基于BIM的電力盾構(gòu)隧道地層損失量實時監(jiān)測

拾 峰，高 飛，于 唯，洪 強，郭 堯，孫軍強

(1.國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 211000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210009)

0 引言

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術快速發(fā)展，被認為是未來建筑行業(yè)的第二次革命。由于地下工程施工的特殊性，BIM技術在地下工程領域的發(fā)展比較滯后。相對建筑、公路、橋梁等工程而言，地下工程建設難度更大、施工風險更大、安全隱患更多，而且一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，修復難度較大，所以在地下工程施工過程中要執(zhí)行嚴格的實時監(jiān)測與控制規(guī)程。

以南京秋藤—山江220 kV線路工程為例，基于BIM技術對地層損失量進行實時監(jiān)測研究，從而為盾構(gòu)參數(shù)提供實時數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

1.1 項目簡介

南京秋藤—山江220 kV線路工程(電纜段)盾構(gòu)區(qū)間，起點為山江變電站頂管段末端(珍珠泉旅游度假區(qū))，終點為珍珠街，接南京秋藤—山江220 kV線路。該電纜為盾構(gòu)段(埋深6～17 m)，盾構(gòu)隧道段共設置3座盾構(gòu)井，盾構(gòu)始發(fā)井、盾構(gòu)過渡井及盾構(gòu)接收井各一座。區(qū)間總長約2 325 m，隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑為200 m，最大坡度3.5 %，隧道內(nèi)徑為3 000 mm，外徑為3 500 mm。

1.2 工程難點

本區(qū)間隧道從粉質(zhì)黏土及基巖中通過，隧道圍巖接觸界面多變，有軟斷面、上軟下硬及全斷面硬巖等不同形式，盾構(gòu)姿態(tài)不易控制，對刀盤切削能力要求較高，且局部巖層破碎、裂隙發(fā)育處可能存在豐富的基巖裂隙水、土倉壓力不穩(wěn)定，易造成地表塌陷，以及隧道涌水、涌砂。

2 BIM技術應用

2.1 地層損失量計算

在隧道盾構(gòu)施工中，由于管片的拼裝是在盾構(gòu)機的外邊鋼殼內(nèi)進行的，當盾構(gòu)機向前推進時，外邊鋼殼跟隨盾構(gòu)機前進，在盾構(gòu)機內(nèi)部拼裝的管片脫出盾構(gòu)機，由于盾構(gòu)機的外邊鋼殼比管片的外徑要大，在管片和土體之間必然會形成較大的空隙，這時管片后的土體在自重作用下也會發(fā)生位移，從而引起隧道上方的地層移動，部分區(qū)域甚至會產(chǎn)生較大的瞬時沉降。

地層的變化情況按應變—變形—位移—地面沉降的過程逐步表現(xiàn)出來。地層損失是按照理論計算得出的土體與實際施工中開挖出的土體的體積差。

不計實際施工中的土體損失，盾構(gòu)機開挖出的土體體積V0為：

式中：r0為盾構(gòu)外徑；L為推進長度。

盾構(gòu)機每推進1 m所產(chǎn)生的地層損失為：

式中Vs為地層損失率，%。以Peck公式的假設為基礎，即假定施工引起的地面沉降是在不排水的情況下發(fā)生的，則認為沉降槽體積等于地層損失的體積，且地層損失在隧道長度上均勻分布，也就是地層損失率等于同一斷面沉降槽截面積S1與盾構(gòu)外徑面積S2的百分比V實。

式中：S1為實測沉降面積，mm2；S2為盾構(gòu)外徑面積，mm2，為定值；盾構(gòu)外徑均為3.5 m；V實為實測地層損失率，%。

2.2 技術原理

本次要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足并提出一種基于BIM的隧道地層損失量監(jiān)測裝置及方法，同時考慮機頭沉降的影響，能夠直接準確實時測量盾構(gòu)過程中的地層損失，從而避免依據(jù)地表沉降分析引起的滯后。

該隧道地層損失量監(jiān)測裝置由盾構(gòu)機姿態(tài)和沉降監(jiān)控設備、隧道沉降監(jiān)控設備、無線傳輸設備和BIM平臺構(gòu)成。

(1) 盾構(gòu)機姿態(tài)和沉降監(jiān)控設備安裝于盾構(gòu)機尾部，用于監(jiān)測盾構(gòu)機的傾角和沉降并將盾構(gòu)機機頭的傾角和因機頭重量引起的沉降量L0經(jīng)無線傳輸設備輸出至BIM平臺。

(2) 隧道沉降監(jiān)控設備安裝在已掘進的沿線隧道襯墊內(nèi)側(cè)，用于監(jiān)測已掘進隧道的沉降并將已掘進隧道沉降量L1經(jīng)無線傳輸設備輸出至BIM平臺。

(3) BIM平臺上設有無線信號接收設備，接收盾構(gòu)工作井上無線信號設備發(fā)出的信號，對接收的盾構(gòu)機機頭的傾角、L0及L1進行處理得到地層損失量。

2.3 模型優(yōu)化與應用

對隧道地層損失量監(jiān)測裝置進一步優(yōu)化，在隧道內(nèi)安裝多個沉降監(jiān)控設備，每隔5～50 m在隧道頂部布設一個。

該裝置是考慮沉降條件的隧道地層損失量計算模型，其使用方法包括以下幾步驟。

(1) 基于BIM技術和盾構(gòu)機頭行進坐標，建立盾構(gòu)機行進過程的三維模型。

(2) 基于步驟1中BIM行進過程的三維模型和隧道沉降監(jiān)控設備監(jiān)測結(jié)果，采用樣條曲線對已掘進隧道的沉降量沿行進里程進行插值，建立具備時空效應的三維隧道變形模型。

(3) 基于BIM的三維模型技術，獲取由非線性引起的盾構(gòu)機切向旋轉(zhuǎn)占用體積和隧道的等效開挖半徑。

(4) 基于步驟1的盾構(gòu)機行進過程的三維模型、步驟2的三維隧道變形模型、隧道沉降監(jiān)控設備監(jiān)測結(jié)果及步驟3中隧道的等效開挖半徑，計算地層損失量Vj及已掘進隧道地層損失量V'j公式為：

式中：Vj為因隧道開挖造成的計算地層損失量；為已掘進隧道地層損失量；R為隧道的等效開挖半徑，隧道直線開挖則等于開挖半徑，隧道存在旋轉(zhuǎn)半徑開挖則根據(jù)BIM模型中占用體積計算等效半徑；r為隧道管片的外圍尺寸半徑；L為盾構(gòu)機的沉降量；L0為盾構(gòu)機機頭重量引起的沉降量；D為盾構(gòu)機頭的長度；θ為盾構(gòu)機機頭傾角；為已掘進隧道的沉降量，即因盾構(gòu)機機頭重量引起的沉降量L0與已掘進隧道的沉降量L1之和，其計算模型如圖1所示。

圖1 考慮沉降條件的隧道地層損失量計算模型

3 結(jié)束語

這種基于BIM的隧道地層損失量監(jiān)測裝置和使用方法能夠直接準確實時測量盾構(gòu)施工過程中的地層損失，避免依據(jù)沉降分析引起的滯后性，為施工管理提供了更為直接的引起地表變形的物理指標，是開展進一步管控措施的依據(jù)，為隧道建設周邊安全提供了直接保障。