丽香铁路路基数字化施工应用研究

刘厚强，王 垚，王万齐

（1. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2. 中铁天宝数字工程有限责任公司，四川 成都 610031；3. 中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

1 背景介绍

随着信息化技术变革的不断深入，现代社会发展对工程建设全过程提出了更高要求，也为BIM技术在工程建设领域的广泛应用提供了条件[1]。2013年12月铁路BIM联盟正式成立，旨在共同推进我国铁路BIM技术研究和应用，为铁路BIM技术研究和应用提供组织支撑。

铁路行业与建筑行业相比，具有专业多、施工工序繁杂等特点。随着BIM技术在设计阶段的日益推广研究，投入设计模型研究的人力越来越大，模型中的信息越来越多，模型也越来越复杂[2-4]。同时，随着设计模型的完善，在施工过程中怎么利用设计模型或施工模型对设计模型的需求研究就迫在眉睫[5-6]。施工模型的建立，首先需要确定各项施工项目基于BIM技术的关键施工工艺，所以基于BIM技术开展各专业各项工程关键技术的研究，用以探索BIM信息在勘察设计、建设管理和运营维护阶段的无损、高效传递，意义深远[7]。

丽香铁路路基BIM试点项目作为中国铁路总公司16个试点项目之一，除了验证铁路BIM联盟发布的各项标准和基于BIM技术的文件编制办法外，主要进行路基数字化工地的研究，打通BIM技术在路基设计和施工阶段的应用。项目于2016年3月入场，于2016年11月底结束，现场历时9个多月，积累了大量原始数据，取得了丰富的数字化工地分析资料。

2 项目概况

新建丽香铁路为单线电气化Ⅰ级客货共线铁路（设计时速160 km），起于丽江站，向北跨越金沙江，经小中甸后止于香格里拉站。本次试点工程所在地属青藏高原东南缘，横断山脉中段，地面高程3 305～3 355 m，地表多为草原、旱地，214国道于线路左侧60 m左右平行线路而行，交通方便。

本试点路基段位于丽香铁路居都谷车站附近，施工图设计里程DK128+000—DK135+159.57，线路总长7 159.57 m，路堤长6 489.57 m、路堑长670.00 m。主要路基工程有挖方71万方，填方60万方，预制方桩17.3万延米，水泥搅拌桩6.3万延米，多向水泥搅拌桩26.7万延米。

3 关键技术研究

本项目数字化工地主要研究该工地数字化场地建设、分层填筑模型应用、连续压实工艺分析、路堑边坡坡率控制和复合地基施工中模型的深化应用等。

3.1 数字化场地建设

场地的信息传递方法是实现数字化场地的关键。施工过程中，各种施工机械在运动中产生大量数据，这些数据对工程的质量、安全、进度等方面起决定性作用[8-9]。如何准确、及时采集这些数据，即时分析反馈到施工机械上，并引导机械下一步正确操作，至关重要。

本次试点，通过在现场设置无线网络基站，配合多种通信技术实现对施工场地的全覆盖。主要通信技术包括4种：

（1）使用电台网络将基站定位差分信号传输给现场施工机械及数字化测量系统；

（2）使用移动GSM网络将生产过程数据传输到远程服务器；

（3）使用Wi-Fi网络，在现场将生产机械互联，实现BIM技术及生产报表的现场应用；

（4）使用光纤专线接入，远程实时监控现场情况。

现场网络分布及数据传输示意见图1。

图1 现场网络分布及数据传输示意图

图2 分层填筑模型

图3 分层开挖模型

图4 数字化分层施工设计

图5 数字化分层施工结果

3.2 分层填筑模型应用

分层填筑模型（见图2）与分层开发模型（见图3）是在设计BIM模型的基础上，根据施工现场情况而建立。分层填筑模型用于控制填筑质量和存储施工过程数据，基于此模型，附加推土机、平地机、碾压机等机械的走位及相关资料（见图4、图5），可实时显示这些机械的走位轨迹及填筑时间，真实反映出实际施工的分层情况，施工中出现的超厚分层及非均匀分层可以一目了然，可将这些数据存档，便于后期（沉降评估等）查询，提高压实质量。

实际施工过程中，要达到最佳密实度，分层厚度的确定至关重要。分层厚度随着填料、施工环境和施工工法的变化而变化，模型分层厚度原则上通过现场施工前的填筑试验段确定。在施工规程中，填筑的参考厚度不大于0.3 m，由于实际施工中误差不可避免，填筑的实际分层厚度与BIM模型的分层厚度必然存在差异，要解决这个问题，只有根据实际施工过程动态调整施工分层模型，但这会导致出现各分层厚度不均匀的情况。同时，这也不能解决实际施工中的分层面凹凸不平的现象，机械走位轨迹曲线拟合曲面可真实反映这一情况。

3.3 连续压实工艺分析

传统路基压实质量检测主要采用“点式”抽样检测，存在无法实现过程控制、难以界定合格区域与不合格范围、不能反映整体区域特性、检测点不一定具有代表性及无法实现信息化和数字化等缺点，连续压实检测与控制技术是基于上述不足而形成的一种新的压实质量检测与控制技术。

连续压实检测与控制技术通过测量振动压路机振动轮振动信号，综合利用动力学分析、信号处理和信息融合技术，全面考虑各种影响因素，分析计算能够全面反映路基压实质量的振动压实值，集成嵌入式技术、网络技术及北斗定位技术，形成连续压实监测设备。在连续压实过程中，可通过车载连续监测设备LCD大屏幕实时了解路基压实质量情况，如反映压实质量的振动压实值、精确的空间坐标、高程、碾压遍数、碾压区域、碾压时间及振动压路机的工艺参数（行驶速度、振幅、工作频率等），并基于上述信息实现路基压实程度控制、压实均匀性控制、压实稳定性控制及压实工艺参数的监控，还可优化施工过程，避免造成过压和欠压，进而提高施工效率，节约成本。数字化施工与传统施工特点比较见表1。

本次应用研究依据Q/CR 9210—2015《铁路路基填筑工程连续压实控制技术规程》，并充分考虑具体情况，设定分级合理的目标，具体如下：

（1）与传统检测方法相结合，为传统方法提供决策辅助；

（2）实时显示压实质量信息，如振动压实值、精确的空间坐标、高程、碾压遍数、碾压区域、碾压时间及振动压路机工艺参数（行驶速度、振幅、工作频率等）；

（3）指示薄弱区域的空间及时间信息；

（4）优化测点的选择，如选择在薄弱区域设置或减少测点；

（5）现场实时指示压实质量，辅助机手自检；

表1 数字化施工与传统施工特点比较

（6）确认连续压实施工工艺，进行多个循环的工艺验证。

数字化施工分层碾压连续压实结果见图6。

图6 数字化施工分层碾压连续压实结果

图7 数字化施工分阶梯施工设计

3.4 路堑边坡坡率控制

本项研究的主要目的是通过现场无线网络、施工机械上的空间定位系统，实时反馈开挖过程中的坡面几何变化，并不断与现场校验的施工模型（见图7）进行比较，动态引导机械操作人员的下一步操作，消除了传统施工中边施工边放样测量的交叉过程（有安全隐患），避免边坡的超挖或欠挖现象出现（见图8），既保证了施工质量（薄弱区域数字化显示见图9），又排除了安全隐患，也加快了施工进度。

项目关键技术：收集安装在挖斗上的空间定位传感设备，分析挖斗的空间运行轨迹，再实时拟合成坡面。每个挖斗的空间定位可采用多个数据传感器精确定位。与传统施工工艺比较，机械的走位应强调路堑挖方采用横向台阶分层开挖，深挖路堑采用“横向分层、纵向分段，阶梯掘进”的方式施工；合理安排运土通道与掘进工作面的位置及施工次序，做到运土、排水、挖掘、防护互不干扰，确保开挖顺利进行。

与传统施工流程的比较见图10。

图8 数字化施工现场边坡施工结果

图9 薄弱区域数字化显示结果

图10 数字化施工流程与传统施工流程的比较

3.5 复合地基施工模型的深化应用

复合地基模型应用研究主要是将数字化、信息化技术手段和BIM模型结合，实现对复合地基施工的全过程控制及质量监管，实现“隐蔽工程”的过程透明、真实，质量成果的可靠、可视化，以及施工过程可追溯等。

复合地基施工模型为预制方桩及水泥搅拌桩，模型数据主要由两部分组成：处理范围数据和桩位数据。处理范围数据为地基处理范围体的上、下顶面及侧面坐标数据，桩位数据为具体各桩位的桩顶三维坐标和桩底高程坐标，可输出为文本格式。复合地基施工模型见图11。

试点项目研究从BIM模型中将桩基设计模型直接导入施工机械的方法，用以实现“设计指导施工”的无缝对接；研究桩基施工过程的全面记录、控制及可视化追溯的应用；研究桩基关键质量参数的量化控制，包括成桩位置、成桩深度、成桩时间、桩倾斜度、留振时间、每次拔管高度、反插次数、反插深度、电机电流值、持力层控制、填料量、充盈系数、混凝土喷射流量及速度等。

图11 复合地基施工模型

4 路基数字化工地应用前景

试点项目的实践表明，路基数字化工地可将信息化技术方法与BIM模型结合，实现对所有关键工程的全过程控制及质量监管，尤其对复合地基处理等“隐蔽工程”，施工过程可追溯。同时，大大提高质量成果，实现施工过程及成果资料的可视化。

困扰当前高铁路基建设的两大难题是路基的刚度及沉降问题。刚度大小及均匀性反映路基的变形大小及线路的平顺；沉降主要在于控制复合地基处理质量和填方体的压实质量。这两大难题的关键在于施工过程控制。研究表明，数字化工地是解决这两大难题的最佳方案，代表未来的发展方向，具有重要的推广应用价值。

5 结束语

应用研究表明，数字化工地必然成为未来施工的发展方向。目前，BIM模型理论上应集成项目各阶段产生的各种相关信息，包含设计几何与非几何信息、工程进度安排、施工安全、施工过程数据及质量管理等信息。但在实际项目设计和施工过程中，各种信息往往相互之间存在差异。在工程项目操作中，各环节节点的具体管理人员无法全面把控工程信息，此情况下要实现BIM效益最大化，需要统一的协同工作平台。当前阶段，工程项目各阶段信息模型是基于各方私有服务器开展工作的，这些信息需及时上传到该项目的协同工作平台，实现各方信息的及时共享，工程项目的各方参与者才能全面掌握项目运转的实际情况，及时调整各自计划安排，使各自的参与效率更高。