大瑞鐵路路基工程BIM連續(xù)壓實(shí)技術(shù)的成果應(yīng)用

摘 要：以大瑞鐵路某標(biāo)段路基施工采用BIM連續(xù)壓實(shí)技術(shù)為例，分析在復(fù)雜地質(zhì)下路基連續(xù)壓實(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，為下一步BIM技術(shù)的大面積推廣提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：路基施工；BIM連續(xù)壓實(shí)；復(fù)雜地質(zhì)；壓實(shí)傳感器

中圖分類號(hào)：U213.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.026

1 背景闡述

1.1 BIM系統(tǒng)關(guān)于鐵路施工連續(xù)壓實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

BIM的全稱為Building Information Modeling，也就是建筑信息模型。這是一種新興的建筑技術(shù)，將工程主體用計(jì)算機(jī)建模，進(jìn)而模擬分析整體工程?，F(xiàn)階段，BIM技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用尚處于探索階段。隨著中國(guó)鐵路總公司對(duì)在建項(xiàng)目的安全、質(zhì)量、投資、工期和環(huán)境等要求的逐步提高，將BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路設(shè)計(jì)領(lǐng)域是必然趨勢(shì)。

在鐵路工程建設(shè)中，雖然路基工程不及隧道工程、橋梁工程復(fù)雜，但它在項(xiàng)目總長(zhǎng)度中所占的比例卻是最大的。而路基填筑是路基工程中必不可少的一項(xiàng)工序，路基填筑連續(xù)壓實(shí)則是鐵路路基施工中極其重要的環(huán)節(jié)，是保證鐵路工程項(xiàng)目路基質(zhì)量的關(guān)鍵。在施工過程中，采用傳統(tǒng)的路基填筑連續(xù)壓實(shí)施工方法檢測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的路基壓實(shí)度時(shí)，存在取樣周期長(zhǎng)、頻率高、工作量大的問題。這些問題嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，造成了巨大的人力、物力和經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)這些問題，本文提出了一種利用BIM模型的路基壓實(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路基壓實(shí)的自動(dòng)采樣、處理、一體化模擬展示和管理，避免人工干預(yù)，加快路基的施工效率，減小誤差，提高檢測(cè)精度，為BIM系統(tǒng)在我國(guó)以后的鐵路工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支持和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1.2 鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)

圖1 BIM系統(tǒng)應(yīng)用周期

現(xiàn)階段，我國(guó)各大設(shè)計(jì)院正加緊開展鐵路三維設(shè)計(jì)與BIM技術(shù)的應(yīng)用研究工作。經(jīng)過對(duì)BIM系統(tǒng)理論的深入研究和探討發(fā)現(xiàn)，不同于成熟的建筑、水電行業(yè)BIM系統(tǒng)應(yīng)用，我國(guó)鐵路行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用還處于起步階段，但鐵路行業(yè)已經(jīng)意識(shí)到BIM應(yīng)用和發(fā)展的必要性。中國(guó)鐵路總公司于2013-05召集各大鐵路設(shè)計(jì)單位召開了“鐵路勘察設(shè)計(jì)BIM應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)”，專題討論了“如何在鐵路勘察設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM技術(shù)”，為BIM系統(tǒng)日后的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，研討會(huì)還同步立項(xiàng)“鐵路工程建設(shè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究”科研課題。本文以路基連續(xù)壓實(shí)技術(shù)和BIM系統(tǒng)為例，進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析。

鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)BIM技術(shù)的應(yīng)用具備以下特點(diǎn)：數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)調(diào)性、可操作和全過程等。其應(yīng)用周期可描述為模型創(chuàng)建、工程分析、圖紙表達(dá)、施工組織、施工建造和管理等模塊，具體如圖1所示。

1.3 大瑞鐵路工程概況和BIM試點(diǎn)地質(zhì)情況簡(jiǎn)介

由云桂公司建設(shè)，中鐵三局承建的新建大理至瑞麗鐵路工程項(xiàng)目保山至瑞麗段第5標(biāo)段起訖里程D1K227+500～D3K287+296.088（邦滇大橋保山臺(tái)尾），正線長(zhǎng)度45.333 km，主要施工內(nèi)容為：路基17.675 km，橋梁8 074.7延長(zhǎng)米/32座，涵洞3 153.71橫延米/101座，隧道19.583 km/8座，無砟道床13.1 km，車站4座。

芒市DK253+450～DK253+684.09段是BIM系統(tǒng)的試驗(yàn)工點(diǎn)之一，該段路基長(zhǎng)234.09 m，線路以路堤通過，中心填方的最大高度將達(dá)到7.15 m左右。該段為粉質(zhì)黏土表層，其下層有1～5 m的厚軟土，再下層依次為泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層。

地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶裂隙水，地下水水位埋深1～4 m。地下水多為HCO3-/Cl-/Na+/型水，水中酸性侵蝕，侵蝕性CO2對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕等級(jí)為H1。Mg2+/SO32-/及Cl-/對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)無侵蝕性，但是，該地區(qū)含煤系地層，地下水中的SO42-/對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)為H1。該地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

按照平面設(shè)計(jì)圖所示范圍，基底采用直徑為50 cm的水泥攪拌樁加固，樁位按正三角形布置，每根樁的間距為1.1 m。水泥攪拌樁檢測(cè)合格后，在樁頂鋪設(shè)0.6 m厚的碎石墊層，并且設(shè)置2層80 kN/m的土工格柵加固。

2 路基BIM的理論基礎(chǔ)

2.1 路基連續(xù)壓實(shí)原理和技術(shù)簡(jiǎn)介

連續(xù)壓實(shí)是利用壓路機(jī)壓輪上的傳感器由震動(dòng)產(chǎn)生的傳輸信號(hào)的變化程度來反映壓實(shí)效果的一種方法。這項(xiàng)控制系統(tǒng)最早由瑞典人提出，并在歐洲路基施工中實(shí)踐了30多年，但其規(guī)范化應(yīng)用則是1990年在奧地利推廣，隨后德國(guó)、瑞典、瑞士也加入了標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的使用連續(xù)壓實(shí)技術(shù)的行列中。隨著路基壓實(shí)工點(diǎn)建設(shè)數(shù)量的增加，此項(xiàng)技術(shù)也逐漸得到了發(fā)展。

2.2 路基連續(xù)壓實(shí)的數(shù)學(xué)模型

現(xiàn)實(shí)問題往往復(fù)雜多變，求解起來十分困難，但利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行合理假設(shè)簡(jiǎn)化，建立模型，便能得出可以接受的近似解。將傳感器的離散數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，可得到如圖2（a）、圖2（b）所示的直線數(shù)據(jù)和曲線數(shù)據(jù)。下面，筆者將介紹一種新型自動(dòng)網(wǎng)格劃分計(jì)算方案，以有效避免傳統(tǒng)網(wǎng)格劃分造成的鋸齒數(shù)據(jù)所帶來的誤差問題。

如圖3所示，規(guī)定網(wǎng)格編號(hào)從小里程到大里程依次增加，X方向編號(hào)由里程表示，Y方向編號(hào)由一般點(diǎn)到鐵路中線的距離表示。圖中實(shí)線為路基邊界，虛線為路基中線。設(shè)鐵路中線上有Y=f（X）的關(guān)系，路基內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的面積為C，任意一點(diǎn)P的網(wǎng)格編號(hào)坐標(biāo)為：

式（1）中：D0為P點(diǎn)里程；F0為P點(diǎn)與中線間的距離。

中線上任意一點(diǎn)的里程為：

當(dāng)P點(diǎn)不在路基中線上時(shí)，可利用中線上鄰近P點(diǎn)處的Q點(diǎn)計(jì)算P點(diǎn)里程。根據(jù)PQ間的距離d計(jì)算P點(diǎn)到中線的距離F0，如圖4所示。離散后的Q點(diǎn)中線坐標(biāo)為Y=f（X），則式（2）可變?yōu)椋?

化簡(jiǎn)式（3）后可得：

Pi為中線上離散后的點(diǎn)，即該點(diǎn)編號(hào)。當(dāng)P點(diǎn)位于PiPi-1區(qū)間內(nèi)，計(jì)算PiPi-1上與P點(diǎn)最近的點(diǎn)S，梯形LiLi-1RiRi-1為PiPi-1的里程區(qū)間。LiLi-1，RiRi-1和PiPi-1這3條線兩兩平行，Li-1Ri-1，LiRi分別為角平分線，Qi-1Qi過P點(diǎn)并與中線平行，則S點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式（5）中：dp為P點(diǎn)到Pi-1Pi的距離；d為路基邊界到中線的距離；Nor為單位化向量；|Qi-1P|和|Qi-1Qi|為兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度。

根據(jù)式（5）可得出D0、F0的值，即：

將式（6）代入式（1）中便可計(jì)算出壓實(shí)點(diǎn)的網(wǎng)格編號(hào)。利用此網(wǎng)格編號(hào)的數(shù)據(jù)便可以建立BIM模型，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的BIM網(wǎng)格的過程本文不再贅述，相關(guān)文獻(xiàn)已有說明。

3 BIM系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 路基智能連續(xù)壓實(shí)的主要硬件

該系統(tǒng)采用GNSS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，能夠隨時(shí)同步獲得壓路機(jī)壓輪的三維位置和姿態(tài)信息。工作時(shí)，壓力傳感器將壓輪的振動(dòng)信息以圖形和數(shù)值的方式傳輸?shù)诫娔X上。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后便可顯示出工作面的碾壓次數(shù)和效果等信息，同時(shí)，顯示出的壓路機(jī)前進(jìn)方向、速度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度信息，將其反饋給壓路機(jī)操作手，以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

該系統(tǒng)主要設(shè)備為CB460控制箱、CM310壓實(shí)傳感器、SNR數(shù)傳電臺(tái)、SNM940無線網(wǎng)關(guān)、MS992接收機(jī)和AS400坡度傳感器。

3.2 壓實(shí)傳感器工作原理

在實(shí)際工作中，將振動(dòng)壓實(shí)傳感器安裝在鋼輪軸線上，將實(shí)時(shí)采集的振動(dòng)信號(hào)傳輸給電腦。當(dāng)路基土體比較松散時(shí)，振動(dòng)信號(hào)為正弦曲線，如圖5所示，接收頻率只有基波信號(hào)；當(dāng)土體經(jīng)過幾次壓實(shí)后，接收到的信號(hào)將產(chǎn)生畸變，如圖6所示，接受頻率也將產(chǎn)生2次諧波，用2次諧波分量（A2）與基波分量（A0）的比值來反映路基土體的壓實(shí)效果。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)操作方法

連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)采用平碾方式對(duì)整個(gè)路基段進(jìn)行碾壓量測(cè)，振動(dòng)壓路機(jī)相鄰碾壓輪跡的重疊寬度不大于10 cm，振動(dòng)壓路機(jī)行駛在路基壓實(shí)段區(qū)間時(shí)采集信號(hào)數(shù)據(jù)，壓路機(jī)在路基兩端轉(zhuǎn)向掉頭時(shí)不采集信號(hào)。連續(xù)壓實(shí)的校驗(yàn)結(jié)果包含碾壓面壓實(shí)狀態(tài)分布圖和每一碾壓輪跡的振動(dòng)壓實(shí)曲線。每種壓實(shí)狀態(tài)區(qū)域內(nèi)的檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)輪跡振動(dòng)壓實(shí)曲線安裝振動(dòng)壓實(shí)值低、中、高3種情況，在振動(dòng)壓實(shí)曲線變化平緩位置選取數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

3.4 壓實(shí)結(jié)果校驗(yàn)

檢測(cè)結(jié)果由振動(dòng)壓實(shí)值與常規(guī)質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)、線型回歸模型和目標(biāo)振動(dòng)壓實(shí)值組成。振動(dòng)壓實(shí)值與常規(guī)質(zhì)量驗(yàn)收制表之間的相關(guān)系數(shù)要大于0.7，振動(dòng)壓實(shí)值應(yīng)采用線性回歸模型，如圖7所示。根據(jù)常規(guī)質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)的合格值，確定目標(biāo)振動(dòng)壓實(shí)值計(jì)算公式為：

式（7）中：[VCV]為目標(biāo)振動(dòng)壓實(shí)值；a，b為回歸系數(shù)；[x]為現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定的常規(guī)質(zhì)量驗(yàn)收合格值。

路基壓實(shí)檢驗(yàn)可從壓實(shí)強(qiáng)度分布、壓實(shí)狀態(tài)分布、壓實(shí)均勻性分布3個(gè)方面體現(xiàn)出來。在實(shí)際工作中，可根據(jù)分布圖分析壓實(shí)薄弱區(qū)域，檢測(cè)薄弱區(qū)域來控制整體壓實(shí)效果，具體如圖8、圖9、圖10所示。

對(duì)比大瑞鐵路連續(xù)壓實(shí)段DK253+450～DK253+684.09路基基床以下路堤、基床地層填筑傳統(tǒng)檢測(cè)儀BIM系統(tǒng)連續(xù)壓實(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1、表2所示。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)分布圖和表格的綜合對(duì)比情況可得出BIM系統(tǒng)路基連續(xù)壓實(shí)效果，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的預(yù)期值。至此可以認(rèn)為，將BIM連續(xù)壓實(shí)技術(shù)用于大瑞鐵路本段路基連續(xù)壓實(shí)是可靠可用的。BIM路基連續(xù)壓實(shí)技術(shù)可以利用信息化手段提高監(jiān)控強(qiáng)度，加快生產(chǎn)效率，縮短工序時(shí)間，減少人力、物力資源的浪費(fèi)。大瑞鐵路工程項(xiàng)目地處云南地區(qū)活動(dòng)斷裂帶，地質(zhì)情況比較差，施工難度比較大，風(fēng)險(xiǎn)性高。該段采用BIM系統(tǒng)路基連續(xù)壓實(shí)技術(shù)，比使用傳統(tǒng)方法更快地完成了路基填筑的施工工序，其應(yīng)用結(jié)果令人滿意，為我國(guó)鐵路在信息化技術(shù)的應(yīng)用提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但是，在此過程中，鑒于機(jī)械、氣候、地質(zhì)環(huán)境等方面的影響，廣泛推廣該技術(shù)還需要更多的研究試點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：宋晃（1984—），男，四川南部人，工程師。

〔編輯：白潔〕