基于BIM 5D 技術(shù)的板巖隧道超欠挖控制施工技術(shù)研究

范云博，謝明康，王興光，石邱饒，晏克珍，張 彬

（中國建筑第四工程局有限公司，廣東廣州 510000）

0 前言

目前隧道開挖主要存在鉆爆前難以控制炮眼間距，鉆爆后垂直板巖圍巖節(jié)理部位易欠挖，欠挖造成增加的工作量占隧道總工期的13%，而平行板巖圍巖節(jié)理部位易嚴重超挖，超挖造成的混凝土超方量在50%。超欠挖對成本影響波動大，噴射混凝土超方量在52%左右（含回彈值），占隧道總成本10%左右。欠挖引起的返工和超挖增加的工作量，占隧道總工期的19%。以上問題嚴重制約了隧道施工技術(shù)發(fā)展，采用傳統(tǒng)的施工控制措施效果不明顯。

1 工程實例

貴州省雷山至榕江高速公路建設(shè)項目第一分部K0+000-K10+560 段，道路起點順接雷山縣凱里至雷山高速公路終點處，途經(jīng)雷山縣大塘鎮(zhèn)雄水、烏秀沖、雄散、南亮村、小河村、終點至雷公山，全長10.492km；道路設(shè)計速度80km/h，路基寬度為24.5m，采用雙向四車道高速公路標準建設(shè)。

雷公山隧道為分離式特長隧道，右幅隧道起訖樁號為：YK8+175～YK12+875，長度為4700m，最大埋深約為677m。左幅隧道起訖樁號為：ZK8+175～ZK12+915，長度為4740m，最大埋深約為681m。隧道全斷面位于IV、V 級圍巖中，巖層節(jié)理發(fā)育且下伏基巖為強、中風(fēng)化層。施工難度及風(fēng)險比較大。

2 技術(shù)特點

在板巖隧道循環(huán)進尺施工前，根據(jù)設(shè)計圖紙、地勘資料基于BIM 技術(shù)建立每一循環(huán)進尺的隧道BIM 三維模型，對預(yù)計爆破出渣量、初噴混凝土量以及工期進度進行量化，形成控制性數(shù)據(jù)，本數(shù)據(jù)用于衡量鉆爆后的各項工序的實施效果。采用BIM 三維模型+工作量+進度時間管控平臺，形成BIM 5D 技術(shù)在板巖隧道施工中的應(yīng)用。

（1）根據(jù)設(shè)計圖紙，利用BIM 5D 技術(shù)按照每一循環(huán)進尺構(gòu)建三維模型，對爆破出渣量、初噴混凝土量進行量化，理論誤差控制在1%以內(nèi)，模型誤差控制在±1mm 內(nèi)，形成控制性數(shù)據(jù)作為控制對比基礎(chǔ)。

（2）采用地質(zhì)雷達對掌子面進行掃描，精度控制在±0.2h（h為探測深度），根據(jù)掃描的板巖層理結(jié)構(gòu)和巖層產(chǎn)狀調(diào)整每一循環(huán)爆破周邊炮眼間距，并將BIM 模型導(dǎo)入ANSYS 軟件進行爆破模擬，建立爆破輪廓邊界，進而控制垂直板巖圍巖節(jié)理部位欠挖及平行板巖圍巖節(jié)理部位超挖的現(xiàn)象，總體誤差控制在10%。

（3）每一循環(huán)爆破后采用3D 掃描儀及測量機器人對爆破后的輪廓線進行數(shù)據(jù)采集并無線傳輸至超欠挖控制平臺，精度控制在±3mm 以內(nèi)，將結(jié)果與BIM 模型輪廓邊界進行對比，根據(jù)對比結(jié)果控制下一循環(huán)掘進施工的掏槽眼、輔助眼、裝藥量、跑眼間距等各項參數(shù)，從而將誤差控制在12%內(nèi)。

3 工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程圖（見圖1）

3.2 工藝操作要點

（1）根據(jù)地質(zhì)資料，建立三維地質(zhì)模型。通過地勘真實的數(shù)據(jù)載入，從更多的方面來評價地質(zhì)數(shù)據(jù)性能，從而使后續(xù)隧道開挖施工可以更加科學(xué)快速展開。

圖4 各區(qū)域循環(huán)施工段超欠挖體積

圖1 工藝流程

圖2 三維地質(zhì)模型建立

（2）根據(jù)施工圖，將隧道按其結(jié)構(gòu)劃分成基本構(gòu)件，利用revit進行建模，將這些構(gòu)件制作成三維數(shù)字模型并匯總到模型庫。根據(jù)隧道施工橫截面施工圖進行三維模型的建立，再將每一個施工段拼成完整的隧道模型。

由于隧道施工圖是二維圖紙，且設(shè)計圖表達方式不統(tǒng)一，CAD 圖紙中可能包含大量無用信息的圖元，在建模時，要從圖紙中剔除掉無用的信息，保證三維建模的高效性。

圖3 隧道模型

（3）將revit 模型進行數(shù)據(jù)格式裝換，導(dǎo)入到廣聯(lián)達BIM 5D中[1]。可進行：

①可以讓項目管理人員從模型中快速地進行施工進度計劃編排，主要的施工方法遴選確定，總體計劃等，從而更好地對現(xiàn)場施工進行科學(xué)管理。

②精準計算出隧道開挖工程量及隧道主體施工工程量，進行合理的施工管控。

③可以讓項目管理人員在施工之前提前推演隧道建造過程中關(guān)鍵節(jié)點的施工現(xiàn)場布置、機械及措施布置方案，還可以預(yù)測每個月、每一周所需的資金、材料、勞動力情況，提前發(fā)現(xiàn)問題并進行優(yōu)化。

（4）根據(jù)掃描的板巖節(jié)理結(jié)構(gòu)和巖層狀態(tài)結(jié)合類似項目經(jīng)驗進行爆破周邊炮眼間距，每一個循環(huán)爆破后采用3D 掃描儀及測量機器人對爆破后的輪廓線進行數(shù)據(jù)采集并無線傳輸至超欠挖控制平臺，將結(jié)果與BIM 模型輪廓邊界進行對比。采用BIM 三維模型+工作量+進度時間管控平臺，利用BIM 5D 技術(shù)是使板巖隧道施工更加科學(xué)合理，見圖4。

4 總結(jié)

與傳統(tǒng)板巖隧道開挖工藝相比，綜合來看，此施工技術(shù)有明顯優(yōu)勢。

（1）可精準計算出開挖方量，控制開挖用藥量，降低隧道開挖成本，保護施工環(huán)境，增加施工安全系數(shù)。

（2）精準控制隧道開挖，避免由于超挖或欠挖引起的修復(fù)或二次施工，合理安排施工順序，最大化優(yōu)化工期。

（3）極大地避免了二次施工和超挖后的浪費混凝土，減少了隧道開挖施工中的成本支出。