淺析BIM與裝配式隧道施工技術(shù)

王中偉

（四川綿九高速公路有限責(zé)任公司，四川綿陽 621000）

1 工程概況

1.1 基本概況

東環(huán)路二期工程地處臨近山林河?xùn)|岸。路線呈東西走向，道路全長約2.5 km，城市主干路，設(shè)計(jì)速度50 km/h，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度8 m，雙向六車道，本項(xiàng)目含徐家灣隧道1座。

隧道采用分離式隧道，隧道單洞凈寬為8.2 m，凈高為5.6 m。隧道左線位于半徑R=1 000 m的圓曲線上，隧道縱坡4.0%。左線隧道起止樁號(hào)：左隧道全長420 m。右線隧道位于半徑R=900 m的圓曲線上，隧道縱坡3.5%。

1.2 水文情況

（1）第四系松散巖類孔隙水。

在進(jìn)洞口處填土、含碎石粉質(zhì)黏土中，松散巖類多具較大孔隙，接收大氣降水及地表徑流補(bǔ)給，以垂直補(bǔ)給為主，多形成孔隙潛水，富水性較弱且不穩(wěn)定。多以坡面流向當(dāng)?shù)厮膫?cè)低洼處排泄，季節(jié)性變化大。

（2）基巖裂隙水。

主要賦存在砂巖中，含水介質(zhì)為基巖的風(fēng)化裂隙、層間裂隙及構(gòu)造裂隙。

1.3 地形地貌

線路區(qū)屬于侵蝕剝蝕丘陵地貌。場地內(nèi)部分地形已進(jìn)行人工改造，線路區(qū)內(nèi)多已征地。地形坡度平緩，地形坡角8°～15°，局部地段可達(dá)25°。場地內(nèi)最高點(diǎn)高程274.20 m，最低點(diǎn)高程193.50 m，相對(duì)高差80.7 m，整體地形斜坡狀，局部為陡坎。

1.4 地層巖性

（1）第四系全新統(tǒng)。

素填土（Q4ml）：鉆孔揭露厚度0.30～0.8 m，分布于局部地段。

粉質(zhì)黏土（Q4el+dl）：稍有光澤，無搖震反應(yīng)，刀切面光滑。裂隙不發(fā)育，結(jié)構(gòu)致密。干強(qiáng)度中等，韌性中等，呈可塑狀。揭露厚度0.30～4.10 m，分布于整個(gè)場地。在水田部位上部1.0～2.0 m呈軟塑，為軟土。

（2）侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組。

砂巖（J2s-Ss）：巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖芯呈塊狀，少數(shù)呈短柱狀，巖質(zhì)軟，為強(qiáng)風(fēng)化帶。巖體較完整，巖芯呈柱狀，巖質(zhì)較硬，為中等風(fēng)化帶。揭露厚度2.30～43.65 m。

我們在積極引導(dǎo)農(nóng)村土地有序流轉(zhuǎn)，支持各類農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營主體發(fā)展的同時(shí)，要高度重視普通農(nóng)戶，鼓勵(lì)他們創(chuàng)新經(jīng)營模式，放手讓廣大農(nóng)民群眾自主選擇，推進(jìn)家庭經(jīng)營、合作經(jīng)營、集體經(jīng)營、企業(yè)經(jīng)營等共同發(fā)展的農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式創(chuàng)新，打造傳統(tǒng)承包農(nóng)戶的家庭經(jīng)營“升級(jí)版”。

泥巖（J2s-Ms）：為中等風(fēng)化帶，呈褐色。揭露厚度為3.45～46.90 m。

1.5 氣象

項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖濕潤，四季分明，年均氣溫17.5～18.5 ℃，多年平均最大日降雨量173.50 mm。降雨主要集中于5～9月，且常有雷陣暴雨。春冬多霧，霧日最長達(dá)238 d。年平均相對(duì)濕度80%，絕對(duì)濕度17.6%。常年風(fēng)速較小，以偏西北風(fēng)見多，最大風(fēng)速為28.4 m/s。

2 裝配式與現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)對(duì)比

（1）預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場裝配效率高，現(xiàn)場采用工廠化制作安裝，室內(nèi)鋼筋加工采用數(shù)控機(jī)床，混凝土澆筑采用振動(dòng)臺(tái)，養(yǎng)護(hù)采用自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，場內(nèi)溫度恒定，采用機(jī)械化生產(chǎn)，自動(dòng)化程度高，人工成本大幅降低。誤差控制在毫米級(jí)，墻體無滲透、無裂痕，室內(nèi)可實(shí)現(xiàn)下一步裝飾裝修，更高效快捷，質(zhì)量更有保證。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化以及精細(xì)化數(shù)字化管理，集成技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)通過規(guī)?；?yīng)，可以更好地實(shí)現(xiàn)材料節(jié)約、能源節(jié)約，減少垃圾產(chǎn)生，施工現(xiàn)場揚(yáng)塵、噪聲等環(huán)境污染較少。

（2）現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)場工序多，包括現(xiàn)場鋼筋截取、綁扎、驗(yàn)收、各種預(yù)埋件設(shè)置、混凝土澆筑、混凝土養(yǎng)護(hù)等。生產(chǎn)效率低，現(xiàn)場需要眾多模板、支架、人工，工藝過程需要的時(shí)間間隔等使生產(chǎn)效率進(jìn)一步降低。人工成本高，從事現(xiàn)場施工環(huán)境人員逐年減少，導(dǎo)致工程施工人工成本陡增。由于工序繁多，需要的人員數(shù)量也較多。誤差難以控制，目前為厘米級(jí)。空間尺寸變形大部分安裝難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，基層質(zhì)量較差，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)字化管控較難，無法進(jìn)行有效設(shè)計(jì)、施工一體化管理，容易造成材料浪費(fèi)、能源消耗多、垃圾問題嚴(yán)重施工現(xiàn)場環(huán)節(jié)較差，噪聲、廢水等環(huán)境問題突出。

3 BIM+裝配式建造

（1）配式建筑的核心是集成，BIM技術(shù)是集成的主線。主線串聯(lián)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、裝修和管理的全過程，服務(wù)于設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維、拆除的全生命周期，可以數(shù)字化虛擬、信息化描述各種系統(tǒng)要素，實(shí)現(xiàn)信息化協(xié)同設(shè)計(jì)、可視化裝配，工程信息交互和節(jié)點(diǎn)連接模擬及質(zhì)量校核等全新運(yùn)用，整合建筑全產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)全過程、全方位信息化集成。

（2）傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)存在各專業(yè)交圈不夠、各專業(yè)沖突的問題，在施工過程中頻繁出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更、返工等，延誤工期，增加項(xiàng)目成本。

（3）BIM設(shè)計(jì)的全專業(yè)協(xié)調(diào)綜合了建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、精裝、景觀等各專業(yè)，通過可視化的優(yōu)勢對(duì)前期的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，避免返工。

（4）裝配式項(xiàng)目本身具有一定的綜合性和復(fù)雜性，前期通過BIM可視化的優(yōu)勢對(duì)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、鋼筋節(jié)點(diǎn)等問題提前發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化，解決后期生產(chǎn)、施工環(huán)節(jié)的隱患。

（5）設(shè)計(jì)前置，穿插前行，一體化設(shè)計(jì)，對(duì)于后期施工運(yùn)營都采用全周期管理。

（6）預(yù)制構(gòu)件實(shí)施范圍不是項(xiàng)目提質(zhì)提效的決定因素，技術(shù)路線的選擇是設(shè)計(jì)基于提質(zhì)提效需求、統(tǒng)籌全產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)果。

（7）提質(zhì)提效除了技術(shù)因素，還與項(xiàng)目精細(xì)化管理和施工組織的計(jì)劃性密切相關(guān)。

（8）新體系、新工法、新產(chǎn)品需要在項(xiàng)目全過程中接受檢驗(yàn)，應(yīng)符合“工序簡化、操作簡單、質(zhì)量易控”原則。應(yīng)提高數(shù)量、產(chǎn)量、質(zhì)量，在保證預(yù)制率和裝配率的同時(shí)，需要具有較高的有效率。

4 裝配式隧道

4.1 裝配式隧道背景

19世紀(jì)末，英國倫敦地鐵率先采用盾構(gòu)法施工并獲得成功。盾構(gòu)隧道通常采用全裝配式結(jié)構(gòu)，預(yù)制管片在接頭處通過螺栓連接，螺栓處外面預(yù)留注漿管，安裝后及時(shí)注漿，對(duì)結(jié)構(gòu)起到了良好的防水作用。

1996年，裝配拱頂結(jié)構(gòu)在礦山法暗挖條件下，由2個(gè)帶千斤頂?shù)匿摻钚ㄐ谓宇^擠壓連接形成。日本在山嶺隧道的二次襯砌中開發(fā)了預(yù)制板兼模板技術(shù)，減少模板的同時(shí)保證了裝配式結(jié)構(gòu)的順利實(shí)施。日本采用過預(yù)制裝配式構(gòu)件進(jìn)行隧道修筑，隧道拱頂和邊墻為預(yù)制構(gòu)件、底部的中間部位為現(xiàn)場澆筑，即HK工法，起到了一定的引領(lǐng)作用。

2016年，全國首例全裝配式明挖地鐵車站長春地鐵2號(hào)線袁家店站建成，標(biāo)志著我國裝配式結(jié)構(gòu)建筑首次進(jìn)入地鐵領(lǐng)域，起到了良好的示范作用。

2017年，北京市首座全裝配式車站北京地鐵6號(hào)線金安橋站建成，進(jìn)一步推動(dòng)裝配式建筑結(jié)構(gòu)在地鐵中的應(yīng)用。

2020年，哈爾濱地鐵3號(hào)線TJ2-6標(biāo)丁香公園站采用疊合結(jié)構(gòu)與局部整體現(xiàn)澆的組合模式車站建成，自2020年，青島、深圳的首個(gè)裝配式地鐵車站陸續(xù)開建。

4.2 本項(xiàng)目裝配式隧道設(shè)計(jì)及施工

按照吊裝要求、裝配式工廠機(jī)械設(shè)備要求、道路運(yùn)輸車輛運(yùn)輸要求、現(xiàn)場機(jī)械設(shè)備吊裝要求、現(xiàn)場安裝精度要求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)考慮，采用BIM技術(shù)精確設(shè)計(jì)連接構(gòu)造節(jié)點(diǎn)。

每環(huán)設(shè)計(jì)采用BIM相結(jié)合建立1∶1模型，設(shè)計(jì)時(shí)考慮現(xiàn)行常規(guī)設(shè)備能夠生產(chǎn)、能夠運(yùn)輸、能夠吊裝、能夠安裝和穩(wěn)固要求。每一環(huán)長度為3.5 m，隧道每環(huán)切割為6大塊，每環(huán)2塊A型預(yù)制塊，重量1.3 t，2塊B型預(yù)制塊，重量1.2 t，2塊C型預(yù)制塊，重量1.6 t。預(yù)制塊A采用鋼筋接駁器與預(yù)制C的仰拱連接；預(yù)制塊B與預(yù)制塊A采用雙榫接頭，灌漿套筒連接；2塊預(yù)制塊B之間采用雙榫接頭，鋼棒連接；縱向每環(huán)之間采用單榫接頭，鋼棒連接；榫槽內(nèi)間隙采用壓力注漿的方法水泥漿液，為保證施工安全注漿后，待漿液凝固一周后方可回填土。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)斷面

施工主要工序有施工準(zhǔn)備、基坑開挖、基底檢測、管片臺(tái)車就位、管片安裝、基坑回填?；娱_挖過程中注意放坡的坡度必須滿足基坑穩(wěn)定要求，隨挖隨支。基底檢測過程中需要預(yù)留30 cm土體不可破壞，檢測承載力合格后，采用小型設(shè)備開挖最后的土體并用壓路機(jī)壓實(shí)，壓實(shí)度≥96%，回填土每層左右高差小于50 cm，對(duì)稱夯實(shí)壓實(shí)度≥94%，施工過程中采用跨墩龍門吊及汽車吊配合安裝。在隧道施工過程中，嚴(yán)禁使用大型機(jī)械設(shè)備對(duì)隧道進(jìn)行加載，小型設(shè)備壓實(shí)過程中壓實(shí)速度需要控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

采用裝配式隧道與BIM的深化設(shè)計(jì)，縮短了工期并減少了工程造價(jià)，達(dá)到了“十四五”計(jì)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要“堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢”要求，將創(chuàng)新與綠色環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合。在設(shè)計(jì)過程中采用多種方案模擬以及現(xiàn)場試驗(yàn)研究，在過程中采用模擬吊裝、模擬安裝、模擬臨時(shí)支撐體系搭建和拆除等工序，更明確了明挖隧道采用裝配式結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)點(diǎn)和巨大的市場潛力，在未來的推廣應(yīng)用中起到了良好的示范作用。