大瑞铁路路基工程BIM连续压实技术的成果应用

摘 要：以大瑞铁路某标段路基施工采用BIM连续压实技术为例，分析在复杂地质下路基连续压实的优缺点，为下一步BIM技術的大面积推广提供一定的借鉴。

关键词：路基施工；BIM连续压实；复杂地质；压实传感器

中图分类号：U213.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.026

1 背景阐述

1.1 BIM系统关于铁路施工连续压实技术简介

BIM的全称为Building Information Modeling，也就是建筑信息模型。这是一种新兴的建筑技术，将工程主体用计算机建模，进而模拟分析整体工程。现阶段，BIM技术在铁路设计领域中的应用尚处于探索阶段。随着中国铁路总公司对在建项目的安全、质量、投资、工期和环境等要求的逐步提高，将BIM技术应用于铁路设计领域是必然趋势。

在铁路工程建设中，虽然路基工程不及隧道工程、桥梁工程复杂，但它在项目总长度中所占的比例却是最大的。而路基填筑是路基工程中必不可少的一项工序，路基填筑连续压实则是铁路路基施工中极其重要的环节，是保证铁路工程项目路基质量的关键。在施工过程中，采用传统的路基填筑连续压实施工方法检测施工现场的路基压实度时，存在取样周期长、频率高、工作量大的问题。这些问题严重影响了施工进度，造成了巨大的人力、物力和经济损失。针对这些问题，本文提出了一种利用BIM模型的路基压实的实时监测技术，以实现对路基压实的自动采样、处理、一体化模拟展示和管理，避免人工干预，加快路基的施工效率，减小误差，提高检测精度，为BIM系统在我国以后的铁路工程建设提供数据支持和宝贵经验。

1.2 铁路设计行业BIM技术应用现状及技术特点

图1 BIM系统应用周期

现阶段，我国各大设计院正加紧开展铁路三维设计与BIM技术的应用研究工作。经过对BIM系统理论的深入研究和探讨发现，不同于成熟的建筑、水电行业BIM系统应用，我国铁路行业BIM技术应用还处于起步阶段，但铁路行业已经意识到BIM应用和发展的必要性。中国铁路总公司于2013-05召集各大铁路设计单位召开了“铁路勘察设计BIM应用技术研讨会”，专题讨论了“如何在铁路勘察设计中应用BIM技术”，为BIM系统日后的应用打下坚实的基础。另外，研讨会还同步立项“铁路工程建设信息化关键技术研究”科研课题。本文以路基连续压实技术和BIM系统为例，进行简要的分析。

铁路设计行业对BIM技术的应用具备以下特点：数字化、可视化、多维化、协调性、可操作和全过程等。其应用周期可描述为模型创建、工程分析、图纸表达、施工组织、施工建造和管理等模块，具体如图1所示。

1.3 大瑞铁路工程概况和BIM试点地质情况简介

由云桂公司建设，中铁三局承建的新建大理至瑞丽铁路工程项目保山至瑞丽段第5标段起讫里程D1K227+500～D3K287+296.088（邦滇大桥保山台尾），正线长度45.333 km，主要施工内容为：路基17.675 km，桥梁8 074.7延长米/32座，涵洞3 153.71横延米/101座，隧道19.583 km/8座，无砟道床13.1 km，车站4座。

芒市DK253+450～DK253+684.09段是BIM系统的试验工点之一，该段路基长234.09 m，线路以路堤通过，中心填方的最大高度将达到7.15 m左右。该段为粉质黏土表层，其下层有1～5 m的厚软土，再下层依次为泥质灰岩、泥灰岩强风化层、弱风化层。

地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶裂隙水，地下水水位埋深1～4 m。地下水多为HCO3-/Cl-/Na+/型水，水中酸性侵蚀，侵蚀性CO2对混凝土结构的侵蚀等级为H1。Mg2+/SO32-/及Cl-/对混凝土结构无侵蚀性，但是，该地区含煤系地层，地下水中的SO42-/对混凝土结构的腐蚀等级为H1。该地区地震动峰值加速度为0.2 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

按照平面设计图所示范围，基底采用直径为50 cm的水泥搅拌桩加固，桩位按正三角形布置，每根桩的间距为1.1 m。水泥搅拌桩检测合格后，在桩顶铺设0.6 m厚的碎石垫层，并且设置2层80 kN/m的土工格栅加固。

2 路基BIM的理论基础

2.1 路基连续压实原理和技术简介

连续压实是利用压路机压轮上的传感器由震动产生的传输信号的变化程度来反映压实效果的一种方法。这项控制系统最早由瑞典人提出，并在欧洲路基施工中实践了30多年，但其规范化应用则是1990年在奥地利推广，随后德国、瑞典、瑞士也加入了标准化、规范化的使用连续压实技术的行列中。随着路基压实工点建设数量的增加，此项技术也逐渐得到了发展。

2.2 路基连续压实的数学模型

现实问题往往复杂多变，求解起来十分困难，但利用数学方法进行合理假设简化，建立模型，便能得出可以接受的近似解。将传感器的离散数据网格化，可得到如图2（a）、图2（b）所示的直线数据和曲线数据。下面，笔者将介绍一种新型自动网格划分计算方案，以有效避免传统网格划分造成的锯齿数据所带来的误差问题。

如图3所示，规定网格编号从小里程到大里程依次增加，X方向编号由里程表示，Y方向编号由一般点到铁路中线的距离表示。图中实线为路基边界，虚线为路基中线。设铁路中线上有Y=f（X）的关系，路基内每个网格点的面积为C，任意一点P的网格编号坐标为：

式（1）中：D0为P点里程；F0为P点与中线间的距离。

中线上任意一点的里程为：

当P点不在路基中线上时，可利用中线上邻近P点处的Q点计算P点里程。根据PQ间的距离d计算P点到中线的距离F0，如图4所示。离散后的Q点中线坐标为Y=f（X），则式（2）可变为：

化简式（3）后可得：

Pi为中线上离散后的点，即该点编号。当P点位于PiPi-1区间内，计算PiPi-1上与P点最近的点S，梯形LiLi-1RiRi-1为PiPi-1的里程区间。LiLi-1，RiRi-1和PiPi-1这3条线两两平行，Li-1Ri-1，LiRi分别为角平分线，Qi-1Qi过P点并与中线平行，则S点的坐标为：

式（5）中：dp为P点到Pi-1Pi的距离；d为路基边界到中线的距离；Nor为单位化向量；|Qi-1P|和|Qi-1Qi|为两点间的长度。

根据式（5）可得出D0、F0的值，即：

将式（6）代入式（1）中便可计算出压实点的网格编号。利用此网格编号的数据便可以建立BIM模型，由计算机自动生成的BIM网格的过程本文不再赘述，相关文献已有说明。

3 BIM系统现场应用

3.1 路基智能连续压实的主要硬件

该系统采用GNSS实时动态定位技术，能够随时同步获得压路机压轮的三维位置和姿态信息。工作时，压力传感器将压轮的振动信息以图形和数值的方式传输到电脑上。这些数据经过软件处理后便可显示出工作面的碾压次数和效果等信息，同时，显示出的压路机前进方向、速度、振动频率、振动幅度信息，将其反馈给压路机操作手，以便进行动态调整。

该系统主要设备为CB460控制箱、CM310压实传感器、SNR数传电台、SNM940无线网关、MS992接收机和AS400坡度传感器。

3.2 压实传感器工作原理

在实际工作中，将振动压实传感器安装在钢轮轴线上，将实时采集的振动信号传输给电脑。当路基土体比较松散时，振动信号为正弦曲线，如图5所示，接收频率只有基波信号；当土体经过几次压实后，接收到的信号将产生畸变，如图6所示，接受频率也将产生2次谐波，用2次谐波分量（A2）与基波分量（A0）的比值来反映路基土体的压实效果。

3.3 现场操作方法

连续压实检测采用平碾方式对整个路基段进行碾压量测，振动压路机相邻碾压轮迹的重叠宽度不大于10 cm，振动压路机行驶在路基压实段区间时采集信号数据，压路机在路基两端转向掉头时不采集信号。连续压实的校验结果包含碾压面压实状态分布图和每一碾压轮迹的振动压实曲线。每种压实状态区域内的检测点应根据轮迹振动压实曲线安装振动压实值低、中、高3种情况，在振动压实曲线变化平缓位置选取数据进行比对。

3.4 压实结果校验

检测结果由振动压实值与常规质量验收指标之间的相关系数、线型回归模型和目标振动压实值组成。振动压实值与常规质量验收制表之间的相关系数要大于0.7，振动压实值应采用线性回归模型，如图7所示。根据常规质量验收指标的合格值，确定目标振动压实值计算公式为：

式（7）中：[VCV]为目标振动压实值；a，b为回归系数；[x]为现行相关标准确定的常规质量验收合格值。

路基压实检验可从压实强度分布、压实状态分布、压实均匀性分布3个方面体现出来。在实际工作中，可根据分布图分析压实薄弱区域，检测薄弱区域来控制整体压实效果，具体如图8、图9、图10所示。

对比大瑞铁路连续压实段DK253+450～DK253+684.09路基基床以下路堤、基床地层填筑传统检测仪BIM系統连续压实数据，结果如表1、表2所示。

4 结论与展望

根据分布图和表格的综合对比情况可得出BIM系统路基连续压实效果，从而达到设计要求的预期值。至此可以认为，将BIM连续压实技术用于大瑞铁路本段路基连续压实是可靠可用的。BIM路基连续压实技术可以利用信息化手段提高监控强度，加快生产效率，缩短工序时间，减少人力、物力资源的浪费。大瑞铁路工程项目地处云南地区活动断裂带，地质情况比较差，施工难度比较大，风险性高。该段采用BIM系统路基连续压实技术，比使用传统方法更快地完成了路基填筑的施工工序，其应用结果令人满意，为我国铁路在信息化技术的应用提供了宝贵经验。但是，在此过程中，鉴于机械、气候、地质环境等方面的影响，广泛推广该技术还需要更多的研究试点。

参考文献

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[2]王志杰.高速铁路客运专线路基填筑连续压实控制技术[J].施工技术，2016（S1）.

[3]王万齐.基于连续压实质量检测的压实薄弱区去评价指标研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[4]田立峰.路基连续压实质量评价方法[D].成都：西南交通大学，2016.

[5]官文龙.路基压实过程监控系统应用研究[J].路基工程，2013（1）.

[6]杨维威.铁路路基填筑中的连续压实控制技术应用[J].路基工程，2013（2）.

作者简介：宋晃（1984—），男，四川南部人，工程师。

〔编辑：白洁〕