BIM技术在新鼓山隧道复杂段设计中的应用

2015-02-11戴林发宝王春梅邓朝辉王亚飞

铁路技术创新 2015年6期

■ 戴林发宝王春梅邓朝辉王亚飞

■ 戴林发宝王春梅邓朝辉王亚飞

以福平铁路新鼓山隧道项目为依托，将BIM技术应用于新鼓山隧道进口215 m范围内隧道复杂段设计，得出BIM技术在隧道复杂段设计中具有以下优势：利用地质三维模型，按照地质三维分布，确定隧道洞口和隧道走向；利用三维开挖工具，建立复杂的洞口开挖模型，可直接利用模型生成土方数量表；利用BIM的4D技术，一方面可以完成隧道复杂段的施工模拟，另一方面可以检测出模型自身的问题。

BIM；隧道设计；4D；新鼓山隧道

0 引言

BIM作为一个专门的专业术语在2002年被提出，此后，全世界工程建设行业掀起了BIM研究和应用的热潮。目前BIM的应用价值已经得到政府的高度关注和行业的普遍认可，更被誉为是建筑业变革的革命性力量。

《2011—2015 建筑业信息化发展纲要》明确指出：加快建筑信息模型（BIM）、基于网络的协同工作等新技术在工程中的应用。几乎是同一时期，清华大学通过研究，参考NBIMS，结合调研提出中国建筑信息模型标准框架，并且将该标准框架分为面向IT的技术标准与面向用户的实施标准。近期，中国铁路BIM联盟提出工程项目EBS分解和铁路行业分类编码，为铁路行业BIM标准的制定踏出了坚实的一步。可以预见，BIM作为建设项目信息的承载体已经没有太大的争议。那么，现阶段什么样的项目最适合BIM呢？

BIM的生命力是项目的全生命周期，因此，理论上BIM适用于所有的项目，并能大幅提高生产效率和降低生产成本。目前，由于行业BIM标准尚未形成，项目不同阶段、不同参与方、不同应用软件之间的信息结构化组织和信息交换共享还难以实现。当前，仅从设计的角度来看，造型复杂、功能复杂或规模庞大的项目最适合BIM，因为这些项目从可视化、空间表达、协同工作等各方面都大大超过传统设计的能力范围，而BIM为此则提供了前所未有的可能和潜力。鸟巢、上海中心、上海世博馆等这些BIM成功应用案例充分证明了这一点。

结合福平铁路新鼓山隧道复杂段BIM设计，探讨BIM技术在隧道复杂段设计中的应用，并从中得出BIM在隧道设计中的应用方向和潜在优势。

1 工程概况

新鼓山隧道全长8 199 m，其中进口位于福州市东山村东侧，距离东山村约400 m，进口里程为DK5+095，隧道分别在DK5+205、DK5+230下穿福州南三环和机场高速，公路与隧道线位交叉角49°，隧道交叉段落长约140 m。隧道复杂段起点为进口，终止点为DK5+310，全长215 m。

隧址区进口分布较厚的第四系地层，下伏燕山晚期第一次侵入（γ5a）花岗闪长岩，以F1断层形式与侏罗系凝灰熔岩接触。进口段局部分布人工填土，为道路路基，厚0～3 m；主要为冲洪积卵石土，粒径60～180 mm，最大厚度大于11 m；丘坡表层为坡残积粉质黏土厚0．5～4 m。穿越段隧道顶覆土厚度4．1～4．9 m。穿越段均为V级围岩，为全风化花岗闪长岩。孔隙潜水及基岩裂隙水较发育。下穿段埋深浅，地质差，通过困难较大。

2 隧道复杂段设计

根据隧道进口地形和工程地质条件，结合开挖边仰坡的稳定性及洞口排水的需要，本着“早进晚出”的原则确定隧道进口位置并采用合理的隧道洞门形式。隧道进口采用斜切式洞门，接55 m长明洞至下穿公路段，明洞段全长75 m。下穿公路段采用加强的支护措施，在DK5+300—310处设置管棚工作井一处，由该工作井处完成向小里程及大里程方向的管棚施工。总体结构方案见图1。

洞口边仰坡开挖方案：临时边坡采用1∶1，永久边坡采用1∶1．5，仰坡采用1∶1．5。工作井段开挖方案：机场高速的道路标高为44．58 m，取基坑整平地面标高44．5 m。整平地面以上部分采用放坡开挖，边坡坡率取1∶1．5。开挖后的洞口地形和工作井地形见图2。

BIM开挖模型建立的过程就是土方计算的过程，因此可以直接通过BIM模型导出土方量，如洞口土方工程量见表1。

下穿公路段设计采用双层φ127 mm（壁厚7 mm）超前长管棚注浆预支护，管棚段长130 m，环向间距40 cm，层间距30 cm。利用DK5+170、DK5+300两处掌子面，管棚双向对打，搭接不小于5 m，搭接位置位于机场高速的隔离带下方。注浆过程中控制注浆压力及速率，加强地表监测。洞口侧长管棚导向墙采用C25混凝土；掌子面打设玻璃纤维锚杆，玻璃纤维锚杆全下穿段均设置。下穿段隧道衬砌采用加强的双层初支衬砌同时采用HW175型钢全环钢架并对二衬进行加强设计。隧道通过地段为围岩较差的Ⅴ级围岩，上方为南三环和机场高速道路，为了确保安全，控制地表沉降，本段施工采用双侧壁导坑法，进尺为0．6 m。

工作井段垂直围护方案：整平地面以下采用φ800 mm@1 000 mm钻孔桩，桩长为18．5 m；钻孔桩采用水下C30混凝土；桩顶冠梁截面为1 000 mm×1 000 mm，冠梁采用C30混凝土；第一道支撑截面采用800 mm×1 000 mm，支撑倒角为300 mm，采用C30混凝土；混凝土围檩截面为800 mm×1 000 mm，采用C30混凝土；第二道支撑截面采用800 mm×1 000 mm，支撑倒角为300 mm，采用C30混凝土；混凝土板撑厚度采用400 mm；第三道支撑采用型钢支撑，型钢采用HN400×200；支撑与围护桩之前采用钢围檩连接，钢围檩采用56a双拼工字钢。垂直围护方案见图3。

3 隧道复杂段4D分析

传统的施工模拟，采用绘制施工工序图的方法，这种方法对于简单的结构，设计表达清晰，能够完成预期的目的。但是对于较复杂的结构，如本项目隧道进口工作井段落，设计内容包括基坑、围护结构、护拱、导向墙、大小里程方向管棚、隧道初期支护、二次衬砌，施工顺序较复杂，仅采用施工工序图，无法表达清楚，而且无法将施工的进程与时间关联在一起。

本项目借助BIM技术，通过动态施工模拟和模型自动剖分生成的施工工序图，准确表达构件在施工过程中的时间和空间状态。施工模拟动画截屏见图4。

工作井处涉及构件众多，按照原设计，第二道支撑和第三道支撑的设置与导向墙的设置存在一定的干涉。通过漫游BIM模型，可以清晰得到干涉的位置（见图5）。通过对支撑位置的调整设计，避免冲突。