BIM技術(shù)在高速鐵路隧道工程機(jī)械化智能建造的應(yīng)用

李福林

（中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司）

1 BIM模型設(shè)計(jì)

1.1 建立隧道模型

在傳統(tǒng)的二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)有不合理不協(xié)調(diào)的狀況很難進(jìn)行修改，對(duì)工程整體施工進(jìn)度產(chǎn)生影響。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的普及，在隧道工程設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的可視化，在對(duì)隧道工程進(jìn)行整體施工建造前，建造一個(gè)模型，直觀展示工程中的過(guò)軌管分布、接觸網(wǎng)槽道預(yù)埋、鋼筋安裝等施工工作。采用CSD軟件分段建立隧道BIM設(shè)計(jì)模型，再按施工要求對(duì)設(shè)計(jì)模型自動(dòng)切分、自動(dòng)生成和綁定編碼，最終形成隧道施工BIM模型（見(jiàn)圖1）。

1.2 BIM可視化管理

三維模型精細(xì)呈現(xiàn)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。通過(guò)三維建模首先使技術(shù)人員在建模過(guò)程中更加深刻理解工程內(nèi)容，通過(guò)三維模型進(jìn)行技術(shù)交流和探討?；贐IM模型的成果和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)基于GIS的管理平臺(tái)，全面整合各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如里程樁號(hào)、地形地貌、環(huán)水保線、穿既有線等各種場(chǎng)景的信息，以更加清晰逼真的形式體現(xiàn)工程實(shí)景。同時(shí)，通過(guò)三維展示方式可以任意角度查看，在主體模型與既有地形模型相結(jié)合后，方便施工方案的制定和審核[1]。

2 協(xié)同管理

BIM管理體系以BIM模型為管理載體，將BIM技術(shù)與信息化管理緊密結(jié)合起來(lái)，通過(guò)對(duì)工程項(xiàng)目三維可視化、信息化、精細(xì)化的綜合管理，打通各個(gè)業(yè)務(wù)、各個(gè)參與單位之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，搭建“數(shù)字工地”。

圖1 整體隧道BIM模型圖

全員參與，建立起項(xiàng)目的高效協(xié)同。以BIM技術(shù)搭建的三維模型為基礎(chǔ)，以協(xié)同管理為手段，在施工過(guò)程的管理中建立全員參與的協(xié)同管理體系，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)信息共享，按照不同的權(quán)限、角色建立起職責(zé)履行清單。

以工序?yàn)榧~帶加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)把控，實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程痕跡保留，建立以工序過(guò)程為核心的過(guò)程控制體系。工序作為施工過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了基于工序的自動(dòng)關(guān)聯(lián)進(jìn)度。工序開(kāi)始，反映到模型上：顯示結(jié)構(gòu)物正在施工，進(jìn)行到關(guān)鍵工序時(shí)自動(dòng)關(guān)聯(lián)檢、驗(yàn)、批，必須驗(yàn)收合格以后才允許進(jìn)入下道工序。同時(shí)，基于工序建造過(guò)程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、責(zé)任人、現(xiàn)場(chǎng)影像資料同步自動(dòng)生成，形成了完整的建造過(guò)程的痕跡保留。

基于BIM技術(shù)，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、精細(xì)化的管理體系。BIM技術(shù)的本質(zhì)是以信息化為驅(qū)動(dòng)。在建設(shè)BIM體系的過(guò)程中要求管理體系標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)結(jié)合規(guī)范化的措施和精細(xì)化的管理要求，確保所有信息有序流動(dòng)，最終關(guān)聯(lián)到模型。在檢、驗(yàn)、批現(xiàn)場(chǎng)填報(bào)，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)時(shí)，結(jié)合手機(jī)端GPS定位，實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，落實(shí)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的管理體系。

3 隧道智能化施工設(shè)備

3.1 ZYS113全智能三臂鑿巖臺(tái)車

3.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

采用ZYS113全智能三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合超前鉆孔及加深炮孔法等方法，實(shí)現(xiàn)快速預(yù)報(bào)。鉆孔時(shí)，鉆孔深度30m～50m，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)速度、沖擊壓力、推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量等參數(shù)，并通過(guò)MWD軟件分析復(fù)原地質(zhì)情況，形成地質(zhì)報(bào)告。對(duì)掌子面前方情況進(jìn)行綜合分析，科學(xué)判定前方地質(zhì)情況；對(duì)掌子面穩(wěn)定性做出分類，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供準(zhǔn)確的依據(jù)，并基于此在BIM模型上建立隧道大數(shù)據(jù)地質(zhì)庫(kù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.1.2 鉆爆開(kāi)挖及初期支護(hù)智能化建造的應(yīng)用

導(dǎo)入作業(yè)面爆破設(shè)計(jì)圖，與隧道坐標(biāo)結(jié)合，在鑿巖臺(tái)車電腦上生成開(kāi)挖循環(huán)的隧道輪廓與爆破圖，不需要測(cè)量人員標(biāo)注隧道輪廓和鉆孔孔位，將斷面圖及炮孔圖顯示在鑿巖臺(tái)車電腦上，操作人員完全按照電腦顯示，控制炮孔的角度和深度，根據(jù)電腦指示擺臂架的角度。系統(tǒng)錨桿施工前，臺(tái)車預(yù)先輸入錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)以及斷面數(shù)據(jù)，進(jìn)而確定錨桿位置信息，臺(tái)車依據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移臂對(duì)孔定位、自動(dòng)鉆孔。

3.2 SCDZ133智能型多功能作業(yè)臺(tái)車

SCDZ133智能型多功能作業(yè)臺(tái)車配套設(shè)施有底盤行走系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。

①智能型多功能作業(yè)臺(tái)車裝有定位系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)換算將大地2000坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部可識(shí)別坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)車在隧道坐標(biāo)系下的精準(zhǔn)定位。

②臺(tái)車車前裝有掃描系統(tǒng)，對(duì)斷面進(jìn)行掃描，同時(shí)采集數(shù)據(jù)，車內(nèi)設(shè)有設(shè)備對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成三維隧道斷面點(diǎn)云模型，通過(guò)與BIM模型相連，在模型上與設(shè)計(jì)斷面對(duì)比分析出隧道超欠挖情況。

③改變傳統(tǒng)拱架安裝方式，在臺(tái)車上安裝有智能控制系統(tǒng)，在地面鏈接中間3節(jié)拱架，舉升至拱頂，再抓取左右兩側(cè)拱架，舉升至安裝位置，安裝連接螺栓，調(diào)整拱架姿態(tài)，焊接網(wǎng)片與連接筋，掃描拱架安裝位置尺寸，并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)上傳至BIM模型，將其與設(shè)計(jì)位置進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拱架自動(dòng)安裝作業(yè)。

3.3 HPSZ3016S濕噴臺(tái)車

HPSZ3016S濕噴臺(tái)車是在HPS3016S的基礎(chǔ)上進(jìn)行智能化升級(jí)改造的產(chǎn)品，其配套設(shè)施有底盤行走系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。

①濕噴臺(tái)車車前安裝掃描系統(tǒng)，對(duì)斷面進(jìn)行掃描采集數(shù)據(jù)，車內(nèi)設(shè)有設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成三維隧道斷面點(diǎn)云模型，自動(dòng)精確計(jì)算各處超欠挖值。通過(guò)對(duì)隧道輪廓的三維建模與計(jì)算，施工中指導(dǎo)噴射方式并評(píng)估噴射質(zhì)量。電腦圖像實(shí)時(shí)指示各區(qū)域噴射厚度，對(duì)噴射厚度進(jìn)行精準(zhǔn)量化控制。通過(guò)三維掃描提前預(yù)估噴射方量，噴射完成后計(jì)算實(shí)噴方量、回彈率，評(píng)估噴射質(zhì)量。

②濕噴臺(tái)車安裝有智能控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)隧道輪廓的三維建模與計(jì)算，進(jìn)行設(shè)計(jì)噴射數(shù)據(jù)處理，控制臂架系統(tǒng)、泵送系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)噴射。

3.4 數(shù)字化襯砌臺(tái)車

數(shù)字化襯砌臺(tái)車配套裝置有滑移軌道系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、雙灌注系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、高頻氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)、軟搭接系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、壓力傳感系統(tǒng)、參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、全自動(dòng)打磨涂脫模劑系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)等。

①襯砌臺(tái)車裝有定位系統(tǒng)，通過(guò)前端架設(shè)掃描儀，后端架設(shè)全站儀，分別對(duì)隧道內(nèi)的三個(gè)激光靶標(biāo)進(jìn)行半自動(dòng)和自動(dòng)照準(zhǔn)；獲取的臺(tái)車中軸定位坐標(biāo)，可通過(guò)臺(tái)車控制系統(tǒng)與油缸自動(dòng)調(diào)節(jié)至與隧道中軸線重合，實(shí)現(xiàn)臺(tái)車自動(dòng)定位功能。

②襯砌臺(tái)車具備參數(shù)觀測(cè)系統(tǒng)，可進(jìn)行混凝土灌注方量測(cè)量、灌注壓力監(jiān)測(cè)、拱頂飽滿度測(cè)量、入模溫度記錄等功能。對(duì)實(shí)時(shí)灌注流量及總量，通過(guò)混凝土流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，混凝土的預(yù)澆筑方量可通過(guò)車載式3D自動(dòng)掃描儀或激光斷面儀測(cè)量。

③改變傳統(tǒng)振搗方式，在臺(tái)車模板上加裝高頻氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)引進(jìn)歐洲臺(tái)車的主流振動(dòng)技術(shù)，減少拱頂局部堵塞，解決混凝土密實(shí)問(wèn)題。

④采用雙灌注系統(tǒng)，下灌注系統(tǒng)采用機(jī)械手分窗分層自然流下澆筑，上灌注系統(tǒng)采用“拱頂部水平壓入澆筑工法”實(shí)現(xiàn)帶壓澆筑。提高了混凝土質(zhì)量，減少氣泡產(chǎn)生。

⑤混凝土澆筑過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)至BIM模型，展示出混凝土的狀態(tài)，可及時(shí)檢查襯砌混凝土是否飽滿、混凝土入模溫度能否達(dá)到要求、振搗是否到位等問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

文章從BIM模型設(shè)計(jì)、協(xié)同管理和智能化施工設(shè)備三方面，開(kāi)展了高速鐵路隧道工程機(jī)械化智能建造的應(yīng)用研究，可為相關(guān)技術(shù)人員提供參考，從而加快鐵路隧道施工效率，提升施工質(zhì)量。