Для крупных инфраструктурных проектов необходима постоянная осведомленность о состоянии грунтов и грунтовых вод для принятия максимально эффективных технических решений. Решение для динамического трехмерного моделирования геологической среды Leapfrog Works, помогло компании Arup эффективно создать цифровую геологическую модель модель для запланированной железнодорожной линии Crossrail 2.
Проект
Компания «Транспорт для Лондона» (TfL) заключила контракт с Arup, фирмой, оказывающей многопрофильные профессиональные услуги, на разработку трехмерной модели рельефа для выявления геологических опасных факторов по маршруту прохождения дороги, предоставление информации для принятия решений на ранних стадиях проектирования и внедрение на проекте бесценного инструмента управления геотехническими рисками.
Планируемая железнодорожная линия соединит национальные железнодорожные сети в Суррее и Хартфордшире подземным туннелем длиной около 30 км. Решение Leapfrog Works использовалось для разработки подробной трехмерной модели геологической среды, позволяющей понять состояние грунта и грунтовых вод, которое может повлиять на технические решения. Предотвращение или снижение рисков, связанных с любыми потенциальными опасными факторами, было критически важно для надежной и реалистичной оценки программы и стоимости проекта.
Leapfrog Works — это решение для динамического трехмерного моделирования геологической среды, которое превращает сложные данные в наглядные и простые для интерпретации модели. Works помогает визуализировать и понять геологическое строение для передачи информации и принятия максимально эффективных решений по проектам гражданского строительства. Геологические модели также можно легко объединять с инженерными проектами, рабочими процессами BIM и моделями потоков грунтовых вод, что позволяет дополнительно снизить риски и сделать процесс принятия решений более эффективным.
Стюарт Миллс (Stuart Mills), заместитель директора Arup по инфраструктуре в Гонконге, рассказывает: «Решение Leapfrog Works позволило нам визуализировать базовую геологическую модель и другие форматы геологических данных в 3D, модернизировать модель и эффективно доносить информацию о неопределенности и пространственных изменениях геологического строения. Мы смогли использовать геологические поверхности в нашем подходе к проектным решениям, основанном на данных, который поддерживает наше стремление к цифровой автоматизации инженерного проектирования. Возможность наладить этот рабочий процесс на основе данных на столь раннем этапе проекта была действительно ценной и была в полной мере оценена нами и компанией «Transport for London»».
Исходные условия
Новая железнодорожная линия призвана облегчить доступ в Лондон и из него через более обширный юго-восточный регион Великобритании и значительно снизить нагрузку на линии метро и сеть национальных железных дорог. Crossrail 2 обеспечит 200 000 рабочих мест, будет стимулировать строительство 200 000 новых домов по всему региону и увеличит пропускную способность железных дорог Лондона на 10%, дополняя другие крупные национальные транспортные проекты, такие как высокоскоростная железнодорожная линия High Speed 2.
Проект Crossrail 2 находится на самых ранних стадиях планирования. TfL ожидает получения разрешения на строительство Crossrail 2 от правительства Великобритании позже в 2020-х годах, а новая линия откроется для пассажиров в 2030-х.
Состояние грунта и грунтовых вод влияет на технические аспекты, такие как проектирование трассы, варианты укрепления грунта, требования к управлению грунтовыми водами и выбор метода строительства. Эти аспекты, в свою очередь, могут значительно повлиять на технологичность строительства предлагаемых объектов, стоимость и программу проекта.
Крупные инфраструктурные проекты наращивают темп по мере того, как проект становится популярным в политическом плане, а государственное финансирование становится доступным для проектирования, проведения съемки и других исследований. Однако в начале проекта, до того, как будут проведены новые исследования грунта, необходимо принять ключевые решения на основе надежной информации, включая данные грунтовых условий и понимание их влияния на проект в целом.
Поэтому необходимость в подробной трехмерной геологической модели стала очевидной на ранней стадии разработки технико-экономического обоснования. Было важно убедиться, что природа и потенциальное распределение опасных факторов, связанных с грунтовыми условиями, были надлежаще изучены с помощью доступной геологической информации. Предотвращение или снижение рисков, связанных с этими опасными факторами, на ранней стадии было критически важно для надежной и реалистичной оценки программы и стоимости проекта.
Ответ
Работа по разработке стратиграфической модели проекта Crossrail 2 была начата в начале 2018 года. В качестве базовой стратиграфической модели была использована часть 3D-модели Лондонского бассейна в масштабе 1:50 000 Британской геологической службы (BGS). Решение Leapfrog Works использовалось для интеграции дополнительной информации, доступной в виде дополнительных скважин, цифровых моделей местности с более высоким разрешением, исторических и недавних публикаций о строительстве лондонского метрополитена и других крупных инфраструктурных проектов, таких как Магистраль водного кольца Темзы, линии Crossrail, Приливного туннеля Темзы и др.
Старший инженер-геолог Arup Шарлин Тинг (Charlene Ting) рассказывает: «Мы использовали Leapfrog Works для уточнения базовой стратиграфической модели проекта, выполнив анализ модели в приоритетных участках для конкретных объектов, чтобы модель отражала местные, а не региональные геологические условия, и лучше соответствовала требованиям проекта. Разработка модели геологической среды — это итеративный процесс, поэтому очень важно, чтобы мы могли обновлять ее при получении новой информации. Функция динамического обновления Works позволила нам легко это сделать». Эти приоритетные участки были выбраны на основе совокупности факторов, включая местоположение планируемых станций и областей, для которых модели геологических поверхностей BGS значительно отличались от данных дополнительных скважин. Исходные контрольные точки были изменены, чтобы лучше соответствовать топографическим данным с более высоким разрешением.
Шарлин объясняет: «Наш пример использования Leapfrog Works: сначала мы использовали двухмерные разрезы, чтобы проиллюстрировать грунтовые условия на одном участке, но обнаружили, что было трудно передать латеральную и вертикальную изменчивость в локальной стратиграфии, которая была сложной из-за наличия потенциальных разломов или складчатости. С помощью Leapfrog Works мы смогли продемонстрировать, насколько далеко друг от друга скважины, представленные на 2D-разрезе, были фактически смещены от предлагаемой структуры. Мы также смогли выполнить вертикальную геопривязку разрезов из имеющихся публикаций, чтобы дополнить разреженные скважинные данные и визуализировать сложные грунтовые условия на этом участке. Были созданы дополнительные контрольные точки для «оцифровки» опубликованных разрезов. Это улучшило наше понимание грунтовых условий, позволило выявить пробелы в данных и неопределенность, а также предоставить информацию для решений, принятых нашей обширной командой относительно вертикального выравнивания предлагаемых туннелей, проекта станции и требований к укреплению грунта».
Решение Leapfrog Works, используемое в сочетании с другими цифровыми инструментами, обеспечивает эффективную работу с существующими рабочими процессами. Совместимость Works с САПР и ГИС позволила команде эффективно взаимодействовать с ArcGIS и такими инструментами, как Bentley gINT, InRoads, MicroStation и Autodesk AutoCAD.
Результат
»Использование Leapfrog Works помогло нам более эффективно идентифицировать области наиболее высокой геологической неопределенности, и мы проверяли несколько источников геологической информации, доступной для этого участка, чтобы более подробно изучить его. Возможность выделить эти области неопределенности помогла нам определить цели для дальнейших исследований грунтовых условий и максимально повысить эффективность планирования будущих работ».
Шарлин Тинг (Charlene Ting), старший инженер-геолог, Arup
Уточненные трехмерные геологические поверхности были впоследствии использованы в основанном на данных подходе для информирования проектных решений, сокращения итераций разработки 2D-разрезов вдоль новых трасс и на ключевых строительных сооружениях, таких как валы, порталы и каверны, а также для информирования об оценках риска столкновений с динамическими препятствиями.
Шарлин Тинг рассказывает: «Если трасса изменялась, мы могли просто обновить модель и посмотреть, как она будет выглядеть с новой трассой. В то время нам были доступны и другие инструменты, но они требовали высокого уровня специализированных геостатистических знаний и значительных временных затрат. Благодаря использованию в Leapfrog Works быстрых радиальных базисных функций мы получили оперативное и простое решение, позволившее нам легко пройти через этот повторяющийся процесс доработки».
Было проведено сравнение результатов, полученных с помощью различных методов интерполяции, и в целом они отлично совпали. Дальнейшая проверка модели планируется по мере доступности новых данных.
Средство визуальной коммуникации
View и Viewer, инструменты совместной работы Leapfrog, использовались для облегчения обмена результатами моделирования с TfL, а также с более широкой многопрофильной командой проекта, включая геотехников и инженеров-строителей. Каждый мог легко отобразить модель в 3D и взаимодействовать с ней, поворачивая и разрезая ее для просмотра под разными углами, что оказалось очень эффективным при совместной работе и обсуждениях.
Геотехнический руководитель Arup на проекте железнодорожной линии Crossrail 2, Бен Гилсон (Ben Gilson), рассказывает: «Легкость совместного использования 3D-модели привела к заметному увеличению активности внутренних команд Arup, внешних консультантов и TfL, которые отметили, что все больше людей открывают 3D-модель, потому что она отображается более интересно и интерактивно. Для нас это была победа с точки зрения обмена данными и привлечения большего количества специалистов к изучению геологии и грунтовых условий. Мы также смогли добавить к модели наши предварительные предположения и ограничения, чтобы каждый мог просмотреть эти комментарии и проанализировать участки, где имела место неопределенность. Мы могли использовать данные разными способами, перенося их из 3D-модели напрямую в другие программные пакеты, а также извлекать трехмерные объемы из различных типов пород и грунта и определять наилучшие способы их использования».
Проектирование и оценка на основе данных позволяют установить связь между проектированием трассы, прогрессирующим пониманием грунтовых условий, а также данными и анализом препятствий для строительства. В настоящее время ведется высокоуровневое планирование рабочего процесса оценки движения грунта на основе данных портала активов и стратиграфической модели проекта. Включение геотехнических параметров в Стратиграфическую модель проекта позволит использовать рабочие процессы, основанные на данных, для проектирования таких конструкций, как опорные стены. Ожидается, что стратиграфическая модель проекта будет обновляться на этапе строительства, и в долгосрочной перспективе она окажется бесценным инструментом планирования строительства и снижения рисков. Это позволит эффективно создавать геотехническую цифровую модель как неотъемлемую часть цифровых активов проекта.
«Мы хотим тратить меньше времени на обработку данных и больше — на их осмысление. Это элементарно. Работа говорит сама за себя. Качество и уровень детализации, которые мы получаем на этой ранней стадии проекта, поистине фантастические и очень нам помогают. Это кардинальное изменение по сравнению с тем, что я видел раньше».
Майк Блэк (Mike Black), Главный инженер-геомеханик проекта Crossrail 2.
Стюарт Миллс подводит итог: «Решение Leapfrog Works было ключевым инструментом моделирования геологической среды, который мы включили в наш набор программных средств. На нескольких проектах внедрение Leapfrog позволило нам увидеть преимущества итеративного моделирования и наглядной 3D-визуализации, результатом которых являются проекты, основанные на данных. Мы планируем продолжить использовать Leapfrog Works на будущих проектах».
Пэт Макларин (Pat McLarin), директор подразделения гражданского строительства Seequent, рассказывает: «Проекты транспортной инфраструктуры, такие как Crossrail 2, являются большими и сложными и требуют глубокого и постоянно прогрессирующего понимания геологических условий, а также эффективного обмена результатами с различными заинтересованными сторонами. Решение Seequent Leapfrog Works позволяет решить эти задачи, позволяя пользователям легко комбинировать геологические модели с инженерными проектами для получения подробной аналитической информации и принятия более эффективных решений».
