工程數(shù)字化建造技術(shù)在隧道機(jī)械化快速施工中的應(yīng)用探索

劉晏斌

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司， 河北 涿州 072750）

1 概述

分析全球鐵路數(shù)字化、 智能化發(fā)展趨勢(shì)及我國(guó)高速鐵路建設(shè)現(xiàn)狀、 信息化成就和面臨的挑戰(zhàn)， 智能高鐵已成為鐵路的前沿發(fā)展方向。 在新一輪科技革命背景及鐵路建設(shè)迫切需求下， 智能鐵路概念正加速走向落地， 推廣應(yīng)用BIM 技術(shù)是建設(shè)數(shù)字鐵路的有效途徑。

在我國(guó)隧道建設(shè)中， 人工鉆爆法因具有普遍適用性而被廣泛應(yīng)用， 但同時(shí)又存在工序復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)。 通過近年來不斷探索和實(shí)踐， 隧道建設(shè)正在由傳統(tǒng)人工鉆爆法向機(jī)械化配套施工轉(zhuǎn)變。 相對(duì)于人工分部開挖施工， 大斷面全工序機(jī)械化配套施工， 在施工裝備上由傳統(tǒng)的小型機(jī)械化、 半機(jī)械化開挖施工轉(zhuǎn)變?yōu)槿坭弾r臺(tái)車為主的大型機(jī)械化配套施工作業(yè)； 在施工工法上具有開挖次數(shù)少、 對(duì)圍巖擾動(dòng)小、 初期支護(hù)封閉及時(shí)等優(yōu)點(diǎn)， 更有利于控制圍巖的穩(wěn)定性控制。 在保障施工質(zhì)量、 提高施工效率的同時(shí)， 改善了作業(yè)環(huán)境， 提高了施工安全系數(shù)， 降低了施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度， 可謂一舉多得。

我國(guó)是名副其實(shí)的隧道建設(shè)大國(guó)， 但隧道建設(shè)水平與世界先進(jìn)國(guó)家相比仍有不小差距， 主要體現(xiàn)為機(jī)械化程度較低， 信息化施工管理水平較低， 距智能化尚有一定距離。 由此可見， 機(jī)械化施工、 信息化管理是隧道智能化建造的基礎(chǔ)， 而智能化建造是隧道機(jī)械化、 信息化施工的提升和發(fā)展趨勢(shì)。

2 工程概況

新建鄭萬高鐵北起河南鄭州， 途徑湖北襄陽， 最后到達(dá)重慶萬州， 是中國(guó)八橫八縱鐵路網(wǎng)重要組成部分。 其中蘇家?guī)r隧道全長(zhǎng)5360m， 設(shè)計(jì)時(shí)速350KM， 為雙線越嶺隧道。 項(xiàng)目所面臨的主要挑戰(zhàn)如下：

（1） 不良地質(zhì)多。 巖溶、 淺埋偏壓、 軟巖大變形、 斷裂破碎帶、 突泥涌水、 有毒有害氣體等。

（2） 施工組織設(shè)計(jì)復(fù)雜。 無軟弱圍巖大斷面機(jī)械化配套施工標(biāo)準(zhǔn)， 施工組織設(shè)計(jì)復(fù)雜， 且安全風(fēng)險(xiǎn)大。

（3） 工期緊。 隧道單向掘進(jìn)距離長(zhǎng)， 施工整體進(jìn)度制約性大， 為鄭萬高鐵湖北段工期控制性工程。

（4） 山嶺項(xiàng)目上場(chǎng)策劃復(fù)雜。 上場(chǎng)策劃受制因素較多， 運(yùn)距合理性論證和施工生產(chǎn)能力確定難度較大。

3 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

為解決隧道人工鉆爆法施工整體機(jī)械化程度較低、 施工環(huán)境惡劣和工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。以鄭萬高鐵蘇家?guī)r隧道 “加強(qiáng)I 型” 機(jī)械化配套施工隧道實(shí)踐為依托， 以 “BIM+隧道機(jī)械化施工” 為切入點(diǎn)， 總結(jié)隧道快速施工修建關(guān)鍵技術(shù)， 形成“一洞九線” 流水化作業(yè)生產(chǎn)線。

3.1 打造隧道機(jī)械化施工“中國(guó)法”

智能建造是解決川藏鐵路重大技術(shù)難題的良策， 應(yīng)中國(guó)鐵路總公司川藏鐵路科技研究開發(fā)要求， 進(jìn)一步攻克隧道鉆爆法機(jī)械化快速修建技術(shù)難題， 實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)隧道工程數(shù)字化施工建設(shè)新突破， 為川藏鐵路建設(shè)“開山鋪路”。

（1） 挖掘BIM 技術(shù)在隧道機(jī)械化配套施工和管理過程的重要作用；

（2） 將隧道機(jī)械化施工生產(chǎn)管理由傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)粗放管理模式向現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)精細(xì)化管理模式轉(zhuǎn)型；

（3） 采用數(shù)字化手段進(jìn)行高鐵大斷面隧道修建關(guān)鍵技術(shù)研究， 并形成系統(tǒng)性成果， 如圖1 所示。

圖1 中國(guó)鐵路總公司川藏鐵路科技研究開發(fā)計(jì)劃課題

4 軟件體系

項(xiàng)目BIM 團(tuán)隊(duì)采用Bentley 強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具產(chǎn)品線， 滿足了不同專業(yè)的設(shè)計(jì)需求， 軟件體系見表1 所示。

5 BIM 實(shí)施應(yīng)用

5.1 標(biāo)準(zhǔn)制定

（1） 企業(yè)級(jí)隧道BIM 應(yīng)用指南

為確保項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)所交付的鐵路工程信息模型幾何精度和信息深度科學(xué)合理、 滿足實(shí)際工程需求。參考《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》 等前提下， 編制隧道工程BIM 應(yīng)用指南， 如圖2 所示。

圖2 隧道工程BIM 應(yīng)用指南

（2） 建模環(huán)境

定制隧道工程初始化種子文件、 圖層、 元素模板等各專業(yè)特征定義。 自定義工作空間， 以及“隧道項(xiàng)目” 工作集， 統(tǒng)一工作環(huán)境， 以達(dá)到規(guī)范化推進(jìn)BIM 技術(shù)應(yīng)用實(shí)施過程。

（3） 協(xié)同工作平臺(tái)搭建

ProjectWise 為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)建模提供統(tǒng)一的工作平臺(tái)， 改變了傳統(tǒng)分散式交流模式， 對(duì)項(xiàng)目工作內(nèi)容、 標(biāo)準(zhǔn)及流程進(jìn)行管理， 實(shí)現(xiàn)了信息的集中存儲(chǔ)與訪問， 增強(qiáng)了信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性， 提高了項(xiàng)目成員之間協(xié)同工作的效率。

（4） 建模整體思路

①以線路模型為核心， 確定地形、 地質(zhì)建模范圍；

②在地形模型基礎(chǔ)上， 進(jìn)行場(chǎng)坪和便道設(shè)計(jì)；

③確定隧道主體各構(gòu)件組裝原點(diǎn)；

④以線路模型起點(diǎn)為控制原點(diǎn)， 采用相對(duì)坐標(biāo)法將各場(chǎng)地布置模型在地形模型中精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)最終模型的組裝， 如圖3 所示。

圖3 建模思路圖

5.2 BIM+GIS 技術(shù)輔助項(xiàng)目前期策劃

（1） 前期地形分析

創(chuàng)建蘇家?guī)r隧道地形模型， 對(duì)原始場(chǎng)地進(jìn)行分析和研究， 快速準(zhǔn)確的獲取場(chǎng)地高程、 坡度、位置等數(shù)據(jù)信息。 在規(guī)劃之初多方面考慮后， 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探勘。

（2） 初步規(guī)劃

依據(jù)業(yè)主項(xiàng)目建家建線規(guī)范要求， 參照項(xiàng)目施工組織資源配置情況， 快速搭建多種場(chǎng)地布置方案， 并對(duì)初步方案進(jìn)行比選， 如圖4 所示。

圖4 初步規(guī)劃圖

（3） 深度設(shè)計(jì)

利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)創(chuàng)建項(xiàng)目實(shí)景模型，作為項(xiàng)目規(guī)劃三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行臨建方案設(shè)計(jì)， 遵循 “挖填平衡” 原則， 在地形模型中進(jìn)行場(chǎng)坪及便道設(shè)計(jì)， 如圖5 所示。

圖5 場(chǎng)坪及便道設(shè)計(jì)圖

（4） 場(chǎng)地功能分區(qū)

考慮加強(qiáng)型機(jī)械化配置特殊需要， 規(guī)劃場(chǎng)地功能分區(qū)， 同時(shí)用于企業(yè)文明施工展示， 如圖6 所示。

圖6 場(chǎng)地功能分區(qū)圖

（5） 成本測(cè)算

以三維可視化為手段， 成本控制為主線， 從技術(shù)、 組織、 交通以及施工各不同階段的需求等多方面進(jìn)行遴比， 選擇最終策劃方案。

（6） 整體規(guī)劃及模型總裝

以設(shè)計(jì)方交樁點(diǎn)為相對(duì)坐標(biāo)控制原點(diǎn)， 在各場(chǎng)地布置模型中選取拼裝定位關(guān)鍵點(diǎn)， 將場(chǎng)地布置模型布設(shè)到地形模型中， 完成項(xiàng)目總裝模型，如圖7 所示。

圖7 鄭萬高鐵項(xiàng)目整體布置圖

5.3 基于Bentley 平臺(tái)隧道工程建模

（1） 地質(zhì)建模及工法選取

通過創(chuàng)建隧道地形、 地質(zhì)模型， 展示隧道走向及沿線底層巖性、 產(chǎn)狀、 地貌、 水文等信息。為輔助坑道選址、 不良地質(zhì)段施工應(yīng)急措施制定、 機(jī)械化施工工法選取等提供參考依據(jù)。

（2） 標(biāo)準(zhǔn)化模型庫

創(chuàng)建方案級(jí)、 工藝級(jí)、 可視化技術(shù)交底級(jí)等不同精度的模型庫。 包含標(biāo)準(zhǔn)化隧道結(jié)構(gòu)模型、參數(shù)化構(gòu)件模型及機(jī)械設(shè)備族庫。 對(duì)模型成果進(jìn)行統(tǒng)一管理， 逐步完善形成企業(yè)級(jí)隧道工程模型庫， 如圖8 所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)化模型庫圖

（3） 隧道主體模型

創(chuàng)建施工階段精細(xì)化隧道模型。 參考線路模型， 進(jìn)行步跨線設(shè)置， 確定全隧圍巖級(jí)別分類，完成隧道主體混凝土創(chuàng)建； 通過 “衍生式建模法”， 對(duì)隧道主體各構(gòu)件布設(shè)， 完成隧道主體模型， 如圖9 所示。

圖9 隧道主體結(jié)構(gòu)模型圖

（4） 工程量統(tǒng)計(jì)及精細(xì)化材料量輸出

針對(duì)項(xiàng)目需求， 對(duì)于軟件功能進(jìn)行二次開發(fā)。實(shí)現(xiàn)了按模型分段、 構(gòu)件分類統(tǒng)計(jì)， 計(jì)算匯總輸出工程量定制化報(bào)表功能。 在相應(yīng)專業(yè)軟件中輸出主體結(jié)構(gòu)精細(xì)化材料用量， 為后續(xù)Synchro 施工組織模擬、 成本歸集、 分析奠定基礎(chǔ)， 如圖10 所示。

圖10 精細(xì)化材料量統(tǒng)計(jì)圖

（5） 設(shè)計(jì)優(yōu)化及3D pdf 輸出

對(duì)施工圖紙及隧道變截面處、 橫通道、 洞門等特殊異形鋼架支護(hù)位置處， 進(jìn)行校核及優(yōu)化。 并輸出3D PDF 圖紙， 施工人員可量取任意構(gòu)件三維尺寸， 為提高生產(chǎn)效率， 減少因返工造成材料浪費(fèi)，如圖11 所示。

圖11 異形鋼架設(shè)計(jì)圖

5.4 BIM+3D 掃描溶洞施工分析

為解決溶洞、 溶腔等施工數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確獲取的難題， 采用三維激光掃描儀對(duì)已揭示溶洞進(jìn)行掃描， 形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件。 經(jīng)過OpenRoads Designer 處理后生成三維模型， 并與主體模型進(jìn)行精準(zhǔn)整合。 直觀的呈現(xiàn)溶洞和隧道工程的空間關(guān)系， 獲取溶洞回填方量， 為溶洞施工方案進(jìn)行安全、 技術(shù)論證提供依據(jù)， 如圖12 所示。

圖12 3D 掃溶洞及施工分析圖

5.5 隧道機(jī)械化“3D” 施工技術(shù)庫

對(duì)機(jī)械化施工關(guān)鍵性施工方案、 工藝進(jìn)行施工模擬， 驗(yàn)證各種施工方案和工藝可行性并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化， 實(shí)現(xiàn)超前模擬指導(dǎo)施工， 如圖13 所示。

圖13 3D 施工技術(shù)庫

5.6 施工組織優(yōu)化

機(jī)械化全斷面法施工優(yōu)勢(shì)顯著， 但目前所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、 施工工藝、 管理措施大多是基于人工分部法的研究成果和經(jīng)驗(yàn)， 已難以適應(yīng)機(jī)械化全斷面法。

（1） 建造理念

根據(jù)高鐵建造理念， 結(jié)合 “新奧法” 和 “新意法” 的原理， 根據(jù) “全斷面開挖隧圍巖擾動(dòng)最小” 的理論， 秉承 “讓初期支護(hù)承受全部荷載，把二襯作為安全儲(chǔ)備” 的建造理念下， 優(yōu)化機(jī)械化配套施工工藝， 如圖14 所示。

圖14 建造理念圖

（2） 工法可行性論證

掌子面穩(wěn)定性控制對(duì)于機(jī)械化大斷面開挖至關(guān)重要， 需對(duì)傳統(tǒng)超前支護(hù)進(jìn)行調(diào)整。 采用Plaixs 進(jìn)行超前預(yù)加固多施工方案論證， 分析經(jīng)不同超前預(yù)加固施工后深埋隧道圍巖形變壓力數(shù)值模擬、 虛擬驗(yàn)算。 結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變實(shí)測(cè)反饋數(shù)據(jù)， 論證超前預(yù)加固實(shí)施效果， 如圖15， 圖16 所示。

圖15 超前預(yù)加固方案數(shù)值模擬圖

圖16 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圍巖壓力時(shí)程曲線圖

結(jié)果表明采用9mφ76 中管棚+掌子面玻璃纖維錨桿+高壓劈裂注漿超前預(yù)加固施工方案， 對(duì)掌子面穩(wěn)定性控制可達(dá)到最佳實(shí)施效果， 證明經(jīng)此超前預(yù)加固施工后可進(jìn)行軟弱圍巖大斷面開挖施工。

（3） 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整

增強(qiáng)初支， 減弱襯砌： 采用Plaxis 進(jìn)行隧道軟弱圍巖多支護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整方案數(shù)值模擬， 對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 如圖17 所示。

圖17 支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬圖

圖18 實(shí)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)程曲線圖

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)大量支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、 位移測(cè)試數(shù)據(jù)反饋， 結(jié)果表明經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后， 圍巖壓力小于規(guī)范值， 支護(hù)結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)， 如圖18 所示。

（4） 機(jī)械設(shè)備選型、 空間布局及資源配置優(yōu)化采用Synchro 模擬大斷面機(jī)械化配套施工全過程， 對(duì)施工組織方案進(jìn)行優(yōu)化。 制定合理安全步距、 選取最優(yōu)機(jī)械設(shè)備配置、 針對(duì)不同工法的施工特點(diǎn)， 制定各機(jī)械設(shè)備合理的施工空間， 優(yōu)化機(jī)械化流水作業(yè)線， 充分利用大型機(jī)械的優(yōu)勢(shì)。 是提高工效、 降本增效的關(guān)鍵， 如圖19 所示。

圖19 Synchro 施工組織模擬圖

（5） 總體工期統(tǒng)籌規(guī)劃

針對(duì)長(zhǎng)大隧道施工多輔助坑道、 多工作面同步交叉施工等工期計(jì)劃排布較為復(fù)雜， 及project進(jìn)度計(jì)劃可讀性較差、 局限性較大等難題。

①采用Synchro 可以實(shí)現(xiàn)全隧整體施工流程的進(jìn)度模擬， 優(yōu)化現(xiàn)有的工期進(jìn)度計(jì)劃；

②結(jié)合Synchro 可視化工期分析， 得出材料需求量月峰值， 從而計(jì)算出鋼筋加工廠、 混凝土攪拌站的生產(chǎn)效率等， 分析得出項(xiàng)目生產(chǎn)所需最優(yōu)資源配置；

③與實(shí)際的進(jìn)度情況進(jìn)行匹配， 施工過程中同步優(yōu)化。 綜合對(duì)比分析進(jìn)度滯后原因， 為下一步施工安排提供指導(dǎo)。

6 結(jié)束語

目前中國(guó)鐵路隧道領(lǐng)域的BIM 應(yīng)用在施工階段尚處于起步階段， 數(shù)字化應(yīng)用水平較低。

本項(xiàng)目以 “BIM+隧道機(jī)械化施工” 為切入點(diǎn)， 以進(jìn)一步攻克隧道鉆爆法機(jī)械化快速修建技術(shù)難題為目標(biāo)。 采用數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)將隧道機(jī)械化作業(yè)線進(jìn)行優(yōu)化提升， 施工現(xiàn)場(chǎng)在保障施工質(zhì)量的前提下提高了施工效率。 針對(duì)隧道機(jī)械化施工工藝參數(shù)、 工效指標(biāo)、 配置標(biāo)準(zhǔn)及成本測(cè)算等方面， 以數(shù)字化手段進(jìn)行總結(jié)并形成系統(tǒng)性成果， 為攻克隧道鉆爆法智能化快速建造技術(shù)難題提供了新的解決思路， 一定程度上實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)隧道工程數(shù)字化施工建設(shè)新突破， 在促進(jìn)鐵路施工領(lǐng)域相關(guān)配套施工工藝流程變革及提質(zhì)增效方面具有深遠(yuǎn)意義。