基于BIM 技術的仿真模擬在地鐵暗挖隧道施工中的應用

尹 龍 王啟光 路耀邦

(1.中鐵隧道勘測設計研究院，洛陽 471009;2.河南理工大學土木工程學院，焦作 454000)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展和城市化的不斷提高，越來越多的城市需要修建城市地鐵來緩解交通擁堵的壓力［1］，而我國是一個多山的國家，特殊的國情造成了很多城市，尤其是南方以及西部地區(qū)的暗挖隧道施工中需要穿越大的山體或者重要建筑物，隧道所經(jīng)過的地表起伏不一、施工區(qū)間工作面長、工程質量要求高的特點，在實際的施工中需要結合實際情況隨時進行調整。

以往的技術人員大多是憑借工程類比法［2］，依靠自己的施工經(jīng)驗進行組織設計、編排各車站及區(qū)間的施工工藝和進度安排，這種方法不僅費時費力，最主要是人為因素比較強，缺乏定量的數(shù)據(jù)支撐，所以就需要轉變傳統(tǒng)的是施工思路，通過建筑信息模型(Building Information Modeling，簡稱BIM)的應用，將仿真模擬技術應用于施工各個環(huán)節(jié)，通過進行建模分析來改善施工現(xiàn)狀，滿足地下工程施工要求，為科學利用城市地下空間并解決上述問題提供了可能。

2 仿真模擬技術的應用現(xiàn)狀

仿真模擬技術［3］(Simulation Technology)是以相似理論、數(shù)學模型、信息技術等與計算機技術多種專業(yè)技術為依托，借助于仿真模型，對真實工程情況進行的模擬過程。仿真模擬憑借其可控制、節(jié)約、高效和可重復的特點，日益成為目前最為經(jīng)濟有效的技術手段。

20 世紀70 年代，Halpin［4］首次提出了循環(huán)網(wǎng)絡仿真技術(Cycle Operation Network，CYCLONE)，張利［5］在總結了虛擬施工技術在國內外的工程應用實踐情況的基礎上，通過對實際施工過程進行計算機模擬和分析時總結歸納了虛擬施工的概念，提出通用化系統(tǒng)開發(fā)模型。柳娟花［6］則通過軟件建模與結合相關平臺的方式，對仿真模擬進了研究，成功實現(xiàn)了可視化管理和碰撞檢查功能，解決了實際工程需求的問題。結合引水隧洞的爆破開挖，張靜［7］進行了CFD 數(shù)值模擬分析和通風仿真模擬的施工優(yōu)化方案技術風險預警的研究，胡連興［8］重點研究了施工全過程仿真優(yōu)化和進度控制關鍵技術。黃地龍［9］提出以地質勘探為基礎，通過地質建模的方式進行計算機仿真虛擬隧道開挖，成功揭示了隧道圍巖變化特征并實現(xiàn)了災害風險預警。蔣愛明［10］則從技術管理的角度入手，研究了仿真模擬的特點和應用，改進了工程管理的工藝流程。在這些研究與探索基礎上，仿真模擬技術作為BIM 技術的一個重要應用也開始引入隧道施工中去，如:國道304 線上的阿拉坦隧道、寶雞市石鼓山隧道、福州市新鼓山隧道等都取得了部分成果。

3 工程概況

重慶地鐵五號線大龍山站TBM 接收井～大石壩車站間隧道左線長430.954m、右線長430.639m，均采用鉆爆法施工，區(qū)間除YCK24 +179～YCK24 +245.541 道岔段、YCK23 +931.412～YCK24 +179 停車線段為單洞雙線隧道，其余段落均為單洞單線隧道，平面示意圖如圖1 所示。區(qū)間以紫紅色、暗紅色泥巖，粉質砂巖為主，夾青灰色、灰白色中厚至厚層狀砂巖，從上而下依次為第四系全新覆蓋層(Q4ml)、殘坡積層(Q4el+dl)和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)沉積巖層。區(qū)間隧道地質縱斷面圖如圖2 所示。

圖1 TBM 接收井～大石壩車站區(qū)間隧道平面布置示意圖

4 仿真模擬技術在暗挖隧道施工中的應用

4.1 模型構建

仿真模擬技術的實現(xiàn)必須是建立在三維模型基礎上，利用CATIA 強大的建模平臺，構建區(qū)間三維地質模型、隧道模型、開挖模型以及隧道施工中相關配套輔助設備模型。結合現(xiàn)有的施工方案，利用DELMIA 將CATIA 建立的三維模型進行拆分，在計算機上進行虛擬演示，項目開工前，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，進而對現(xiàn)場的施工組織及方案進行優(yōu)化。

圖2 TBM 接收井～大石壩站區(qū)間隧道地質縱斷面圖

4.1.1 三維地質模型

地質模型是構建區(qū)間隧道模型的基礎，在此基礎上規(guī)劃場地布置、選取開挖點和方向、規(guī)劃路線，進而實現(xiàn)對隧道所穿越的地質情況有一個整體把握。根據(jù)前期地質勘探和規(guī)劃設計，將CAD 圖紙中的區(qū)間地形等高線數(shù)據(jù)先處理成(asc)格式，其次在CATIA 的“Digitized Shape Editor”模塊中，對初始點云數(shù)據(jù)進行處理，應用Mesh 面創(chuàng)建命令創(chuàng)建地形網(wǎng)格面，最后，配合拉伸功能將其地質縱剖面、各巖層產(chǎn)狀和其它構造信息通過智能推演，生成與地質勘探同精度的三維地質模型。TBM 接收井～大石壩區(qū)間地質模型如圖3 所示。

4.1.2 隧道模型構建

隧道建模工作主要包括骨架繼承、草圖繪制和開挖支護模型的建立。

(1)骨架繼承

在前期建立三維地質模型的基礎上，根據(jù)地質情況、斷面大小、開挖方法等因素將三維線路繼承并截取區(qū)間線路，最終得到隧道的二級骨架。

(2)草圖繪制

為了配合建模的需要，在CATIA 零件的設計模塊中，結合隧道內的凈空、列車大小、車速等要求限制，繪制相應的輪廓草圖。道岔區(qū)間二襯輪廓草圖如圖4 所示。

(3)模型建立

草圖繪制完畢后退出工作臺狀態(tài)，進入三維狀態(tài)下利用CATIA 的拉伸、旋轉、挖槽、倒圓角、偏移等功能命令生成隧道的三維實體。道岔區(qū)間洞身支護模型如圖5 所示。

4.1.3 隧道開挖模型

根據(jù)TBM 接收井～大石壩站鉆爆法施工方案，在區(qū)間地質模型基礎上，按照設計圖紙進行仿真模擬開挖。道岔區(qū)間施工時先挖左側導洞(分上下臺階施工)，后挖右側導洞，上臺階開挖高度約8.4m，并及時施作初期支護和臨時支護結構，在初期支護和臨時支護的保護下，逐層開挖核心土臺階至基底，然后進行仰拱、二襯施工。二次襯砌緊隨核心土開挖及初期支護施工，拱墻襯砌與核心土步距一般情況下不超過30m。

區(qū)間左、右線按照先施工右線單洞雙線，再施工左線單洞單線順序構建開挖模型。右線單洞雙線段采用中壁法，模擬時先挖右側導洞，后挖左側導洞，導洞按正臺階法施工，并及時施作初期支護結構，在初期支護的保護下，逐層開挖模型臺階至基底，并進行仰拱或底板的施工。左洞單洞單線采用微臺階，并加強支護，同時采用超前支護措施，開挖臺階長度不大于5m。左右線之間的掌子面錯開距離宜控制在15m 以上。

4.1.4 隧道施工機械及相關輔助設備模型構建

建立隧道施工機械(挖掘機、裝載機、渣土車等)及相關輔助設備(通風機、給排水水管、配電箱等)模型，在后期施工模擬中配合爆破、開挖、出渣等一系列的仿真環(huán)節(jié)，達到真正細化到每個工藝的虛擬施工技術要求，增強隧道施工方案模擬的真實性，使模擬效果更加逼真。仿真模擬中使用的部分機械模型如圖6 所示。

4.2 仿真模擬技術在不同施工階段中的應用

模型建立后，將其導入到DELMIA 軟件中，按照現(xiàn)有施工組織設計要求，對隧道模型進行拆分，附加時間屬性，對隧道施工流程、關鍵部位、復雜節(jié)點進行模擬，在項目開工前，明確施工中的重難點，發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，優(yōu)化施工方案，并對現(xiàn)場人員、機械、材料等作出合理規(guī)劃。

4.2.1 施工組織設計階段

仿真模擬技術在施工設計階段的應用，主要體現(xiàn)在方案的模擬上。針對整個施工組織，首先，判斷先期規(guī)劃的合理性，并對后期順利竣工提出建議，使整體能夠達到最佳設計的目的，其次，利用模型的可視化特點，方便業(yè)主、施工和設計三方進行溝通交流，減少溝通障礙，最后，根據(jù)區(qū)間隧道安全專項施工方案配合仿真模型的可視化展示，對隧道進行功能上的分析，如:對隧道出入口的位置、地鐵車輛的調度運行等優(yōu)化處理。

4.2.2 施工培訓階段

在虛擬環(huán)境中對施工人員進行培訓是一種新穎的培訓方式，這種開工前的培訓減輕了對于場地、天氣、設備的依賴性，節(jié)約培訓成本，提高培訓效果。使施工人員在開工前對所建項目有所認知，提前熟悉施工流程，便于項目組織管理，提高施工質量。

(1)關鍵技術及施工工藝學習

通過觀看施工方案的模擬過程，了解工藝要點。首先，從整體到局部、不斷調整觀察位置和角度來形象化的展示三維模型，使技術人員、現(xiàn)場工人逐步對所建工程在感官上有所認識;其次，對工程的復雜工序、關鍵部位的施工過程進行演示，使現(xiàn)場人員明白先施工什么后施工什么，避免因盲目施工而引起返工。圖7 為區(qū)間隧道的整體效果圖，圖8 為道岔區(qū)間與左右線轉換部位的局部效果圖，圖9 為道岔區(qū)間與左右線轉換位置處，道岔區(qū)間施工時的臨時支撐。

(2)危險區(qū)域劃分

在施工方案動態(tài)模擬過程中，對不同施工階段和區(qū)域進行危險概率估計和等級劃分，并以紅、黃、綠三種顏色表示不同危險等級，提示現(xiàn)場人員什么時候正常施工、謹慎施工、禁止施工。如:在進行爆破作業(yè)時，爆炸區(qū)域為紅色區(qū)域，人員應暫時躲避到綠色區(qū)域等待爆破結束、現(xiàn)場檢查確認慎施工，注意安全。

4.2.3 現(xiàn)場實施階段

隧道施工是一個由爆破、通風、出渣等工序組成的反復循環(huán)過程，且每道工序的作業(yè)時間是動態(tài)變化的，這就造成了在實際開挖中不可避免的出現(xiàn)窩工情況，一旦出現(xiàn)就會造成局部施工拖延，甚至還會影響其他部位的施工作業(yè)，拖延整個工期。如果僅是依靠設計人員采用傳統(tǒng)的方法進行計算，很難根據(jù)實際作業(yè)情況制定合理的施工進度計劃和施工組織方案。

圖10 道岔段初支、二襯施工工藝拆分圖

基于達索的DELMIA 軟件，將靜態(tài)的三維隧道模型，按照預排的施工組織計劃，加入時間維度變成四維動態(tài)模型，利用該模型對各個施工工序進行拆分、展示。如:對鉆孔爆破、通風排煙、裝載出渣、圍巖支護等工序在時間以及空間關系進行模擬。道岔區(qū)間段初支、二襯的施工過程拆分如圖10 所示，圖11 為單洞雙線段初支、二襯施工工藝拆分圖。通過將各個施工過程的拆分、動態(tài)展示，真正地將施工方案及施工組織計劃在計算機上進行演示，由此發(fā)現(xiàn)施工中存在的時間及空間中存在的沖突，不斷優(yōu)化區(qū)間隧道初支、二襯中的施工工序。優(yōu)化后的TBM 接收井～大石壩站區(qū)間段隧道施工的橫道圖如圖12 所示。開工后，按照此計劃進行安排施工，現(xiàn)場證明是合理的。

圖11 單洞雙線段初支、二襯施工工藝拆分圖

圖12 TBM 接收井～大石壩站區(qū)間段隧道施工的橫道圖

5 建議

本文研究主要針對隧道的施工階段，在工程完工后，還可以通過仿真模擬技術為運營管理提供其他幫助。例如:利用仿真模擬有效的安排人員出入、買票候車，通過對車站內濕度、溫度、二氧化碳濃度等進行模擬，保證人員健康舒適，還可對突發(fā)緊急狀況進行仿真演練，找到最佳逃生路線和處理方案。

6 總結

仿真模擬為BIM 技術的一個典型應用，在模型構建的基礎上，本文將其在施工組織、培訓和現(xiàn)場實施等階段進行應用，優(yōu)化了施工方案及現(xiàn)場施工組織，實現(xiàn)對施工過程的事前控制和動態(tài)管理，為項目管理者的決策提供依據(jù)，降低施工風險、提高了項目管理水平。隨著仿真模擬技術的不斷發(fā)展，其將會在的設計、運營、維護階段得到展現(xiàn)，現(xiàn)行的施工模式將會發(fā)生改變，為此我們仍需要不斷的努力，推動仿真模擬在地鐵建設全生命周期里的全面發(fā)展。

［1］梁寧慧，劉新榮，曹學山等.中國城市地鐵建設的現(xiàn)狀和發(fā)展戰(zhàn)略［J］.重慶大學學報，2008.30(6):81-85.

［2］蔣樹屏，劉元雪，謝峰等.重慶市朝天門兩江隧道越江段盾構法合理覆蓋層厚度研究［J］.巖石力學與工程學報，2007.26(6):1188-1193.

［3］鄭亞文.虛擬仿真技術在建筑施工中應用研究［J］.施工技術，2009.38(12):114-117.

［4］D.H Halpin，CYCLONE－ Method for modeling of job site Processes，J.Constr.Div，ASCF，1997，103(3):489-499.

［5］張利，石毅.虛擬施工技術應用實踐和研究開發(fā)展望［J］.工業(yè)建筑，2003(11):49-51.

［6］柳娟花，李艷妮.基于BIM 的虛擬施工技術應用探究［J］.電腦知識與技術，2011.7(29):7266-7268.

［7］張靜.引水隧洞施工通風模擬分析與施工方案優(yōu)化研究［D］.天津大學，2007

［8］胡連興.復雜長距離引水隧洞群施工全過程仿真優(yōu)化與進度控制關鍵技術研究［D］.天津大學，2012

［9］黃地龍，鄧飛，唐云.虛擬現(xiàn)實技術在隧道開挖工程中的應用［J］.計算機科學，2013.40(6A):377-380.

［10］蔣愛明，黃蘇.BIM 虛擬施工技術在工程管理中的應用［J］.施工技術，2014.43(15):86-89.