礦山法隧道BI M+GI S技術的應用研究

潘傳宇，宗朝陽，周旋

（中建鐵路投資建設集團有限公司，北京100032）

1 工程概況

1.1 工程周邊及水文地質

本工程為某一城市軌道交通工程礦山法區間隧道，該隧道下穿國道，道路沿線存在大量商鋪、居民住宅樓及各類燃氣、熱力管線。地下水類型分為填土中的上層滯水和基巖裂隙水。根據勘察揭露地層情況，本工點土層主要以填土、第四系全新統（Q4）黏土、上更新（Q3）黏性土、下伏基巖為奧陶系（O）泥灰巖及灰巖。

1.2 BI M+GI S技術原理

根據隧道爆破面、初支面及二襯面設計參數，建立相關層隧道BIM模型，作為評價基準，在現場隧道爆破、初支、二襯每一循環施工后，借助GIS技術（三維激光掃描技術[1]）采集各工序完成面點云數據，并經處理形成施工實際點云模型，作為評價依據，通過每一循環設計面與實際面的數值差值，形成隧道超欠挖分析報告及初支面、二襯面平整度報告，并以此作為下個循環爆破作業的鉆爆參數調整指導依據、初支侵線部位和基面不平整區域找平依據、二襯面侵線及面層不平整區域修復依據，分別完成隧道爆破參數的調整優化、防水基面找平、二襯面修復，為礦山法隧道施工全過程質量、成本、安全管控提供依據。

2 工藝流程及操作要點

2.1 施工準備

施工準備包括以下幾個步驟：

1）在進行礦山法隧道現場斷面掃描前，需明確隧道曲線半徑、結構斷面、初支、二襯設計參數及地質情況，確保后期隧道BIM[2]模型建立準確，為過程分析提供基礎理論數據。

2）明確現場GIS技術（三維激光掃描技術）作業人員構成，細化現場設站數據采集、數據處理人員作業標準及流程，后期數據分析及結果運用人員數據傳遞路徑，結果運用方式。

3）與現場管理人員明確工序穿插時間，為每循環爆破、初支及二襯面掃描預留作業窗口期，確?，F場實施。

4）數據處理人員需明確礦山法隧道施工工藝、現場風、水、電管線設置，便于后期噪點剔除，提升數據處理速度，數據分析的可靠度。

工藝流程如圖1所示。

圖1 BI M+GI S技術現場應用流程圖

2.2 隧道模型建立

隧道模型建立包括定線設置（水平定線、豎向定線）、隧道形狀，通過輸入隧道設計斷面數據，形成隧道爆破面、初支面、二襯面理論設計輪廓線，建立隧道設計斷面BIM模型，此步驟為后期評價的基準。

2.3 點云數據采集

由現場管理人員根據實際施工情況，就爆破、初支及二襯完成時間向測量人員進行反饋，并做好相關現場協調準備工作。由2名測量人員在每一循環隧道爆破清渣完畢后采用三維激光掃描設備全站儀模式，后視2個已知點快速設站，掃描為儀器自動進行，開始掃描后，按照后方交匯建站，根據遮擋情況掃描1～3站。由于礦山法隧道初支施工緊隨爆破施工工序，爆破面掃描需在確?，F場安全的情況下進行，城市軌道交通工程礦山法隧道斷面較小，二襯施工在初支全部完成之后，初支面可在二襯施工前統一掃描[3]。

2.4 點云數據處理

將現場采集的.JXL文件導入配套軟件，并進行相關的工程設置，同時注意原始數據的備份?？稍?D視圖中，對現場采集掃描的點云數據分類，剔除無用點（多余掃描區域、人員、機械、洞內風、水、電管線），確保后期分析結果可靠。原始數據導入圖如圖2所示，噪點剔除完成后如圖3所示。

圖2原始數據導入圖

圖3噪點剔除完成

2.5 隧道報告生成

隧道斷面報告即為隧道爆破施工、初支施工、二襯施工面與理論設計面之間的差值，目的是為后續施工參數優化調整、物資材料消耗分析、商務計價結算等提供理論依據。

隧道報告可指定隧道竣工點，選擇方法為根據點云，任意設置測站間隔，設置后軟件自動提取點云上面點，生成斷面，如圖4所示。

圖4隧道報告

2.6 數據分析及應用

測量人員將隧道斷面報告提交項目技術人員后，由技術人員對報告進行分析，得到隧道超欠挖、初支及二襯面準確數據，形成優化建議，為后續施工參數優化、技術參數調整、物資材料分析提供依據。BIM+GIS結果運用流程如圖5所示。

圖5 BI M+GI S結果運用流程

技術部根據專項施工方案、點云數據模型與分析報告，對各工序施工提出工序調整及優化建議；質量部根據報告劃分缺陷等級，并制定整改措施；物資部根據報告進行物資實耗分析超耗預警；商務部根據報告數據，進行精準計量。

3 礦山法BI M+GI S技術應用優勢

3.1 自動化程度高、安全風險低

與傳統采用全站儀進行斷面復測相比，BIM+GIS技術自動化程度高，采用三維激光掃描（GIS技術）設備自動掃描，對現場照明條件要求較低，避免人員長時間在尚未完成支護的開挖面附近停留，減少碎石落塊墜落傷害風險，保證測量人員安全。

3.2 測量速度快、結果反饋及時

現有礦山法隧道采用全站儀進行斷面掃描一般一次掃描時間為30min，且需進行單獨數據處理，效率較低，無法滿足現場快節奏的施工。

采用BIM+GIS技術進行礦山法隧道三維掃描，可在10min內完成一個斷面掃描，且出具報告直觀顯示爆破面、初支面及二襯面與設計值間的差值，可直接指導現場施工。

3.3 數據精度高、應用前景廣泛

傳統礦山法隧道采用全站儀進行斷面測量，其中隧道爆破面無掃描；初支及二襯均為5m一個掃描斷面，每個斷面12個點，致使對隧道超欠挖量無準確評價依據，初支、二襯面取點間距過大，數據整體性降低，不能反映整體施工質量。

采用BIM+GIS技術進行礦山法隧道三維掃描，通過2×106點/s的掃描速度、最小2mm，最大10mm的掃描點間距、免棱鏡1s全站儀級別的高精度，同時借助BIM技術協同管理優勢，對隧道爆破面、初支面、二襯面進行全覆蓋，數據可用于鉆爆參數優化、欠挖部位精準處理、初支噴射混凝土量計算、初支基面找平、二襯斷面驗收、隧道變形監測等。

4 結論

1）通過BIM+GIS技術在礦山法法隧道施工全工藝流程的覆蓋，為項目管理提供了基礎理論數據支撐，為礦山法隧道施工技術參數優化、質量管理提升、安全風險管控、物資消耗分析、商務結算提供依據。

2）快速、高效的輸數據采集、處理方式，極大地簡化了現有管理模式，使管理人員有更多的時間、經歷進行技術革新[4]。