浅析BIM与装配式隧道施工技术

王中伟

（四川绵九高速公路有限责任公司，四川绵阳 621000）

1 工程概况

1.1 基本概况

东环路二期工程地处临近山林河东岸。路线呈东西走向，道路全长约2.5 km，城市主干路，设计速度50 km/h，标准路幅宽度8 m，双向六车道，本项目含徐家湾隧道1座。

隧道采用分离式隧道，隧道单洞净宽为8.2 m，净高为5.6 m。隧道左线位于半径R=1 000 m的圆曲线上，隧道纵坡4.0%。左线隧道起止桩号：左隧道全长420 m。右线隧道位于半径R=900 m的圆曲线上，隧道纵坡3.5%。

1.2 水文情况

（1）第四系松散岩类孔隙水。

在进洞口处填土、含碎石粉质黏土中，松散岩类多具较大孔隙，接收大气降水及地表径流补给，以垂直补给为主，多形成孔隙潜水，富水性较弱且不稳定。多以坡面流向当地四侧低洼处排泄，季节性变化大。

（2）基岩裂隙水。

主要赋存在砂岩中，含水介质为基岩的风化裂隙、层间裂隙及构造裂隙。

1.3 地形地貌

线路区属于侵蚀剥蚀丘陵地貌。场地内部分地形已进行人工改造，线路区内多已征地。地形坡度平缓，地形坡角8°～15°，局部地段可达25°。场地内最高点高程274.20 m，最低点高程193.50 m，相对高差80.7 m，整体地形斜坡状，局部为陡坎。

1.4 地层岩性

（1）第四系全新统。

素填土（Q4ml）：钻孔揭露厚度0.30～0.8 m，分布于局部地段。

粉质黏土（Q4el+dl）：稍有光泽，无摇震反应，刀切面光滑。裂隙不发育，结构致密。干强度中等，韧性中等，呈可塑状。揭露厚度0.30～4.10 m，分布于整个场地。在水田部位上部1.0～2.0 m呈软塑，为软土。

（2）侏罗系中统沙溪庙组。

砂岩（J2s-Ss）：岩体风化强烈，风化裂隙发育，岩体较破碎，岩芯呈块状，少数呈短柱状，岩质软，为强风化带。岩体较完整，岩芯呈柱状，岩质较硬，为中等风化带。揭露厚度2.30～43.65 m。

我们在积极引导农村土地有序流转，支持各类农业新型经营主体发展的同时，要高度重视普通农户，鼓励他们创新经营模式，放手让广大农民群众自主选择，推进家庭经营、合作经营、集体经营、企业经营等共同发展的农业经营方式创新，打造传统承包农户的家庭经营“升级版”。

泥岩（J2s-Ms）：为中等风化带，呈褐色。揭露厚度为3.45～46.90 m。

1.5 气象

项目区属亚热带季风气候区，温暖湿润，四季分明，年均气温17.5～18.5 ℃，多年平均最大日降雨量173.50 mm。降雨主要集中于5～9月，且常有雷阵暴雨。春冬多雾，雾日最长达238 d。年平均相对湿度80%，绝对湿度17.6%。常年风速较小，以偏西北风见多，最大风速为28.4 m/s。

2 装配式与现浇隧道结构对比

（1）预制装配式混凝土结构。

现场装配效率高，现场采用工厂化制作安装，室内钢筋加工采用数控机床，混凝土浇筑采用振动台，养护采用自动喷淋系统，场内温度恒定，采用机械化生产，自动化程度高，人工成本大幅降低。误差控制在毫米级，墙体无渗透、无裂痕，室内可实现下一步装饰装修，更高效快捷，质量更有保证。实现设计、生产、施工一体化以及精细化数字化管理，集成技术规范标准通过规模化效应，可以更好地实现材料节约、能源节约，减少垃圾产生，施工现场扬尘、噪声等环境污染较少。

（2）现浇混凝土结构。

现场工序多，包括现场钢筋截取、绑扎、验收、各种预埋件设置、混凝土浇筑、混凝土养护等。生产效率低，现场需要众多模板、支架、人工，工艺过程需要的时间间隔等使生产效率进一步降低。人工成本高，从事现场施工环境人员逐年减少，导致工程施工人工成本陡增。由于工序繁多，需要的人员数量也较多。误差难以控制，目前为厘米级。空间尺寸变形大部分安装难以实现标准化，基层质量较差，难以实现标准化，数字化管控较难，无法进行有效设计、施工一体化管理，容易造成材料浪费、能源消耗多、垃圾问题严重施工现场环节较差，噪声、废水等环境问题突出。

3 BIM+装配式建造

（1）配式建筑的核心是集成，BIM技术是集成的主线。主线串联设计、生产、施工、装修和管理的全过程，服务于设计、建设、运维、拆除的全生命周期，可以数字化虚拟、信息化描述各种系统要素，实现信息化协同设计、可视化装配，工程信息交互和节点连接模拟及质量校核等全新运用，整合建筑全产业链，实现全过程、全方位信息化集成。

（2）传统的二维设计存在各专业交圈不够、各专业冲突的问题，在施工过程中频繁出现设计变更、返工等，延误工期，增加项目成本。

（3）BIM设计的全专业协调综合了建筑、结构、机电、精装、景观等各专业，通过可视化的优势对前期的设计问题进行综合协调，避免返工。

（4）装配式项目本身具有一定的综合性和复杂性，前期通过BIM可视化的优势对复杂节点、钢筋节点等问题提前发现并优化，解决后期生产、施工环节的隐患。

（5）设计前置，穿插前行，一体化设计，对于后期施工运营都采用全周期管理。

（6）预制构件实施范围不是项目提质提效的决定因素，技术路线的选择是设计基于提质提效需求、统筹全产业链的结果。

（7）提质提效除了技术因素，还与项目精细化管理和施工组织的计划性密切相关。

（8）新体系、新工法、新产品需要在项目全过程中接受检验，应符合“工序简化、操作简单、质量易控”原则。应提高数量、产量、质量，在保证预制率和装配率的同时，需要具有较高的有效率。

4 装配式隧道

4.1 装配式隧道背景

19世纪末，英国伦敦地铁率先采用盾构法施工并获得成功。盾构隧道通常采用全装配式结构，预制管片在接头处通过螺栓连接，螺栓处外面预留注浆管，安装后及时注浆，对结构起到了良好的防水作用。

1996年，装配拱顶结构在矿山法暗挖条件下，由2个带千斤顶的钢筋楔形接头挤压连接形成。日本在山岭隧道的二次衬砌中开发了预制板兼模板技术，减少模板的同时保证了装配式结构的顺利实施。日本采用过预制装配式构件进行隧道修筑，隧道拱顶和边墙为预制构件、底部的中间部位为现场浇筑，即HK工法，起到了一定的引领作用。

2016年，全国首例全装配式明挖地铁车站长春地铁2号线袁家店站建成，标志着我国装配式结构建筑首次进入地铁领域，起到了良好的示范作用。

2017年，北京市首座全装配式车站北京地铁6号线金安桥站建成，进一步推动装配式建筑结构在地铁中的应用。

2020年，哈尔滨地铁3号线TJ2-6标丁香公园站采用叠合结构与局部整体现浇的组合模式车站建成，自2020年，青岛、深圳的首个装配式地铁车站陆续开建。

4.2 本项目装配式隧道设计及施工

按照吊装要求、装配式工厂机械设备要求、道路运输车辆运输要求、现场机械设备吊装要求、现场安装精度要求进行综合设计考虑，采用BIM技术精确设计连接构造节点。

每环设计采用BIM相结合建立1∶1模型，设计时考虑现行常规设备能够生产、能够运输、能够吊装、能够安装和稳固要求。每一环长度为3.5 m，隧道每环切割为6大块，每环2块A型预制块，重量1.3 t，2块B型预制块，重量1.2 t，2块C型预制块，重量1.6 t。预制块A采用钢筋接驳器与预制C的仰拱连接；预制块B与预制块A采用双榫接头，灌浆套筒连接；2块预制块B之间采用双榫接头，钢棒连接；纵向每环之间采用单榫接头，钢棒连接；榫槽内间隙采用压力注浆的方法水泥浆液，为保证施工安全注浆后，待浆液凝固一周后方可回填土。

项目设计断面如图1所示。

图1 设计断面

施工主要工序有施工准备、基坑开挖、基底检测、管片台车就位、管片安装、基坑回填。基坑开挖过程中注意放坡的坡度必须满足基坑稳定要求，随挖随支。基底检测过程中需要预留30 cm土体不可破坏，检测承载力合格后，采用小型设备开挖最后的土体并用压路机压实，压实度≥96%，回填土每层左右高差小于50 cm，对称夯实压实度≥94%，施工过程中采用跨墩龙门吊及汽车吊配合安装。在隧道施工过程中，严禁使用大型机械设备对隧道进行加载，小型设备压实过程中压实速度需要控制在规范允许范围内。

5 结语

采用装配式隧道与BIM的深化设计，缩短了工期并减少了工程造价，达到了“十四五”计划和2035年远景目标纲要“坚持创新驱动发展，全面塑造发展新优势”要求，将创新与绿色环保和可持续发展相结合。在设计过程中采用多种方案模拟以及现场试验研究，在过程中采用模拟吊装、模拟安装、模拟临时支撑体系搭建和拆除等工序，更明确了明挖隧道采用装配式结构具有诸多优点和巨大的市场潜力，在未来的推广应用中起到了良好的示范作用。