基于BIM技术的隧道浅埋暗挖法开挖方案的优化分析

王 启 光

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

基于BIM技术的隧道浅埋暗挖法开挖方案的优化分析

王 启 光

(河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000)

针对某市某地铁隧道开挖施工方案的研究，文章采用BIM技术从定性和定量的角度,分析比较了在两种开挖方式下，隧道的围岩稳定性、工艺难度、施工进度以及材料消耗量等的差异，从而优化选择全断面开挖方案，并通过现场数据监测分析，验证了方案的合理性。

CD法；全断面法；监控量测；BIM

工程实践中，齐卫涛[1]针对下穿隧道施工过程中产生的路面大幅沉降现象，通过对地面沉降、隧道拱顶下沉和水平净空收敛进行监控量测和数据分析,绘制环城高速地面沉降和拱顶下沉历时曲线并进行回归分析,提出相应的施工措施,为隧道施工提供科学依据。何政[2]对比了隧道在CD法和全断面法施工条件下地层的变化情况，采用3维有限元分析的方法，分析在隧道开挖过程中对于地表沉降、衬砌变形、管线变形的影响。在此基础上，肖尧[3]针对山城重庆的特殊地质条件以及城市地铁开挖的特点，研究分析了适合重庆地区的地铁隧道开挖方法，也为其他城市地铁修建提供了相应的参考。赵华英[4]将建筑信息模型(Building Information Modeling，简称：BIM)技术和监控量测进行了结合，应用于基坑安全监测方面，探索出了5D监测技术，使得监测工作变得更加直观、准确和快捷。

隧道设计者从其设计角度出发，在Ⅲ级和Ⅳ级围岩修建地铁隧道时，侧重于安全角度更多采用双侧壁导坑法、台阶法和CD法，而施工单位在综合安全、进度和材料各方面因素条件下经常选择只在洞口采用以上方法，一旦进入洞身就逐步改为全断面[5]，针对这种施工情况，本文借助于BIM技术并结合某市地铁5号线大龙山～大坝山区间(简称：大大区间)隧道工程案例，进行综合对比研究，分别从定性和定量两个角度，对两个方案进行论证比较，以期从中得到较优的开挖方案，对类似工程问题的处理提供一定的帮助。

1 开挖方案设计

某市地铁大大区间隧道全长430.95 m，基于新奥法原理，采用钻爆法施工。区间右线隧道YCK23+931.41～YCK24+179.00段为单洞双线段隧道，埋深在21.60 m～35.00 m之间，属于浅埋暗挖隧道，围岩以紫红色、暗红色泥岩、粉质砂岩为主，夹青灰色、灰白色中厚至厚层状砂岩，由上而下依次为第4系全新覆盖层(Q4 ml)、残坡积层(Q4el+dl)和侏罗系中统沙溪庙组(J2S)沉积岩层。根据隧道埋深和地质情况，设计给出CD法和全断面法两种施工方案。

2 方案对比

在大大区间隧道段，基于新奥法原理，分别有全断面法和CD法两种开挖方案。为了充分比选两种方案，本文借助于BIM这一工具，通过建立信息化的BIM参数平台模型，从而能够直观、准确、快捷地查看模型信息，对隧道所通过的围岩情况有一个直观的了解。在平台模型中，通过将CD法和全断面法进行虚拟施工展示，然后从定性和定量的角度比较两种施工方案的优缺点，进而对实际施工给予指导意见。

2.1 定性比较

2.1.1 围岩等级

图1 大大区间隧道整体三维地质模型

新奥法主要是利用围岩本身的承载能力并加上开挖过后形成的衬砌共同保证隧道的安全，所以围岩情况的好坏对于隧道施工安全有很大的影响。大大区间隧道整体三维地质模型如图1所示。通过对其进行多剖面多角度的观察，分析得到岩体的构造情况，节理的发育完整程度以及断裂层的宽度等信息，最终判断大大区间所经过的围岩为Ⅲ级～Ⅳ级围岩，则全断面法和CD法均可采用。

2.1.2 稳定性

利用BIM技术的可视性和模拟性，在模型平台上模拟不同开挖方式，真实再现两种方案的施工顺序与特点，比较发现全断面法由于开挖面和每次爆破面积较大，不利于围岩稳定性，而CD法各部开挖及支护工序为自上而下，步步成环，各分部能及时封闭，综合比较CD法比全断面法在稳定性上更好一些，更适合在一些对地表土体沉降要求严格的工程中，全断面法和CD法的开挖展示分别如图2和图3所示。

图2 全断面法开挖展示

图3 CD法开挖展示

2.1.3 施工难度

在施工难度方面，全断面法与CD法相比主要有两个优势：首先施工由于其工序少，相互干扰小，更便于施工组织管理；其次有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业。因此，在保证隧道安全的前提下，应当优先采用全断面法进行施工。

2.2 定量分析

2.2.1 工程进度

结合现场的地质情况，根据CD法和全断面法两种施工工艺的不同，设计采用CD法和全断面法的施工日进度分别为2.40 m/d和3.00 m/d，单洞双线段全长约247.59 m，考虑到实际施工情况及其它因素，开挖工期经过计算理论上能提前23 d左右。

2.2.2 材料消耗

在施工组织设计中，CD法每榀需要约726.92 kg的I16工字钢，连接件298.22 kg,中壁临时钢架工字钢及连接件0.22 t，混凝土1.78 m3，因为每榀长度为60 cm，所以CD法初期支护阶段钢筋用量为538.58 t，混凝土用量2 601.31 m3(不包含超欠挖回填量)。全断面法与CD法衬砌结构采用了除中壁临时支撑之外相同的结构，则全断面所消耗的钢筋用量为447.10 t，混凝土用量1 866.81 m3。CD法与全断面对比如表1所示。

表1 CD法与全断面法对比

从表1的对比分析可以看出，在隧道开挖过程中，全断面法能够充分利用隧道空间，使用大型高效的机械设备，提高施工速度；其次还能充分发挥深孔爆破的优势，断面一次成型，所以施工组织与管理比较简单；配套的通风、运输、排水等辅助工作及各种管线铺设工作都相对比较便利。CD法相比全断面则在稳定性、收敛控制方面更具有优势。在实际现场施工中，初步选定全断面法，但这种只是参考已建工程的参数指导和理论基础，仍需要通过使用专用的设备、仪器，对围岩和支护结构的变形、受力情况进行观测，并最终给出其安全性和稳定性的评价。

3 监测验证

监控量测工作是监视设计、施工是否正确的眼睛，是判断围岩是否安全稳定的手段，通过监控量测了解大大区间段地层与支护结构的动态变化，将全断面开挖时所获得的数据处理、分析。针对采取工程措施来控制地表下沉，了解施工过程中结构所处的安全状态，确保地面交通顺畅和地面建筑物的正常使用。现场实测的结果可以补充理论分析过程中存在的不足，指导施工，为后续开挖提供依据。

3.1 监控内容

选取YCK24+179到YCK24+159段做右线全断面试验段，主要监测对象分别是地面沉降、地面建筑物、隧道收敛、拱顶下沉4个项目。监测点的具体布设可根据实际情况作相应调整，监测点垂直分布于轴线区域沿隧道轴线每5 m～10 m一个断面，每断面3～5对测点，监测基点埋设在沉降影响范围以外的稳定区域内。大大区间上部地表建筑物主要有6栋，分别将其标记为J1-1～J1-6，如图4所示。

图4 建筑物监测图

3.2 监测数据处理分析

在隧道开挖的过程中，现场监测人员对4个项目进行定期监测，然后将监测数据上传至监控量测BIM信息平台，通过对监测数据的整理分析，可以得到各个监测项目的沉降曲线，如图5、图6、图7、图8所示。

图5 建筑物沉降量累计监测值

图6 地表沉降量累计监测值

从图5中建筑物3个监测点的监测数据来看，在监控初期，建筑物沉降率较大，后随着开挖支护完成，围岩开始渐渐趋于稳定而逐步减小，直至趋于稳定。测点的曲线变化经历了快速增长阶段和缓慢趋稳两个阶段，历时55 d后地表稳定，累计变形总量为13.35 mm小于黄色预警值14 mm[7]，为安全状态。从图6地表沉降量累计监测值看出，在隧道开挖初期地表下沉速率较大，然后速率减小开始缓慢沉降直到2015年4月27日开始趋于稳定，大部分沉降量在2015年3月2号到4月27号之间完成，且累计变形量占总变形的80%～90%，累计变形最大量为7.42 mm略高于黄色预警值(7 mm)但小于橙色预警值(8.5 mm)[7]，则地表沉降量仍在安全范围内。

图7 区间收敛量累计监测值图

图8 拱顶沉降量累计监测值

从图7区间收敛量累计监测值观察，其曲线变化呈“抛物线”型。测线总的变化趋势分为快速增长阶段、缓慢增长阶段和逐渐趋于稳定3个阶段。在隧道开挖之初，围岩收敛明显，开挖30 d后收敛就基本趋于稳定，其中SL24+170和SL24+175收敛量为7.11 mm，SL24+165收敛量为6.24 mm，均在安全范围内。从图8可以看出，监控初期，拱顶下沉速率较快，下沉量在2015年5月9日为11.3 mm～13.5 mm之间，占总下沉量的60%左右，随后下沉速率减小并在5月30以后逐渐趋于稳定。拱顶最大下沉量为22.6 mm略高与黄色警戒值(21 mm)但小于橙色预警值25.5 mm，属于安全控制范围内[7]。

在YCK24+179到YCK24+159段全断面开挖试验段，通过对地表、建筑物、拱顶和净空等的沉降值的监测，位移沉降量基本上都经历了“急速变化→缓慢变化→趋于稳定”的3个过程。开挖初期阶段，隧道围岩内部测点变形很小，随着隧道开挖面的推进，各个监测点位移开始显著增大，且离洞周壁面最近的测点位移最大，离洞周壁面越远位移越小。从稳定时间和空间上看，当拱顶开挖完毕时，测点位移达最大沉降量的60%左右，当开挖面通过监测点大约40 m时，各个位移已基本达到稳定。将监测值与安全值相比较发现均在安全范围以内，证明全断面开挖是安全的，则区间隧道由CD法改为全断面法施工方案可行。

4 结 语

目前很多隧道方案的比选单纯考虑安全性因素，而忽略了对于进度和材料因素的考虑，本文运用BIM技术，结合某市大大区间隧道的水文地质条件，将该工程设计提供的CD法和全断面法两种设计方案进行比较，最终确定了全断面法为该项目最优施工方案。通过该方法的论述，对以后的建设方案比选提供一种新的思路和方向。

[1] 齐卫涛.浅埋暗挖CRD法下穿高速公路监控量测分析[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2015,25(1):35-37+69.

[2] 何政.浅埋暗挖CD法施工改全断面法施工的隧道计算分析[J].福建建材,2014(11):8-10.

[3] 肖尧.山城重庆地铁开挖方法选择[J].重庆工商大学学报(自然科学版),2014,31(6):97-100.

[4] 赵华英,叶红华,陈陟,等.保利大厦基坑5D监测中的新兴呈现(Emerging)技术[J].土木建筑工程信息技术,2014,6(4):36-41.

[5] 陈宇,陶成富,李亮,等.隧道不同施工方法监控量测分析[J].公路工程,2008,33(2):143-145.

[6] 于振振.基于监控量测与数值模拟的隧道围岩稳定性分析[D].西安:西安建筑科技大学,2011:52-54.

[7] 建设部关于发布国家标准《城市轨道交通工程测量规范》的公告[J].城市道桥与防洪,2008(5):104.

Comparative Study on Construction Scheme Based on BIM Technology in Shallow Excavation Tunnel

WANG Qiguang

(Henan polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In order to study of the construction scheme of subway tunnel excavation in Chongqing, based on qualitative and quantitative analysis, BIM technology is employed to analyze and compare the stability of surrounding rock, process difficulty, construction schedule and material consumption in two kinds of excavation ways. As a result, full section excavation scheme is optimized and the rationality of the scheme is verified by field data monitoring and analysis.

CD method; full section method; monitoring measurement; BIM

2016-11-20

王启光(1991-)，男，河南焦作人，在读硕士研究生，主要从事BIM技术方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.008

TU45

A

1674-5403(2017)01-0026-05