BIM技術在新鼓山隧道復雜段設計中的應用

■ 戴林發(fā)寶 王春梅 鄧朝輝 王亞飛

BIM技術在新鼓山隧道復雜段設計中的應用

■ 戴林發(fā)寶 王春梅 鄧朝輝 王亞飛

以福平鐵路新鼓山隧道項目為依托，將BIM技術應用于新鼓山隧道進口215 m范圍內隧道復雜段設計，得出BIM技術在隧道復雜段設計中具有以下優(yōu)勢：利用地質三維模型，按照地質三維分布，確定隧道洞口和隧道走向；利用三維開挖工具，建立復雜的洞口開挖模型，可直接利用模型生成土方數(shù)量表；利用BIM的4D技術，一方面可以完成隧道復雜段的施工模擬，另一方面可以檢測出模型自身的問題。

BIM；隧道設計；4D；新鼓山隧道

0 引言

BIM作為一個專門的專業(yè)術語在2002年被提出，此后，全世界工程建設行業(yè)掀起了BIM研究和應用的熱潮。目前BIM的應用價值已經得到政府的高度關注和行業(yè)的普遍認可，更被譽為是建筑業(yè)變革的革命性力量。

《2011—2015 建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》明確指出：加快建筑信息模型（BIM）、基于網絡的協(xié)同工作等新技術在工程中的應用。幾乎是同一時期，清華大學通過研究，參考NBIMS，結合調研提出中國建筑信息模型標準框架，并且將該標準框架分為面向IT的技術標準與面向用戶的實施標準。近期，中國鐵路BIM聯(lián)盟提出工程項目EBS分解和鐵路行業(yè)分類編碼，為鐵路行業(yè)BIM標準的制定踏出了堅實的一步?？梢灶A見，BIM作為建設項目信息的承載體已經沒有太大的爭議。那么，現(xiàn)階段什么樣的項目最適合BIM呢？

BIM的生命力是項目的全生命周期，因此，理論上BIM適用于所有的項目，并能大幅提高生產效率和降低生產成本。目前，由于行業(yè)BIM標準尚未形成，項目不同階段、不同參與方、不同應用軟件之間的信息結構化組織和信息交換共享還難以實現(xiàn)。當前，僅從設計的角度來看，造型復雜、功能復雜或規(guī)模龐大的項目最適合BIM，因為這些項目從可視化、空間表達、協(xié)同工作等各方面都大大超過傳統(tǒng)設計的能力范圍，而BIM為此則提供了前所未有的可能和潛力。鳥巢、上海中心、上海世博館等這些BIM成功應用案例充分證明了這一點。

結合福平鐵路新鼓山隧道復雜段BIM設計，探討B(tài)IM技術在隧道復雜段設計中的應用，并從中得出BIM在隧道設計中的應用方向和潛在優(yōu)勢。

1 工程概況

新鼓山隧道全長8 199 m，其中進口位于福州市東山村東側，距離東山村約400 m，進口里程為DK5+095，隧道分別在DK5+205、DK5+230下穿福州南三環(huán)和機場高速，公路與隧道線位交叉角49°，隧道交叉段落長約140 m。隧道復雜段起點為進口，終止點為DK5+310，全長215 m。

隧址區(qū)進口分布較厚的第四系地層，下伏燕山晚期第一次侵入（γ5a） 花崗閃長巖，以F1斷層形式與侏羅系凝灰熔巖接觸。進口段局部分布人工填土，為道路路基，厚0～3 m；主要為沖洪積卵石土，粒徑60～180 mm，最大厚度大于11 m；丘坡表層為坡殘積粉質黏土厚0．5～4 m。穿越段隧道頂覆土厚度4．1～4．9 m。穿越段均為V級圍巖，為全風化花崗閃長巖?？紫稘撍盎鶐r裂隙水較發(fā)育。下穿段埋深淺，地質差，通過困難較大。

2 隧道復雜段設計

根據(jù)隧道進口地形和工程地質條件，結合開挖邊仰坡的穩(wěn)定性及洞口排水的需要，本著“早進晚出”的原則確定隧道進口位置并采用合理的隧道洞門形式。隧道進口采用斜切式洞門，接55 m長明洞至下穿公路段，明洞段全長75 m。下穿公路段采用加強的支護措施，在DK5+300—310處設置管棚工作井一處，由該工作井處完成向小里程及大里程方向的管棚施工?？傮w結構方案見圖1。

洞口邊仰坡開挖方案：臨時邊坡采用1∶1，永久邊坡采用1∶1．5，仰坡采用1∶1．5。工作井段開挖方案：機場高速的道路標高為44．58 m，取基坑整平地面標高44．5 m。整平地面以上部分采用放坡開挖，邊坡坡率取1∶1．5。開挖后的洞口地形和工作井地形見圖2。

BIM開挖模型建立的過程就是土方計算的過程，因此可以直接通過BIM模型導出土方量，如洞口土方工程量見表1。

下穿公路段設計采用雙層φ127 mm（壁厚7 mm）超前長管棚注漿預支護，管棚段長130 m，環(huán)向間距40 cm，層間距30 cm。利用DK5+170、DK5+300兩處掌子面，管棚雙向對打，搭接不小于5 m，搭接位置位于機場高速的隔離帶下方。注漿過程中控制注漿壓力及速率，加強地表監(jiān)測。洞口側長管棚導向墻采用C25混凝土；掌子面打設玻璃纖維錨桿，玻璃纖維錨桿全下穿段均設置。下穿段隧道襯砌采用加強的雙層初支襯砌同時采用HW175型鋼全環(huán)鋼架并對二襯進行加強設計。隧道通過地段為圍巖較差的Ⅴ級圍巖，上方為南三環(huán)和機場高速道路，為了確保安全，控制地表沉降，本段施工采用雙側壁導坑法，進尺為0．6 m。

工作井段垂直圍護方案：整平地面以下采用φ800 mm@1 000 mm鉆孔樁，樁長為18．5 m；鉆孔樁采用水下C30混凝土；樁頂冠梁截面為1 000 mm×1 000 mm，冠梁采用C30混凝土；第一道支撐截面采用800 mm×1 000 mm，支撐倒角為300 mm，采用C30混凝土；混凝土圍檁截面為800 mm×1 000 mm，采用C30混凝土；第二道支撐截面采用800 mm×1 000 mm，支撐倒角為300 mm，采用C30混凝土；混凝土板撐厚度采用400 mm；第三道支撐采用型鋼支撐，型鋼采用HN400×200；支撐與圍護樁之前采用鋼圍檁連接，鋼圍檁采用56a雙拼工字鋼。垂直圍護方案見圖3。

3 隧道復雜段4D分析

傳統(tǒng)的施工模擬，采用繪制施工工序圖的方法，這種方法對于簡單的結構，設計表達清晰，能夠完成預期的目的。但是對于較復雜的結構，如本項目隧道進口工作井段落，設計內容包括基坑、圍護結構、護拱、導向墻、大小里程方向管棚、隧道初期支護、二次襯砌，施工順序較復雜，僅采用施工工序圖，無法表達清楚，而且無法將施工的進程與時間關聯(lián)在一起。

本項目借助BIM技術，通過動態(tài)施工模擬和模型自動剖分生成的施工工序圖，準確表達構件在施工過程中的時間和空間狀態(tài)。施工模擬動畫截屏見圖4。

工作井處涉及構件眾多，按照原設計，第二道支撐和第三道支撐的設置與導向墻的設置存在一定的干涉。通過漫游BIM模型，可以清晰得到干涉的位置（見圖5）。通過對支撐位置的調整設計，避免沖突。

4 結論

以新鼓山隧道為項目依托，研究了新鼓山隧道復雜段，包括洞門、明洞、下穿公路段、工作井段的BIM設計，在隧道復雜段設計中具有以下一些優(yōu)勢：

（1）利用地質三維模型，按照地質三維分布，確定隧道洞口和隧道走向。

（2）利用三維開挖工具，建立復雜的洞口開挖模型，而且可以直接利用模型生成土方數(shù)量表。在傳統(tǒng)的設計中，洞口開挖線的繪制帶有一定的隨意性，往往不準確，而土方數(shù)量的計算與現(xiàn)實施工差別也較大。

（3）利用BIM的4D技術，一方面可以完成隧道復雜段的施工模擬，另一方面可以檢測出模型自身的問題，如隧道凈空或構件的沖突等。

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戴林發(fā)寶：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，工程師，湖北 武漢，430063

王 春 梅： 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，教授級高級工程師，湖北 武漢，430063

鄧 朝 輝： 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，高級工程師，湖北 武漢，430063

王 亞 飛： 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，高級工程師，湖北 武漢，430063

責任編輯 苑曉蒙

U459.1 ；TP319

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1672-061X（2015）06-0077-03