基于BIM的仿真技术在岩溶隧道防排水体系优化中的应用技术研究

摘    要：

针对铁路隧道防排水在设计、施工等方面存在的突出问题，依托贵南高铁广西段大方山隧道岩溶段工程，在项目建设之初，即结合洞身开挖揭示地质特征、超前地质预报成果、水量检测成果、岩溶发育特征等，探索应用BIM技术及计算机仿真技术动态优化完善隧道防排水设计及措施，将BIM技术应用于岩溶隧道的防排水体系模拟，动态模拟隧道洞身水文特征及防排水设施的功能，建立防排水设施三维模型及效果动态模拟，及时对设计进行优化，为运营期养护维修提供基础资料，形成的防排水体系数字系统用于运营维护十分必要，研究成果可为类似工程的施工提供参考。

关键词：铁路;岩溶;隧道;BIM仿真技术;防排水体系;

0 引言

贵南高铁穿越黔桂高原过渡带及桂西岩溶峰丛洼地、峰林平原区，地质、地形条件复杂，岩溶区长度占正线长度的80%。贵南高铁广西段全长282公里，其中，隧道长129公里/44.5座，需要设置泄水洞64.8公里，约占洞身长度的一半，施工及运营期隧道防排水问题十分突出。虽然在贵广、沪昆等类似项目具有一定的工程实践经验，但更多的是项目建设后期或运营初期被动地采取工程措施，隧道防排水系统总体上采用传统的设计方案，并且增加的泄水洞措施与洞身本身防排水系统存在不能有效衔接、作用发挥不理想等问题。[1,2]

BIM(Building Information Modeling）即建筑信息化模型，是一个完备的信息模型，能够将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便被工程各参与方使用。BIM技术在铁路行业的应用起步更晚，尚未形成统一标准，且由于铁路特性及铁路行业的专业复杂性，其涉及区域广泛，地形地貌及地质条件复杂，各专业之间难以协调，推动困难。

将BIM技术应用于岩溶隧道的防排水体系模拟，国内尚未有过先例，由于BIM的可视化、协调性、模拟性、优化性、参数化性及信息完备性，该项应用的成功，将推动我国BIM技术的发展，为类似项目提供参考依据，开创区别于正向设计的新的BIM应用形式，为国内首创。[3]

1 工程概况

大方山隧道位于广西境内荔波～环江区间，设计时速350km，单洞双线，全长9647m。隧区地下水以孔隙水、基岩裂隙水、岩溶水为主。孔隙水主要赋存于隧区第四系全新统坡残积层和出口端基岩全风化层中，其含水量微弱，主要接受大气降雨补给，对隧道影响小。基岩中裂隙水由于地质构造的活动，断裂及构造节理裂隙发育，为地下水的富集提供了良好的空间，在节理密集地带或断裂破碎带附近地下水量较大，水量丰富。因此在隧道施工过程中，节理裂隙密集带或断裂破碎带附近可能会遇到股状涌水。隧道洞身含水岩组为石炭系中统（C2）灰岩、白云岩，属于岩溶溶隙-管道水。由于地表洼地、落水洞、溶洞、消水洞发育，推测隧区岩溶中等～强烈发育，岩溶水丰富，但分布不均一、无规律。

2 三维GIS+BIM平台构建思路

依托铁路项目三维GIS+BIM空间信息管理平台，根据铁路工程的具体需求分析及施工数据，集成各种数据源模型（倾斜模型、BIM模型、3DMAX模型、GIM模型），对设计模型或完工实体模型对象进行属性信息挂接（施工信息、环境信息），实现基于真三维场景的施工BIM模型交付。具体结构化功能包括信息交互（场景浏览、快速查询、标注、检索、编辑等）；对比对照（设计拟合场景与设计平纵面的二三维一体化同步）；模拟分析（专项功能可视化分析、项目施工计划进度虚拟推演等），分析模拟（运行模拟及事故模拟等）。

图1 三维GIS+BIM平台软件应用组成 

图2 建立三维数字沙盘

图3 建立关系模型 

根据开挖揭示的地质情况，地貌及自然水系，利用计算机仿真技术动态模拟隧道洞身水文特征及防排水设施的功能，结合在建项目大方山隧道设计水文资料、现场记录的隧道水文资料及相关水文地质资料建立防排水设施三维模型及效果动态模拟，及时对设计进行优化，为运营期养护维修提供基础资料，并实现以下特点：

①实现建模快速化：可根据坐标、里程、高程、隧道防排水系统主要结构尺寸（排水沟、盲管等参数），快速完成隧道防排水系统建模。

②快速定义岩溶洼地：根据3D+GIS模型，可采用不同颜色自动标识Ⅰ类和Ⅱ类洼地。

③快速建模溶洞：输入溶洞与线路相对位置、溶洞长度、宽度、高度和大体形态（锥体等），现场溶洞出水情况，实现在隧道线路准确位置快速建模溶洞模型。

④防排水仿真模拟：可通过输入地表降雨量，初步隧道洞内防排水系统出水情况，同时建立水文水力模型，与隧道现场防排水系统进行模拟对比，判别防排水系统能否有效，初步提供优化防排水结构的要求，确保防排水能力。（图1)

3 三维GIS+BIM排水体系三维可视化仿真系统平台构建

3.1 模型建立

组建包含隧道周边环境模型、地质底层模型、溶洞模型、水系模型、防排水设施模型及各类传感器模型的集成仿真平台。

①建立数字沙盘：通过在3DGIS空间信息平台中集成配准与项目工程相关的GIS地图模型、无人机倾斜摄影模型、基于钻探资料的GIM地质地层模型、设计二维模型及设计三维BIM模型。构建项目内容的直观实体及所在的地表及地下环境的三维数字沙盘，能够真实还原现场，身临其境地感知项目对象实体所处的地物地貌、不良地质及空间拓扑关系等。（图2)

②建立关系模型：大方山隧道BIM建模项目包含大方山隧道正洞、泄水洞和平导的防排水系统、相互位置关系进行BIM建模。（图3)

③根据大方山隧道地质钻探资料进行GIM建模，模型与场景布置、组装，参数组合并录入，同时对GIM建模及属性编辑，链接相关资料和图纸。（图4)

图4 地质钻探资料进行GIM建模 

图5 降水模拟

图6 汇水模拟分析

3.2 三维模拟分析

3.2.1 降水模拟

根据当地气象预报资料，在对话框中直接调整设置24小时雨量参数图表。包括设置里程区段、线路两侧宽度范围以及起止时间。设置完成后即可启动模拟：在主界面即会看到计时指针进程下的直观区域降水等级的降雨动态渲染，同时在对话框中实时显示地面降水量。（图5)

3.2.2 汇水模拟

利用系统的空间量测分析功能，可视化快速获得计算汇水区域的地表面积、投影面积、坡度分布及填充体积等参数。代入汇水面积数学模型（西南地区）开发形成汇水模拟功能对话窗；在配合开启降水模拟后，即可进一步将区域的汇水变化程度作实时动态渲染表达。（图6)

3.2.3 渗水模拟

根据系统开发的洼地中心提取功能，可对设计方提供的“封闭洼地调查分析调查表”进行完善和审核。然后可按在分段区域的场景模型上按其洼地分类等级构建洼地的构建标记分布模型。在降水模拟功能基础上依据设计提供的隧道涌水量预测方法及数学模型，构建渗水模拟的后台程序。在降水模拟的基础上进一步参数化驱动区域渗水仿真效果和等效计算效果。

3.2.4 排水模拟

通过外部导入或调整设置小时雨量参数表（输入条件）。已经获取的涌水计算模型，根据已经获取的隧道涌水点的观测记录表。直接驱动渲染隧道排水沟及泄水洞口的动态排水程度。亦可打开对话框查看实时排水量。当达到排水上限将会启动告警组合程序。

通过在平台场景内建立水位、水量等传感器的组态模型，并根据降雨法水文计算的汇水面积和雨量传感器的数据对比后抽象此处的积水漏斗。实现了三维可视效果：通过输入里程，可实现VR观察此段防排水施工情况，预留输入数据模型（地表降雨量、出水量等），经模拟计算，可视隧道防排水系统排水效果，并判别排水系统的可行性。

4 结语

根据工程项目三维GIS+BIM排水体系实体模型，从系统软件管理体系构架、框架设计方案等层面详细论述了三维GIS+BIM数据可视化仿真系统的设计方案与开发。该系统软件在融合并运用目前各种铁路工程信息资源的基础上，借助计算机网络系统软件出示的信息内容传输通道，以技术标准、信息内容全方位、高度共享资源的大数据中心为信息内容储存、融合获取的基础，完成工程组织间各种信息资源的综合处理方法，是铁路工程防排水系统施工管理、设计的有效工具。

参考文献

[1] 王一鸣，皇民.高水压岩溶隧道堵水限排防排水设计研究[J].嘉应学院学报，2019,37(03):75-80.

[2] 胡炜，谭信荣,李奎，等.高压富水地区岩溶隧道防排水设计方案优化研究[J].高速铁路技术，2020,11(05):97-101,106.

[3] 田世宽，李维.岩溶地区隧道的排水设计及施工关键技术[J].筑路机械与施工机械化，2019,36(09):85-88.

文章来源：价值工程