果，这样才可以为后续的设计环节提供更真实的工程数据，因此，从岩土工程的作业框架来看，应当先着重提升勘察地点选择的合理性和科学性。首先，选择岩土土层的勘察地点时，勘察人员应当深入项目现场，提前对岩土周边环境、土质情况、土木建筑实施情况进行简单的调查，当勘察区域周边无特殊需求或要求时，可以直接根据勘察地区的建筑群体的实际覆盖范围进行实地勘察，而对于同一个建筑物结构进行勘察时，勘察人员应当结合地层的起伏变化趋势，依据变化特点、外界因素变化情况等，设计勘察方案，必要时，还可以适当增加勘察点位与勘察密度，便于获取更精准的勘查结果。其次，在岩土工程中，经常会需要一些大型设备，此时勘察任务就会出现一定更改，对于这一工作难题，勘察人员应当单独为其设计勘察点位，选择3 个或以上点位进行勘察。由于勘查手段和勘察方式的不同，勘查结果也有可能会出现一定的工作误差，目前，钻探和触探是使用较为广泛的两种勘察方式，可以使用两种勘察方式叠加的形式，对复杂勘察区域进行探井布设。

其次，依据地基等级和地基复杂情况等，勘察人员还需要根据项目需要，实现对勘察点位之间距离的灵活把控，根据勘察地基等级划分情况，勘察人员设计这样的勘察点位间距实施方案：（1）一级地基,两个勘察点的间距范围设计在10m～15m 区间内；（2）二级地基，两个勘察点间距范围设计在15m～30m 区间内；（3）三级地基，两个勘察点间距范围设计在40m～65m 区间内。除此之外,根据位置变化或地基特点，勘察点的类型也应当做出相应的调整。目前，勘察点类型主要有两种，其一为一般性勘察点，可以实现对存在地层变形区域的验算与控制，其数据可以直接向后续设计环节提供支持，其二为控制性勘察点，在布设控制性勘察点时，勘察人员应当对点位的作业深度进行把控，至少应当大于地基沉降深度数值，但是也需要注意这一勘察点位的布设及勘探是否会对周边的邻基产生破坏或影响。

3.4 制定数据录入标准 直接展示连接效果

当完成勘察点位的设计与选择之后，勘察人员应当根据工程计划书或项目需要，选择恰当的勘查手段，及时将收集到的勘察数据上传到GIS 系统，便于设计人员使用勘探数据。根据数据属性的不同，录入至GIS 系统的数据类型主要有两种。其一，空间数据[5]。这类数据主要用于设计方案的图形设计，或用于显示具有图形特征的实际位置。当录入空间数据后，技术人员可以直接在GIS 系统建立的坐标系内，明确数据位置，查找多个数据的集合点位。需要注意的是，在数据处理过程中，一旦出现两个或两个以上的实体空间相关性，它们之间的数据关系可以利用拓扑关系进行表示。其二，属性数据。与空间数据有所不同的是，属性数据具有明显的工作差异性，此类数据大多数用于地理实体之间的沟通和联系，因此变达内容也往往更具抽象化。一般情况下，属性数据只能对一些工程中的抽象概念进行表达，但是获取方式却具有多样化的特点。根据勘察过程中获取的属性数据，技术人员可以利用MicrosoftExcel 软件，建立一体化的空间数据与设计作业模式，将处理后的Excel 文件直接录入到GIS 系统中，并利用理正软件进行计算，也将计算结果录入至GIS 数据库，完成勘察数据的整理与录入工作，节省人工处理的时间。

为了对GIS 系统中的录入数据进行更全面、更专业的分析，提升GIS 系统生成结果的准确性，技术人员可以根据工需要，选择实时编辑离散数据，利用特征线数据的形式，直接将数据进行实时调整及生成，达到充分舒适使用录入数据的目的。技术人员若想在GIS 系统得出精确度更高的等值线，可以这样设计具体工作步骤：

（1）技术人员打开Microsoft Excel 软件，分别以横坐标、纵坐标和空间坐标的形式，将收集到的空间数据进行整理输入；

（2）将数据录入后的Exce1 格式文件另存为一个txt 文本文件；

（3）在GIS 中，打开mapgis，选择“空间分析”中的“离散化处理”功能键，将全部文件统一为txt；

（4）利用GIS 中的“网格化处理”功能键，选择“Kring 泛克立格法”,更改文件名，以Grd 格式进行文件命名，并保存；

（5）得到为mapgis 格式的勘测数据等值线图。

完成上述步骤操作后，技术人员即可连接勘察数据与工程地图，连接理正软件数据结果与GIS 数据库，实现GIS 的运行，实现最终方案设计结果的输出与表达。在实践过程中，技术人员还可以利用GIS 系统，对岩土工程项目中的各个环节进行立项评估与咨询，为项目编制更规范的工程标准，同时，完成对工程数据的修订。

结语：

综上所述，对于岩土工程的实施效果而言，工程的勘察作业以及方案设计，是关系着整个工程进展质效的关键部分，通过提升工程勘察标准、优化项目方案设计，可以为后续的工程环节提供更精确、更完整的数据信息。面对日益严苛的工作环境和愈演愈烈的行业竞争，为了进一步提升建筑质量，完善建筑性能，技术人员还应当重视GIS的实施效果，将其与工程一体化设计相融合，搭建更现代化的作业方式，为岩土工程的顺利开展提供更充足的作业支撑，实现岩土工程的经济效益提升。