基于BIM的地鐵盾構(gòu)施工信息管理

范斌

摘? ? 要：盾構(gòu)法是一種在地下挖掘隧道的施工方法，在城市的地下鐵路、電力通訊、上下水道和市政設(shè)施等得到了廣泛的使用，尤其在地鐵的隧道中使用的非常頻繁。盾構(gòu)法雖然有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但由于不同城市的地理環(huán)境與軌道網(wǎng)絡(luò)的不同，使得盾構(gòu)結(jié)構(gòu)也要做出相應(yīng)的改變調(diào)整，特別是在穿過地面建筑物的時候，對施工的技術(shù)有著很高的考驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：BIM;B/S架構(gòu);盾構(gòu)施工信息管理;系統(tǒng)研發(fā)

1? 引言

盾構(gòu)法在地鐵領(lǐng)域的施工應(yīng)用的比較廣泛，但還是有著很多的技術(shù)難點(diǎn)需要攻破，例如地鐵盾構(gòu)始發(fā)裝置的組裝以及拆除等，需要通過相應(yīng)的設(shè)計(jì)比選，來形成出一套施工速度快、安全性能更高的組裝與拆除反力架等裝置的施工方法，讓施工技術(shù)更加的具有先進(jìn)性、科學(xué)性與實(shí)用性盾構(gòu)法的核心施工設(shè)備是盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)在施工過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，如掘進(jìn)、管片拼裝以及管片物流等，由于隧道，尤其是城市地下隧道，施工環(huán)境具有高度的復(fù)雜性和不確定性，地質(zhì)參數(shù)、盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)、隧道設(shè)計(jì)參數(shù)等數(shù)據(jù)組成的信息集，共同描述了當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)的施工狀態(tài)，是決定整個隧道工程安全、質(zhì)量、成本和工期的關(guān)鍵信息。鑒于盾構(gòu)機(jī)操作的高度復(fù)雜和服役環(huán)境的極端苛刻，充分利用這些數(shù)據(jù)成為保證盾構(gòu)正常工作和防范風(fēng)險的重要手段。如何更好地采集、傳輸、儲存和使用這些數(shù)據(jù)，將隧道信息轉(zhuǎn)化成施工智能，以指導(dǎo)盾構(gòu)施工以及規(guī)避風(fēng)險，成為了地鐵工程參建各方亟待解決的難題。

2? 地鐵盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)的難點(diǎn)分析

在工程初始階段，需要將盾構(gòu)機(jī)組進(jìn)行組裝調(diào)試，對于反力架的穩(wěn)定性、端頭加固的質(zhì)量和地層地表的檢測等多方面都要注意，其中存在著較多的施工難點(diǎn)。

2.1? 端頭加固質(zhì)量的控制

盾構(gòu)在洞門維護(hù)的結(jié)構(gòu)被拆除后，需要頂在掌子的面前，要對加固體進(jìn)行同步的二次注漿，確保端頭的整體穩(wěn)定性，因此要保證端頭的加固質(zhì)量。

2.2? 對始發(fā)姿態(tài)的定位

盾構(gòu)的執(zhí)法狀態(tài)是不能進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整的，始發(fā)的基座要進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，保證盾構(gòu)姿態(tài)能夠符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。要確保反力架的穩(wěn)定性，從而提高負(fù)環(huán)拼接的效率。

2.3? 對地層地表的檢測與設(shè)備的熟練操作

不同的地質(zhì)環(huán)境有著大同小異的施工方法，要在施工前對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境、地層地表等信息調(diào)查清楚，盡可能的減少時間成本，提升工作的效率。盾構(gòu)選型要始終的把地質(zhì)因素放到首位。一旦確定選型的完成后，就要完全的按照所確定下來的地層與設(shè)備的認(rèn)識，來進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)的選擇、渣土的改良等措施。

3? 洞口維護(hù)的結(jié)構(gòu)鑿除

在完成了端頭的加固后，還需要對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行組裝，要確認(rèn)洞門維護(hù)結(jié)構(gòu)，利用打探孔來對前方的地質(zhì)條件有一個初步了解，在確認(rèn)了周圍的地層表不會滲水后，才可以進(jìn)行下一步的操作。對于一些發(fā)現(xiàn)的問題，例如加固的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、地質(zhì)出現(xiàn)缺陷等情況，要及時的做出補(bǔ)救措施。對洞門維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除的時候，一定要把握好時機(jī)，對吊裝的空間、能力等進(jìn)行合理的分塊，在外圍的維護(hù)樁破除之后，要根據(jù)斷土層的暴露時間以及穩(wěn)定性來決定是否需要噴漿加固處理。另外，在地鐵盾構(gòu)始發(fā)前還要對洞門的凈空尺寸進(jìn)行測量，確保在設(shè)計(jì)的輪廓范圍內(nèi)沒有鋼筋混凝土的侵入。

4? 盾構(gòu)施工信息模型的建立

在對獲取到的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類的基礎(chǔ)上，本節(jié)分別構(gòu)建地質(zhì)空間模型、隧道結(jié)構(gòu)模型、盾構(gòu)機(jī)模型。（1）地質(zhì)空間地質(zhì)空間模型包括兩部分：土層和地下水。土層模型通常是根據(jù)地質(zhì)勘探的圖紙，建立包含各土層序列的三維模型，然后為每層土指定相應(yīng)的土壤和水文參數(shù)等語義信息。另外，沉降數(shù)據(jù)也將整合至土層模型的表層，建筑物和江水的三維幾何數(shù)據(jù)和位置信息，可以使用GoogleEarth等地理信息采集軟件，輔以人工實(shí)地勘探獲取。使用可視化的模型對于沉降評估是非常有效的方法。地下水模型則是基于地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個地下水位、水頭隨時間變化的動態(tài)模型，為基于BIM的土力學(xué)工程數(shù)值計(jì)算，提供雙重選擇，即：水土合算的總應(yīng)力法和更為符合工程實(shí)際的有效應(yīng)力法。（2）隧道結(jié)構(gòu)盾構(gòu)法施工的隧道結(jié)構(gòu)，除了始發(fā)/接收工作井外，預(yù)制管片拼裝成的隧道是結(jié)構(gòu)主體，因此在建立隧道模型前，首先創(chuàng)建管片環(huán)模型。一環(huán)完整的管片，通常是由一塊封頂塊、兩塊鄰接塊和若干塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成。每一環(huán)管片都與其內(nèi)外徑、厚度、環(huán)寬、材質(zhì)等語義信息關(guān)聯(lián)。

5? 數(shù)據(jù)管理模塊

模型數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、導(dǎo)入、保存、管理和維護(hù)由數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)。本系統(tǒng)提供了項(xiàng)目數(shù)據(jù)導(dǎo)入的三條途徑，用于處理三類不同類型的信息。（1）模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入。本系統(tǒng)支持第三方軟件建立的3D模型導(dǎo)入，也提供建模工具用于直接創(chuàng)建。系統(tǒng)可以將隧道的3D模型與進(jìn)度、成本等信息關(guān)聯(lián)，構(gòu)建基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的盾構(gòu)施工信息模型。同時，系統(tǒng)也提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，支持二次開發(fā)。（2）實(shí)時參數(shù)采集。盾構(gòu)機(jī)自動采集的數(shù)據(jù)存儲于盾構(gòu)機(jī)的PLC里，使用光纖作為傳輸介質(zhì)，把數(shù)據(jù)傳輸至地面的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過專用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，寫入數(shù)據(jù)庫加以存儲，供程序調(diào)用。（3）施工日志填報(bào)。施工日志填報(bào)用于采集人工測量數(shù)據(jù)（如沉降監(jiān)測、盾尾間隙、刀具磨損等）以及項(xiàng)目進(jìn)度和管理信息。為便于數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，該模塊采用結(jié)構(gòu)化存儲設(shè)計(jì)，使用WBS（WorkBreakdownStructure）將盾構(gòu)隧道分解為分部分項(xiàng)，獨(dú)立填報(bào)。

6? 數(shù)據(jù)可視化模塊

數(shù)據(jù)可視化模塊基于瀏覽器展示，并采用Silverlight插件和Unity3D分別實(shí)現(xiàn)客戶端的交互和三維模型的渲染，增加系統(tǒng)的交互性和真實(shí)感。（1）三維模型可視化。系統(tǒng)使用Unity3D作為三維模型渲染引擎，并采集工程現(xiàn)場照片進(jìn)行貼圖處理，對模型添加紋理以及選擇合理的光源，增強(qiáng)三維場景的真實(shí)感。使用系統(tǒng)提供導(dǎo)航工具，如縮放、平移和動態(tài)觀察，可以實(shí)現(xiàn)模型漫游。（2）可視化查詢。將當(dāng)前襯砌環(huán)模型與地質(zhì)剖面圖、推進(jìn)參數(shù)記錄表、同步注漿記錄表、盾構(gòu)姿態(tài)報(bào)表、管片姿態(tài)報(bào)表、管片拼裝質(zhì)量照片等文件相連接，可以實(shí)現(xiàn)襯砌環(huán)相關(guān)記錄信息的可視化查詢。通過BIM模型選中特定環(huán)后，即可通過調(diào)出菜單欄，查詢各類與本環(huán)相關(guān)聯(lián)的信息。（3）施工參數(shù)實(shí)時顯示。盾構(gòu)法施工中，對重要盾構(gòu)施工參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控是保證工程順利推進(jìn)的關(guān)鍵。本模塊用于對盾構(gòu)機(jī)施工實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，頁面集成推進(jìn)、刀盤、導(dǎo)向、同步注漿、泥水平衡（適用于泥水平衡盾構(gòu)）等四大系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)供技術(shù)人員查看。

7? 結(jié)語

以管片環(huán)作為信息關(guān)聯(lián)的基本單位，將對應(yīng)時空間位置的地質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和盾構(gòu)機(jī)參數(shù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化查詢?；诙軜?gòu)數(shù)據(jù)庫，本文初步研究數(shù)據(jù)對盾構(gòu)隧道項(xiàng)目決策支持的應(yīng)用，主要包括關(guān)鍵參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控、材料消耗管理、時間統(tǒng)計(jì)、盾構(gòu)施工記錄填報(bào)等功能。本課題未來將進(jìn)一步探索盾構(gòu)數(shù)據(jù)的潛在應(yīng)用價值并開發(fā)系統(tǒng)新功能，為盾構(gòu)隧道作業(yè)提供更大的決策支持。

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