矿山法隧道BI M+GI S技术的应用研究

潘传宇，宗朝阳，周旋

（中建铁路投资建设集团有限公司，北京100032）

1 工程概况

1.1 工程周边及水文地质

本工程为某一城市轨道交通工程矿山法区间隧道，该隧道下穿国道，道路沿线存在大量商铺、居民住宅楼及各类燃气、热力管线。地下水类型分为填土中的上层滞水和基岩裂隙水。根据勘察揭露地层情况，本工点土层主要以填土、第四系全新统（Q4）黏土、上更新（Q3）黏性土、下伏基岩为奥陶系（O）泥灰岩及灰岩。

1.2 BI M+GI S技术原理

根据隧道爆破面、初支面及二衬面设计参数，建立相关层隧道BIM模型，作为评价基准，在现场隧道爆破、初支、二衬每一循环施工后，借助GIS技术（三维激光扫描技术[1]）采集各工序完成面点云数据，并经处理形成施工实际点云模型，作为评价依据，通过每一循环设计面与实际面的数值差值，形成隧道超欠挖分析报告及初支面、二衬面平整度报告，并以此作为下个循环爆破作业的钻爆参数调整指导依据、初支侵线部位和基面不平整区域找平依据、二衬面侵线及面层不平整区域修复依据，分别完成隧道爆破参数的调整优化、防水基面找平、二衬面修复，为矿山法隧道施工全过程质量、成本、安全管控提供依据。

2 工艺流程及操作要点

2.1 施工准备

施工准备包括以下几个步骤：

1）在进行矿山法隧道现场断面扫描前，需明确隧道曲线半径、结构断面、初支、二衬设计参数及地质情况，确保后期隧道BIM[2]模型建立准确，为过程分析提供基础理论数据。

2）明确现场GIS技术（三维激光扫描技术）作业人员构成，细化现场设站数据采集、数据处理人员作业标准及流程，后期数据分析及结果运用人员数据传递路径，结果运用方式。

3）与现场管理人员明确工序穿插时间，为每循环爆破、初支及二衬面扫描预留作业窗口期，确保现场实施。

4）数据处理人员需明确矿山法隧道施工工艺、现场风、水、电管线设置，便于后期噪点剔除，提升数据处理速度，数据分析的可靠度。

工艺流程如图1所示。

图1 BI M+GI S技术现场应用流程图

2.2 隧道模型建立

隧道模型建立包括定线设置（水平定线、竖向定线）、隧道形状，通过输入隧道设计断面数据，形成隧道爆破面、初支面、二衬面理论设计轮廓线，建立隧道设计断面BIM模型，此步骤为后期评价的基准。

2.3 点云数据采集

由现场管理人员根据实际施工情况，就爆破、初支及二衬完成时间向测量人员进行反馈，并做好相关现场协调准备工作。由2名测量人员在每一循环隧道爆破清渣完毕后采用三维激光扫描设备全站仪模式，后视2个已知点快速设站，扫描为仪器自动进行，开始扫描后，按照后方交汇建站，根据遮挡情况扫描1～3站。由于矿山法隧道初支施工紧随爆破施工工序，爆破面扫描需在确保现场安全的情况下进行，城市轨道交通工程矿山法隧道断面较小，二衬施工在初支全部完成之后，初支面可在二衬施工前统一扫描[3]。

2.4 点云数据处理

将现场采集的.JXL文件导入配套软件，并进行相关的工程设置，同时注意原始数据的备份。可在3D视图中，对现场采集扫描的点云数据分类，剔除无用点（多余扫描区域、人员、机械、洞内风、水、电管线），确保后期分析结果可靠。原始数据导入图如图2所示，噪点剔除完成后如图3所示。

图2原始数据导入图

图3噪点剔除完成

2.5 隧道报告生成

隧道断面报告即为隧道爆破施工、初支施工、二衬施工面与理论设计面之间的差值，目的是为后续施工参数优化调整、物资材料消耗分析、商务计价结算等提供理论依据。

隧道报告可指定隧道竣工点，选择方法为根据点云，任意设置测站间隔，设置后软件自动提取点云上面点，生成断面，如图4所示。

图4隧道报告

2.6 数据分析及应用

测量人员将隧道断面报告提交项目技术人员后，由技术人员对报告进行分析，得到隧道超欠挖、初支及二衬面准确数据，形成优化建议，为后续施工参数优化、技术参数调整、物资材料分析提供依据。BIM+GIS结果运用流程如图5所示。

图5 BI M+GI S结果运用流程

技术部根据专项施工方案、点云数据模型与分析报告，对各工序施工提出工序调整及优化建议；质量部根据报告划分缺陷等级，并制定整改措施；物资部根据报告进行物资实耗分析超耗预警；商务部根据报告数据，进行精准计量。

3 矿山法BI M+GI S技术应用优势

3.1 自动化程度高、安全风险低

与传统采用全站仪进行断面复测相比，BIM+GIS技术自动化程度高，采用三维激光扫描（GIS技术）设备自动扫描，对现场照明条件要求较低，避免人员长时间在尚未完成支护的开挖面附近停留，减少碎石落块坠落伤害风险，保证测量人员安全。

3.2 测量速度快、结果反馈及时

现有矿山法隧道采用全站仪进行断面扫描一般一次扫描时间为30min，且需进行单独数据处理，效率较低，无法满足现场快节奏的施工。

采用BIM+GIS技术进行矿山法隧道三维扫描，可在10min内完成一个断面扫描，且出具报告直观显示爆破面、初支面及二衬面与设计值间的差值，可直接指导现场施工。

3.3 数据精度高、应用前景广泛

传统矿山法隧道采用全站仪进行断面测量，其中隧道爆破面无扫描；初支及二衬均为5m一个扫描断面，每个断面12个点，致使对隧道超欠挖量无准确评价依据，初支、二衬面取点间距过大，数据整体性降低，不能反映整体施工质量。

采用BIM+GIS技术进行矿山法隧道三维扫描，通过2×106点/s的扫描速度、最小2mm，最大10mm的扫描点间距、免棱镜1s全站仪级别的高精度，同时借助BIM技术协同管理优势，对隧道爆破面、初支面、二衬面进行全覆盖，数据可用于钻爆参数优化、欠挖部位精准处理、初支喷射混凝土量计算、初支基面找平、二衬断面验收、隧道变形监测等。

4 结论

1）通过BIM+GIS技术在矿山法法隧道施工全工艺流程的覆盖，为项目管理提供了基础理论数据支撑，为矿山法隧道施工技术参数优化、质量管理提升、安全风险管控、物资消耗分析、商务结算提供依据。

2）快速、高效的输数据采集、处理方式，极大地简化了现有管理模式，使管理人员有更多的时间、经历进行技术革新[4]。