BIM的地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿海河施工技術(shù)研究

王 鑫，段士清，肖作明，苑 強(qiáng)，丁 杰

（中交三公局第一工程有限公司 北京100012）

關(guān)健詞：BIM；土壓平衡盾構(gòu)；地鐵隧道；施工技術(shù)；沉降控制

0 引言

近年來，為緩解城市土地短缺、人口快速增長和交通擁堵的壓力，越來越多的城市開始修建地鐵隧道。盾構(gòu)機(jī)由于其控制技術(shù)先進(jìn)、施工安全性高、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，在城市隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者針對盾構(gòu)隧道施工安全風(fēng)險大的特點，對地鐵盾構(gòu)隧道施工安全進(jìn)行評價分析。王金龍［2］以武漢地鐵2號線越長江隧道為例分析了地鐵越江隧道長大區(qū)間的方案。郭一家［3］和呂晨茜［4］針對福州地鐵過烏龍江區(qū)段施工方案研究了BIM 輔助技術(shù)。代鵬飛［5］和孟曉靜［6］研究了福州地鐵過閩江區(qū)間施工的BIM動態(tài)優(yōu)化管理技術(shù)。邢民［7］基于BIM技術(shù)族文件，在地鐵工程項目領(lǐng)域建立了地鐵族文件數(shù)據(jù)庫。吳宗華［8］結(jié)合南寧市軌道交通3 號線工程，進(jìn)行越江隧道盾構(gòu)施工的風(fēng)險辨識及估計。劉英城等人［9］使用BIM 技術(shù)的彌補了傳統(tǒng)盾構(gòu)風(fēng)險管控在實際使用過程的一些不足。另有不少學(xué)者［10］針對具體的工程案例對盾構(gòu)下穿河道的施工技術(shù)進(jìn)行了詳盡的分析與探討。

本文以天津地鐵11號線一期工程為背景，針對盾構(gòu)穿越長泰河區(qū)間，探討了大型土壓平衡盾構(gòu)下穿河道的施工技術(shù)措施，結(jié)合BIM 技術(shù)，對盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行了動態(tài)控制研究。

1 工程背景

天津地鐵11 號線一期工程線路全長22.6 km，全線共設(shè)21 座車站，20 個盾構(gòu)區(qū)間。位于天津市河西區(qū)的標(biāo)段包含內(nèi)江路站、陳塘站、澧水道站～內(nèi)江路站區(qū)間（澧內(nèi)區(qū)間）、內(nèi)江路站～陳塘站區(qū)間（內(nèi)陳區(qū)間）、陳塘站～東江道站區(qū)間（陳東區(qū)間），跨度總長3 050.693 m，其中內(nèi)江路站后停車線下穿復(fù)興河，陳東區(qū)間下穿長泰河，如圖1所示。

圖1 總體平面Fig.1 General Plan

2 工程重難點及應(yīng)對措施

陳塘站～東江道站盾構(gòu)區(qū)間需要穿越長泰河，盾構(gòu)掘進(jìn)存在較高的滲漏風(fēng)險，為保證盾構(gòu)施工的安全，施工中將采取以下措施：

⑴土壤改良。一般是在刀盤前方土壤中注入一定量的添加劑來改良土壤。原狀砂土一旦摻入助劑，滲透系數(shù)降低，“塑性流動性”和保水性增大，土水分離不易，可有效防止突水等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。由于添加劑在土粒之間填充，土粒之間的摩擦力相應(yīng)減小。有利于減小刀頭扭矩、千斤頂推力和刀具磨損。主要的土壤改良方法有注水、膨潤土、粘土、CMC聚合物和發(fā)泡劑。

⑵合適的回填注漿材料。在富水粉砂細(xì)砂地層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，具有保水性好、抗水分散性好、體積收縮小、不易堵塞注漿管道等特點的同步注漿是必不可少的。現(xiàn)場應(yīng)用證明，由熟石灰、粉煤灰、膨潤土、砂、水、減水劑組成的新型同步注漿方法適用于富水細(xì)砂地層。

⑶合適的推進(jìn)速度。在其他參數(shù)正常的情況下，適當(dāng)提高行車速度，以減少對土壤擾動。

⑷避免停機(jī)。由于開挖面穩(wěn)定性難以控制，在地表沉陷要求較高的區(qū)域。應(yīng)避免停機(jī)。

⑸嚴(yán)格的防護(hù)姿勢控制。盾構(gòu)姿態(tài)難以控制的細(xì)砂層，所以在開挖過程中，操作者應(yīng)密切關(guān)注水平、垂直偏差及俯仰角的變化，及時調(diào)整掘進(jìn)姿勢，避免出現(xiàn)超挖。

⑹加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測。加強(qiáng)對地面沉降的監(jiān)測，及時反饋，及時調(diào)整，探索粉砂細(xì)砂地層的最佳掘進(jìn)參數(shù)。

3 盾構(gòu)區(qū)間的BIM輔助模型

3.1 BIM模型的建立

首先建立工程的BIM 技術(shù)模型。利用三維建模軟件，按照施工圖紙，建立項目的BIM 靜態(tài)技術(shù)模型，包括施工現(xiàn)場布置、工作井、泥水盾構(gòu)機(jī)模型、襯砌結(jié)構(gòu)、區(qū)間的地質(zhì)層構(gòu)造等，并按照一定的命名規(guī)則進(jìn)行命名，便于能夠在虛擬開發(fā)平臺中進(jìn)行查找和執(zhí)行相關(guān)的操作命令，從而為動態(tài)模型的建立做好基礎(chǔ)。建立的盾構(gòu)機(jī)模型如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)機(jī)模型Fig.2 Model of Shield Machine

將已經(jīng)建好的靜態(tài)模型，導(dǎo)入Unity3D 虛擬開發(fā)平臺，進(jìn)行交互設(shè)計，構(gòu)建動態(tài)的圍擋施工、工作井施工、盾構(gòu)機(jī)在地層掘進(jìn)施工的動態(tài)的模型。依據(jù)所建立的Access 數(shù)據(jù)庫資料，將施工管理信息與動態(tài)管理模型相結(jié)合，得到整個區(qū)間的BIM 集成動態(tài)模型。建立陳塘站～東江道站盾構(gòu)區(qū)間工程的BIM 模型如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)穿越河道模型Fig.3 Model View of Shield Crossing River

3.2 BIM模型的管理模塊

3.2.1 權(quán)限管理模塊

權(quán)限管理模塊是一種訪問控制機(jī)制，防止未經(jīng)授權(quán)的用戶進(jìn)入系統(tǒng)或檢索敏感構(gòu)信息。BIM 系統(tǒng)要求所有項目工程師、項目經(jīng)理、BIM 工程師和系統(tǒng)管理人員進(jìn)行注冊，用戶需要提供唯一的用戶ID和密碼進(jìn)行身份驗證。由于不同的BIM 模型對BIM 信息和報告的要求不同，項目經(jīng)理和BIM 工程師的訪問權(quán)限也不同。

3.2.2 BIM過程監(jiān)控模塊

BIM 過程監(jiān)控模塊的軌跡提供了可視化的BIM輔助更新進(jìn)度管理儀表板環(huán)境，同時項目工程師和管理人員可據(jù)此查看當(dāng)前進(jìn)度狀態(tài)。過程監(jiān)控模塊有一個簡單的訪問選項，允許管理者通過不同狀態(tài)顏色的BIM 模型插圖跟蹤已建成的進(jìn)度信息。此外，項目工程師和項目經(jīng)理可以與相關(guān)BIM 模型共享最新更新的完工進(jìn)度，并從現(xiàn)場項目工程師那里訪問所有關(guān)于完工模型的進(jìn)度問題的當(dāng)前響應(yīng)。

3.2.3 報警管理模塊

BIM 警報管理模塊幫助項目工程師建立警報服務(wù)來監(jiān)視和管理已構(gòu)建的日程，輔助日程信息更新通知相關(guān)的日期被系統(tǒng)地記錄下來。此外，該模塊提供了方便的訪問和基于推送的功能，以幫助項目經(jīng)理和項目工程師提前響應(yīng)決策，在進(jìn)度中的更新被跟蹤和其他響應(yīng)之前。

3.2.4 BIM更新管理模塊

BIM 模型更新管理模塊允許用戶更新BIM 模型組件選擇的竣工進(jìn)度信息，該信息與竣工的模型一起存儲在DWF 文件中。可提取和總結(jié)用于更新竣工進(jìn)度信息的授權(quán)記錄，用于BIM 輔助更新進(jìn)度總結(jié)。此外，整個BIM 輔助的更新進(jìn)度總結(jié)可以在web 上顯示，或者使用商用軟件（如Adobe Acrobat）提取。

3.2.5 BIM模型問題響應(yīng)模塊

該模塊集中存儲在可視化環(huán)境下的BIM 模型中的竣工進(jìn)度相關(guān)組件的所有問題。這使得現(xiàn)場工程師能夠有效地從中心位置對完工進(jìn)度中的問題作出響應(yīng)，并提供相應(yīng)的已修改的完工模型（DWF文件）的修訂描述。一般情況下，現(xiàn)場工程師可通過該模塊提交BIM 3D 模型中相應(yīng)組件的竣工進(jìn)度信息中的問題。此外，項目參與者可以通過模塊與BIM 協(xié)助的完工進(jìn)度進(jìn)行溝通。

3.2.6 BIM SM報表模塊

該模塊允許用戶方便地訪問關(guān)于BIM 進(jìn)度的簡短更新信息，有關(guān)BIM 模型中的相應(yīng)組件。用于更新竣工進(jìn)度的授權(quán)記錄可以通過可視化BIM 模型報告提取和總結(jié)。此外，所有BIM 報告都可以在web 上展示，也可以使用商用軟件（如Microsoft Word 和Acrobat PDF）提取。

3.3 進(jìn)度與安全可視化管理系統(tǒng)

BIM 系統(tǒng)可對工程的施工進(jìn)度進(jìn)行動態(tài)可視化管理，設(shè)計員和施工人員可實時準(zhǔn)確了解工程進(jìn)展情況。既減少了施工信息傳遞時間，又能隨時對施工方案進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。進(jìn)度管理控制如圖4所示。在進(jìn)度管理系統(tǒng)中，可時刻對比施工時間事務(wù)實際狀態(tài)與計劃狀態(tài)，管理人員對施工進(jìn)度和可能發(fā)生的問題可隨時掌握，及時提出預(yù)防措施。直觀地對比實際進(jìn)度和計劃進(jìn)度，可以精確把握實際與計劃的偏差，分析出導(dǎo)致進(jìn)度偏慢的原因，在下一施工周期前提出應(yīng)對方法，以保證計劃的進(jìn)度可按時完成。

圖4 進(jìn)度管理控制Fig.4 Schedule Management Control Chart

BIM 技術(shù)也可對施工安全預(yù)警動態(tài)可視化管理，科學(xué)地對時間和空間進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，如圖5 所示。通過采集施工的各項安全信息，將不同安全問題統(tǒng)一匯總到同一平臺，分類并建立相關(guān)預(yù)警機(jī)制。施工過程中，實時上傳現(xiàn)場安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)匯入評估系統(tǒng)中，最終使得安全隱患可以在模型直觀顯示出來，系統(tǒng)會自動顯示相應(yīng)的應(yīng)對措施。如遇到重大安全隱患，系統(tǒng)快速進(jìn)行紅色預(yù)警，相關(guān)安全問題信息會自動發(fā)送給項目部總經(jīng)理及專家?guī)鞂＜?，在上述技術(shù)人員和專家后，得出最終處理方案，并自動顯示在系統(tǒng)界面。

圖5 安全管理與預(yù)警系統(tǒng)Fig.5 Safety Management and Early Warning System

4 結(jié)論

⑴通過BIM 動態(tài)優(yōu)化管理軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對地鐵施工的進(jìn)度管理和安全管理的動態(tài)優(yōu)化控制，充分體現(xiàn)了BIM技術(shù)在解決工程實際問題的優(yōu)越性。

⑵利用軟件的模型和數(shù)據(jù)庫動態(tài)可視化功能，結(jié)合動態(tài)管理理論，能夠?qū)Φ罔F工程較好的實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化控制，可對整個工程的施工進(jìn)度、資源和質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，達(dá)到縮短工期、降低成本的目的。