BIM技術(shù)在深隧工程有限空間安全管控中的應(yīng)用

陳 偉 劉開(kāi)揚(yáng) 羅義生

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

BIM技術(shù)是工程建設(shè)領(lǐng)域的一次全新革命，正被廣泛推廣和應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)工程建設(shè)，其強(qiáng)大的可視化、信息化功能，為工程項(xiàng)目提供了科學(xué)、智能、有效的技術(shù)服務(wù)[1-2]。武漢大東湖深隧工程作為國(guó)內(nèi)首條正式建設(shè)的污水傳輸深層隧道，施工過(guò)程中面臨小斷面超深豎井、小直徑長(zhǎng)距離隧道等諸多有限空間作業(yè)的情況，安全風(fēng)險(xiǎn)高，管控難度大。安全管控，預(yù)防為主。采用BIM技術(shù)助力武漢大東湖深隧工程有限空間安全管控，可從源頭做好安全風(fēng)險(xiǎn)的防范工作，其應(yīng)用思路及安全管控的方法，將為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程，主要是將武漢市大東湖核心區(qū)的污水進(jìn)行收集，經(jīng)預(yù)處理后傳輸至新建的北湖污水處理廠再進(jìn)行集中處理，服務(wù)面積達(dá)130 km2。項(xiàng)目主要包含以下兩大部分：

1）污水深隧系統(tǒng)：主隧工程包含9個(gè)超深豎井和9個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，全長(zhǎng)17.5 km。支隧工程包含2個(gè)超深豎井和2個(gè)頂管區(qū)間，全長(zhǎng)1.7 km。

2）地表完善系統(tǒng)：沙湖污水提升泵站及配套管網(wǎng)、二郎廟預(yù)處理站及配套管網(wǎng)、落步咀預(yù)處理站及配套管網(wǎng)、武東預(yù)處理站及配套管網(wǎng)。

1.2 有限空間梳理及安全管控思路

本工程有限空間可以概括為以下兩大部分[3-5]：

1）小斷面超深豎井施工。豎井?dāng)嗝嫘。ㄗ钚?5 m×11 m）、深度大（最深51.5 m）、支撐密集（最多達(dá)12道）。有限空間作業(yè)，垂直運(yùn)輸交叉影響大。

2）小直徑長(zhǎng)距離盾構(gòu)及二襯施工。隧道直徑小（最小成形內(nèi)徑3.0 m）、距離長(zhǎng)（最長(zhǎng)達(dá)3.6 km）。有限空間作業(yè)，水平運(yùn)輸交叉影響大，通風(fēng)要求高。

針對(duì)作業(yè)空間有限的問(wèn)題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮BIM技術(shù)的三維可視化模擬功能的優(yōu)勢(shì)，解決諸多布置沖突問(wèn)題；合理設(shè)計(jì)人員通行路線、機(jī)械協(xié)同工作模式；優(yōu)化方案及特制機(jī)械設(shè)計(jì)；從源頭降低安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的有效預(yù)防，保障工程有限空間作業(yè)的安全。

2 有限豎井空間安全防范

采用BIM技術(shù)進(jìn)行豎井有限空間管理的核心是準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地、布置的空間位置關(guān)系，減小交叉施工影響。應(yīng)先分別建立起豎井結(jié)構(gòu)、總平面布置、豎井內(nèi)布置的1∶1模型，通過(guò)鏈接進(jìn)行整體及斷面效果分析。

1）井口分區(qū)措施。井口的布置對(duì)于整個(gè)豎井垂直通道的管理起著重要作用，合理的平面分區(qū)管理可以有效降低交叉作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重點(diǎn)做好吊裝區(qū)與人行區(qū)的分區(qū)，盡量使人行區(qū)更加集中。在方案策劃階段，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用BIM技術(shù)進(jìn)行井口可視化模擬，將人行樓梯、施工電梯與通風(fēng)管集中至中間一倉(cāng)內(nèi)，其他倉(cāng)僅作為吊裝倉(cāng)，擴(kuò)大吊裝區(qū)域，也減弱人行區(qū)的安全風(fēng)險(xiǎn)，使空間利用率達(dá)到最大化、最優(yōu)化。施工階段，通過(guò)設(shè)置引導(dǎo)標(biāo)志，進(jìn)行人員專項(xiàng)交底和龍門(mén)吊限位管理，將分區(qū)管理落實(shí)到位。

2）臨邊防護(hù)管控。豎井內(nèi)臨邊防護(hù)量大，結(jié)構(gòu)形式多變，為確保臨邊防護(hù)及時(shí)到位，一次成形，提升防護(hù)的統(tǒng)一性和美觀度，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用BIM技術(shù)提前進(jìn)行防護(hù)圍擋的排版，確定圍擋所需的最佳規(guī)格和數(shù)量，及時(shí)安裝到位，避免反復(fù)調(diào)整引發(fā)的空檔期。其中，臨邊圍擋可采用參數(shù)化族進(jìn)行建模，提高建模效率。

3）人員垂直運(yùn)輸。樓梯、電梯布置關(guān)系著整個(gè)豎井施工階段人員上下的安全與效率，對(duì)其進(jìn)行布置的關(guān)鍵是模擬出人員合理的行走路線。在模擬的過(guò)程中應(yīng)注意與總平面布置、井底布置相結(jié)合，避免與吊裝區(qū)的交叉。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行模擬，可考慮對(duì)于層高不同的樓梯采用自適應(yīng)參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)樓梯進(jìn)行布置，保證不同位置的可調(diào)整及其適應(yīng)性。

4）管線布置。豎井布置中，管線布置對(duì)于基坑的防汛工作，混凝土養(yǎng)護(hù)工作的及時(shí)開(kāi)展及臨電管理具有重要作用。在豎井環(huán)框梁上吊筋密集的情況下，管線的規(guī)劃布置可避免因相互影響導(dǎo)致管線無(wú)法安裝的問(wèn)題或者需要割除吊筋以免影響安全。應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行管線排布具有較好的先天優(yōu)勢(shì)，豎井布置中雖沒(méi)有那么密集的管線，但提前進(jìn)行管線模擬可以提高管線布置的美觀、實(shí)用性，方便提前進(jìn)行孔洞的預(yù)埋，并有效服務(wù)于施工管理。

5）井底空間管控。井底作為豎井與盾構(gòu)的交點(diǎn)，是施工的中樞位置，應(yīng)作為安全防范的重點(diǎn)。為提升長(zhǎng)區(qū)間盾構(gòu)施工效率，本工程始發(fā)井底需布置4列盾構(gòu)編組列車，同時(shí)還需布置電梯、樓梯基礎(chǔ)和管線等。垂直運(yùn)輸、水平運(yùn)輸、人員上下交叉頻繁，如何在有限空間充分利用的基礎(chǔ)上保障施工安全，正是BIM技術(shù)應(yīng)用的價(jià)值點(diǎn)。為此，首要需解決的是井底布置沖突的問(wèn)題，應(yīng)有效利用平面和立面的排布，以平面為主導(dǎo)，先在底板上部工作標(biāo)高上模擬4列編組的布置，電梯樓梯的布置，管線的布置及人員向兩邊隧道通行的線路，優(yōu)化平面上的布置問(wèn)題，再通過(guò)立面來(lái)解決電梯基礎(chǔ)與編組列車沖突的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置懸掛平臺(tái)釋放了底部空間，電梯通行線路與樓梯通行路線在最后2層實(shí)現(xiàn)重合。其次，在優(yōu)化布置降低安全風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，為施工過(guò)程中的安全管理提供指導(dǎo)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬，專門(mén)制定了井底安全防范實(shí)施細(xì)則，嚴(yán)格規(guī)定了井底作業(yè)人員的活動(dòng)范圍、吊裝區(qū)作業(yè)要求等，從安全管理措施的角度降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

6）有限空間通風(fēng)措施。有限空間的通風(fēng)也是安全防范的一大重點(diǎn)，主要包含豎井垂直通風(fēng)和隧道水平通風(fēng)兩部分（圖1）。因空間有限，風(fēng)機(jī)的放置、管道的布線應(yīng)在滿足通風(fēng)要求的基礎(chǔ)上，減少空間的占用且不得影響人員通行，避免通風(fēng)管調(diào)整引發(fā)的通風(fēng)空窗期，因此提前進(jìn)行模擬規(guī)劃必不可少。

圖1 豎井布置斷面

7）優(yōu)化方案，降低風(fēng)險(xiǎn)。有限空間的方案選擇應(yīng)充分考慮空間的限制，從源頭上減弱安全風(fēng)險(xiǎn)，因此基于BIM技術(shù)的方案模擬和虛擬建造是比較有價(jià)值的。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)環(huán)框梁鋼筋一側(cè)作業(yè)空間被占據(jù)、鋼筋安裝難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)箍筋、主筋和吊筋的下料形式進(jìn)行建模，分類成組導(dǎo)入三維可視化模擬軟件，根據(jù)不同的安裝方法進(jìn)行三維模擬和細(xì)節(jié)對(duì)比，優(yōu)化原設(shè)計(jì)鋼筋下料形式及安裝方法[2]，避免因工人在鋼筋骨架內(nèi)反復(fù)穿行引發(fā)的安全事故。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)環(huán)框梁混凝土施工單側(cè)支模，因采用傳統(tǒng)滿堂腳手架這一方法存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、搭設(shè)過(guò)程中材料吊裝次數(shù)多等問(wèn)題，通過(guò)BIM技術(shù)三維模擬設(shè)計(jì)新型整體拼裝式施工平臺(tái)，優(yōu)化人員工作空間設(shè)置，使施工過(guò)程更加簡(jiǎn)單高效。

3 有限隧道空間安全防范

采用BIM技術(shù)進(jìn)行隧道有限空間管理的重點(diǎn)是隧道斷面的管理，特別是施工過(guò)程斷面的動(dòng)態(tài)變化引發(fā)的沖突。

1）盾構(gòu)施工安全防范。本工程盾構(gòu)隧道直徑小，屬于非常規(guī)的盾構(gòu)斷面，大部分構(gòu)件均需進(jìn)行定制生產(chǎn)。施工前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)1∶1模擬隧道內(nèi)的管線、人行走道、風(fēng)管、電瓶車軌道等靜態(tài)布置，并模擬施工人員、盾構(gòu)施工電瓶車在隧道內(nèi)的通行等動(dòng)態(tài)布置，盡可能地保障人員通行空間，并結(jié)合斷面模擬結(jié)果，為測(cè)量支座、洞口及洞中道岔的設(shè)置提供安全方面的修改意見(jiàn)，盡可能地為人員通行安全提供保障。

2）二襯施工安全防范。在小直徑盾構(gòu)隧道內(nèi)進(jìn)行二襯施工，將面臨的是更加有限的空間。大量的定制機(jī)械設(shè)備，機(jī)械之間大量的協(xié)同作業(yè)及穿行作業(yè)，在有限的空間中必將面臨人員通行與機(jī)械交叉的問(wèn)題，安全管控壓力大幅提升。在此階段進(jìn)行BIM技術(shù)的應(yīng)用，可從特制機(jī)械的正向設(shè)計(jì)，機(jī)械協(xié)同作業(yè)模擬，特殊斷面人員機(jī)械通行分析3個(gè)方面入手，從方案階段進(jìn)行安全的防范工作。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用BIM技術(shù)進(jìn)行同步初砌臺(tái)車、拱墻臺(tái)車及仰拱模板的正向設(shè)計(jì)，以提升設(shè)計(jì)水平和效率，方便隨時(shí)進(jìn)行修改和下階段的施工模擬（圖2）。

圖2 同步初砌臺(tái)車三維設(shè)計(jì)

機(jī)械協(xié)同作業(yè)模擬最為突出的是二襯施工中仰拱模板的拆除轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝，涉及2臺(tái)定制小門(mén)吊、1臺(tái)平板車及仰拱模板。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)BIM三維模擬，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了仰拱模板臺(tái)車旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與小門(mén)吊主梁沖突的問(wèn)題，并調(diào)整了小門(mén)吊的懸臂桿的懸臂長(zhǎng)度，制定了專項(xiàng)操作流程，從方案階段避免了安全風(fēng)險(xiǎn)（圖3）。

圖3 仰拱模板倒運(yùn)方案模擬

特殊斷面人員、機(jī)械通行分析最為突出的應(yīng)用，表現(xiàn)在同步襯砌臺(tái)車施工方案模擬及拱墻襯砌臺(tái)車施工方案模擬。同步初砌臺(tái)車施工過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)編組列車的通行，因此可以實(shí)現(xiàn)二襯與盾構(gòu)的同步施工。

但團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，因編組列車通行過(guò)于頻繁，兩者交叉影響大，人員通行安全風(fēng)險(xiǎn)高，未采用此方案。拱墻襯砌臺(tái)車施工模擬中，通過(guò)模擬臺(tái)車支模和收模階段內(nèi)部斷面，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械和人員穿行的便利，將臺(tái)車水平撐桿調(diào)整成可拆形式，除混凝土澆筑階段外，其他時(shí)間保持拆除狀態(tài)，可保障水平運(yùn)輸機(jī)械的通行，并有效降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升人員通行效率。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行機(jī)械協(xié)同作業(yè)模擬、特殊斷面人員機(jī)械通行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，采取制定二襯施工隧道軌行區(qū)安全管理辦法、二襯施工隧道內(nèi)水平交通安全專項(xiàng)交底等措施，對(duì)人員、機(jī)械的通行以及機(jī)械的操作流程等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，通過(guò)安全管理措施進(jìn)一步化解安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

有限空間的安全管控問(wèn)題一直是安全管理中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，BIM技術(shù)與有限空間安全管控相結(jié)合，是安全管理源頭防范的充分體現(xiàn)，可以從源頭上降低布置、方案規(guī)劃中的安全風(fēng)險(xiǎn)，可為施工過(guò)程中的安全管理提供指導(dǎo)，并為基于BIM信息化平臺(tái)的安全信息化管控提供基礎(chǔ)。本工程應(yīng)用過(guò)程中的思路和方法，可以為今后類似工程提供借鑒和指導(dǎo)。