基巖山區(qū)高速鐵路高陡邊坡BIM應(yīng)用
2021-03-10 來源:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院 

  以西成高鐵紙坊1號(hào)隧道為例開展高陡邊坡BIM應(yīng)用,該隧道位于西安市鄠邑區(qū)境內(nèi),是穿越秦嶺山區(qū)的重點(diǎn)工程,隧道全長(zhǎng)8378m,最大埋深657.5m。

  紙坊1號(hào)隧道所面臨的工程難點(diǎn)如下:

 ?。?) 工程環(huán)境危險(xiǎn)。該隧道地處秦嶺山區(qū),為西成高鐵穿越秦嶺的第2座隧道,出露巖性主要為花崗巖、片巖及片麻巖。隧道進(jìn)出口危巖落石極為發(fā)育,嚴(yán)重危及高鐵安全。洞口進(jìn)出口地形陡峭,平均坡度高達(dá)60°~70°,專業(yè)人員難以達(dá)到陡坡現(xiàn)場(chǎng),并且嚴(yán)重危及調(diào)查人員的生命安全。

 ?。?) 施工工期緊張。當(dāng)時(shí)環(huán)境是全線已經(jīng)開展高鐵的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作,距離最后的通車時(shí)間不足3個(gè)月,邊坡加固工程施工工程約2個(gè)月,其中勘察設(shè)計(jì)周期不足1個(gè)月,要完成地形測(cè)量、地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)成果整理、邊坡加固方案設(shè)計(jì)等工作,面臨很大挑戰(zhàn)。

  (3) 傳統(tǒng)外業(yè)工作效率低下。外業(yè)工作主要包括地形測(cè)量和地質(zhì)調(diào)查,地形測(cè)量工作流程一般為路基專業(yè)提供邊坡斷面的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),由測(cè)量人員攜帶測(cè)量?jī)x器到現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)。由于地形高陡、植被茂密,外業(yè)工作進(jìn)展十分緩慢,每組只能完成斷面數(shù)據(jù)1~2處。同時(shí)也給地質(zhì)人員的不良地質(zhì)調(diào)查工作帶來極大的困難,難以查清危巖落石的具體分布。

  

  西成高鐵紙坊1號(hào)隧道概況

  BIM應(yīng)用

  BIM人員配置

  BIM設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)主要包括專業(yè)指導(dǎo)和BIM指導(dǎo),建立了多專業(yè)協(xié)同工作機(jī)制。線路專業(yè)為總體專業(yè),負(fù)責(zé)BIM設(shè)計(jì)統(tǒng)一協(xié)調(diào)和安排;測(cè)繪專業(yè)負(fù)責(zé)工程區(qū)地形數(shù)據(jù)的采集;地質(zhì)專業(yè)負(fù)責(zé)三維地質(zhì)模型的建立;路基專業(yè)負(fù)責(zé)高陡邊坡加固方案的設(shè)計(jì);橋梁專業(yè)和隧道專業(yè)根據(jù)加固方案評(píng)估不良地質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)體的影響程度。

  BIM軟件配置

  該項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)采用的軟件體系分為三大類:地理信息采集軟件、三維地質(zhì)建模軟件和工程設(shè)計(jì)分析軟件。

  

  項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)軟件體系

  在地理信息采集方面,通過無人機(jī)采集隧道洞口相關(guān)數(shù)據(jù),采用Bentley ContextCapture軟件處理形成三維傾斜攝影模型,并通過Bigemap下載大區(qū)域場(chǎng)景輔助建模;在三維地質(zhì)建模方面,主要通過自主研發(fā)的二維勘察地質(zhì)系統(tǒng)和三維地質(zhì)建模系統(tǒng),完成復(fù)雜三維地質(zhì)模型的創(chuàng)建;在工程設(shè)計(jì)分析方面,通過巖土計(jì)算軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,然后利用Rock Fall軟件模擬落石運(yùn)動(dòng)軌跡,路基和隧道專業(yè)在Revit 和Civil 3D平臺(tái)通過自主研發(fā)的路基BIM和隧道BIM軟件完成邊坡加固模型和隧道模型的創(chuàng)建。

  項(xiàng)目BIM勘察

  在項(xiàng)目BIM勘察過程中,主要工作流程如下:

 ?。?) 通過無人機(jī)采集隧道工程區(qū)地形和影像原始數(shù)據(jù),在ContextCapture軟件處理后,形成洞口范圍內(nèi)三維傾斜攝影模型,利用傾斜攝影模型高清影像特點(diǎn),開展高陡邊坡危巖落石的調(diào)查。

  

  隧道洞口傾斜攝影模型

  共查明危巖落石群14處,并開展洞口地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià):自然工況下,危巖體可能發(fā)生滾落,砸向軌道;暴雨工況下,可能誘發(fā)小規(guī)??逅?,嚴(yán)重影響行車安全。

 ?。?) 通過Tisger創(chuàng)建三維地質(zhì)模型。

  

  對(duì)地質(zhì)模型添加與地層相關(guān)的屬性信息,如地層時(shí)代、成因、巖性、風(fēng)化程度、承載力等。

  

  在模型應(yīng)用方面,模擬了隧道開挖,自動(dòng)獲取圍巖等級(jí),輔助隧道專業(yè)開展設(shè)計(jì)。

  

  項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)

  在項(xiàng)目BIM設(shè)計(jì)過程中,首先將地質(zhì)剖面數(shù)據(jù)導(dǎo)入到邊坡穩(wěn)定性分析軟件中進(jìn)行高陡邊坡的穩(wěn)定性分析。

  

  洞口邊坡穩(wěn)定性分析

  其次在Revit中創(chuàng)建被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)等族庫(kù),實(shí)現(xiàn)邊坡防護(hù)的可視化設(shè)計(jì)。

  

  邊坡防護(hù)族庫(kù)

  

  高陡邊坡主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)設(shè)計(jì)

  再次基于BIM模型實(shí)現(xiàn)錨索、錨桿的加固設(shè)計(jì),最后實(shí)現(xiàn)一鍵式生成工程數(shù)量表。

  項(xiàng)目BIM協(xié)同設(shè)計(jì)

  利用自主研發(fā)的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)PL系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)全院多專業(yè)流程管理及數(shù)據(jù)傳遞、資料互提、版本管理等工作,極大提高了協(xié)同設(shè)計(jì)效率。

  

  項(xiàng)目BIM協(xié)同設(shè)計(jì)流程

  在高陡邊坡加固防護(hù)措施中,對(duì)邊坡防護(hù)BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)施工效果進(jìn)行了對(duì)比分析,主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的布置、數(shù)據(jù)與BIM模型保持一致(見下圖)。

  

  BIM應(yīng)用拓展

  地質(zhì)建模

  自主研發(fā)的三維地質(zhì)建模軟件具有正向、高效的特點(diǎn)。利用勘測(cè)多源地質(zhì)數(shù)據(jù),快速創(chuàng)建三維地質(zhì)模型。根據(jù)工點(diǎn)類型分為場(chǎng)地建模和長(zhǎng)大帶狀建模。

  

  場(chǎng)地建模主要適用于房建工點(diǎn),場(chǎng)地分布有多排鉆孔情況,通過三維地質(zhì)建模軟件可以自動(dòng)插值形成層面,最終形成各種地質(zhì)體。長(zhǎng)大帶狀建模方法主要是針對(duì)鐵路工程一般僅有單排鉆孔的特點(diǎn),先通過鉆孔完成地質(zhì)縱斷面的填繪工作,然后再結(jié)合平面地質(zhì)數(shù)據(jù)源,通過插值算法形成地層界面,再與地形體進(jìn)行布爾運(yùn)算,形成最終的形狀異性的地質(zhì)體。

  針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)體的單獨(dú)建模方法。根據(jù)巖層特征和滑坡體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了巖體層理面建模、多級(jí)滑坡建模,模型表達(dá)精度極大提高。

  

  地質(zhì)單體建模方法

  勘察

  地質(zhì)BIM軟件能夠?qū)崿F(xiàn)模型的參數(shù)開挖,輸入線路的起止里程、邊界條件、開挖深度,能夠快速獲取不同土石等級(jí)的土方量,提高了土石方工程造價(jià)的準(zhǔn)確性,并支持多種格式文件導(dǎo)出,保證地質(zhì)模型數(shù)據(jù)的傳遞,輔助下游專業(yè)開展設(shè)計(jì)。

  

  地質(zhì)模型開挖統(tǒng)計(jì)

  設(shè)計(jì)

  Revit平臺(tái)對(duì)房建工程BIM設(shè)計(jì)支持性較好,但無法滿足鐵路工程路基和隧道BIM設(shè)計(jì),路基和隧道BIM設(shè)計(jì)主要是通過二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)本專業(yè)的BIM設(shè)計(jì)。

  路基專業(yè)在Revit平臺(tái)中通過二次開發(fā),基于線路骨架,基本實(shí)現(xiàn)了路基本體模型、坡面防護(hù)模型、地基處理模型的自動(dòng)化拼裝,極大提高路基設(shè)計(jì)效率。

  隧道專業(yè)在Revit平臺(tái)中主要建模思路如下:首先賦予線路參數(shù),其次輸入隧道設(shè)計(jì)參數(shù),最后一鍵式批量生成隧道BIM模型。

  

  隧道本體建模

  運(yùn)維

  在運(yùn)維方面,通過BIM+無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控,具體操作流程為:通過無人機(jī)及時(shí)采集數(shù)據(jù),然后實(shí)時(shí)生成三維地形,在疊加多源地形地質(zhì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,最后建立三維地質(zhì)傾斜攝影模型。

  

  BIM 應(yīng)用運(yùn)維操作流程

  對(duì)既有風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)開展多期對(duì)比分析,評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù),保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全。BIM應(yīng)用運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多期分析對(duì)比見下圖。

  

  利用BIM解決了高鐵施工中復(fù)雜的工程地質(zhì)問題,取得良好效果。在傳統(tǒng)勘察的基礎(chǔ)上引入無人機(jī)新型勘測(cè)手段,極大提高了勘測(cè)效率和勘察質(zhì)量。

  在今后的BIM 推廣中,將繼續(xù)深化4個(gè)方面的研究:標(biāo)準(zhǔn)、正向、協(xié)同、新技術(shù),推進(jìn)BIM的全生命周期應(yīng)用,主要包括:結(jié)合IFD、IFC完善地質(zhì)BIM的標(biāo)準(zhǔn)建立;深入研究地質(zhì)BIM的正向設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)高效目標(biāo);加強(qiáng)全專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的覆蓋推廣面;強(qiáng)化新型勘測(cè)技術(shù)與BIM的融合、研發(fā)。



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