BIM 可视化设计在复杂互层隧道工程中的应用

2022-06-09魏炜

四川水泥 2022年5期

魏炜

（中铁二十三局第六工程有限公司，重庆 401124）

0 引言

为了提高施工效率，解决TBM 隧道施工中地表沉降、既有建筑物塌陷、工期紧张和安全要求等问题，基于重庆轨道交通9 号线隧道、车站和高架桥部分的CAD图纸，利用BIM 技术完整地构建了轨道交通的三维可视化模型及场地效果，为施工方、设计方、监理和业主之间的沟通提供了渠道和平台，节约了时间成本。该工程根据BIM 设计的全流程进行科学施工，取得了良好的施工建设效果，本文对此进行详细介绍。

1 工程概况

1.1 项目简介

重庆轨道交通9 号线位于川东南弧形地带，华蓥山帚状褶皱束东南部；构造骨架形成于燕山期晚期褶皱运动。构造线呈NNE―SSW 向。未见断层，节理（裂隙）发生与构造运动密切相关，以构造节理、层面为主，节理走向NEE-SWW 和走向NW-SE 两组较发育，多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物。

地质勘察区位于重庆向斜西翼，岩层呈单斜产出，岩层倾向100°，岩层倾角5°。根据区域地质资料，地应力条件简单，应力水平极低。区内无断层，地质构造简单。根据场地基岩露头地质测绘调查，基岩内裂隙发育程度为较发育，岩体呈层状构造。主要发育两组构造裂隙：

J1：270～300°∠58～80°，优势产状为290°∠65°，延伸5～10m，微张1～3mm，平直，间距1.0～2.0m，偶见钙质充填，结合差，属硬性结构面。

J2：210～250°∠65～80°，优势产状为220°∠70°，延伸0.2～1.0m，一般闭合-微张，舒缓波状，局部有倒转反向现象，间距5～8m，偶见泥质充填，结合差，属硬性结构面。

层面裂隙：为软弱结构面，裂隙闭合，结合较差。

重庆轨道交通9 号线二期工程，合同全称为重庆轨道交通9 号线中央公园东站、从岩寺站及区间土建工程，项目位于渝北区空港新城，两站三区间，施工起止里程YDK35 +053.411～YDK38 +945.244，总长3891.833m。线路整体为南向北走向，起点从兰桂大道站引出，下穿中央公园小学，向北沿和庆路暗埋至同茂大道路口处，设中央公园东站，并与10 号线中央公园东站换乘。继续向北下穿和庆路、丘陵（双龙湖街道鹿山村片区）后，到达空港公租房片区谷地，沿规划纵一路设高架桥，桥中部设从岩寺高架站，高架通过谷地后进入花石沟村。线路走向如图1、图2 所示。

图2 工程线路走向图

1.2 施工难点

（1）全断面隧道掘进机（TBM）始发与接收段。洞口密封装置渗漏，TBM 到达时，管片环缝张开，始发、到达施工难以确保开挖面土体稳定。

（2）复合TBM 在泥岩、砂岩地层中施工，增加掘进技术难度；开挖面不稳定、开挖硬土引起开挖难、切削刀盘受到特别大的阻力、复合TBM 推进阻力较大；复合TBM 刀头磨损较快；残积土的黏土以及泥岩类岩石,经研磨后易在刀盘表面或土舱内形成泥饼；砂岩、泥岩交错或互层，造成软硬不均和岩性突变，易造成刀具异常损坏；复合TBM 在石英含量较高的砂岩地层掘进时，刀具磨损严重；有些岩层地段易产生复合TBM 旋转或管片旋转、管片上浮；堵舱、堵螺旋机和糊刀盘，导致压力舱被黏结的渣土充满，不能被螺旋排除；复合TBM 掘进位于小曲线半径上，曲线半径越小则纠偏量越大，纠偏灵敏度越低，轴线就比较难于控制，隧道管片衬砌轴线因推进水平分力而向圆曲线外侧（背向圆心一侧）偏移，容易发生管片侵线。

2 BIM 组织与应用环境

2.1 BIM 应用目标

为提高TBM 开挖过程中的施工效率，克服周边环境及既有建筑物的地表沉降问题，缩短工期、促进TBM安装、掘进、出渣、管片安装等一体化，因此，构建重庆轨道交通9 号线工程的BIM 三维模型（图3 所示）。可实现以下几个目标：（1）可视化指导TBM 施工；（2）实现车站施工的精细化管理；（3）将BIM 模型嵌入到项目信息化管理平台中，实现地下隧道工程三维可视化自动监测，提高工作效率；（4）构建重庆轨道交通9 号线全周期BIM 虚拟漫游，将工程项目物理特性和功能特性实现数字化、动态性的表达。

图3 重庆轨道交通9 号线BIM 模型

2.2 BIM 实施方案

该项目的BIM 技术应用是岩土工程行业为实现数字化、信息化、智能化进行的探索。

（1）使用BIM 正向设计建模技术，在项目设计阶段建立全专业的模型，充分考虑周边复杂环境对工程项目的影响[1-3]。通过4D 施工过程模拟，指导项目过程施工和管控[4-6]。同时在管理平台中集成三维模型基本属性信息、基坑自动化监测信息、自动伺服系统信息以及施工过程中物料信息，将BIM 技术应用于基坑设计、施工全过程[3]。

（2）在团队组织上，该项目由业主方统一规划管理。项目上实行全员参与制，多部门人员分工协作，保证BIM 应用落地。建立企业、项目部和作业层协同工作管理架构，做到逐层细化、协同管控。通过定期组织培训，让项目施工人员都能熟悉BIM 技术，便于应用落地。

（3）在应用依据上，项目前期BIM 应用，依据住建部发布的《建筑信息模型应用统一标准》（GB/T 51212-2016），和《建筑信息模型施工应用标准》（GB/T 51235-2017，编制符合岩土工程项目特点的公司级BIM 模型标准手册，和针对该工程的BIM 实施方案。

（4）在软硬件环境建设上，BIM 建模人员配备高性能处理器和专业图形显卡的主机。软件层面使用Revit作为主要建模软件，Midas、Plaxis3D、理正岩土作为分析软件，建模大师、Dynamo 与二次开发插件进行辅助深化设计[7-9]。使用Navisworks、Lumion、Fuzor、3D Max 进行虚拟建造、施工工艺模拟。使用BIMFACE 和自主研发的云平台进行过程中的信息集成和施工质量交底。

3 隧道BIM 建模及应用

3.1 隧道线路建模

根据CAD 图纸，对重庆轨道交通9 号线全线进行三维翻模，其中，主要分为隧道、车站和高架桥三部分。高架桥全长185m，对接路基15m，与高架对接的隧道实施TBM 施工，并向左侧弯曲后，右归弯到中央公园城东站。通过Revit 将CAD 图纸快速转换为三维信息模型，并进行碰撞检测。通过可视化编程设计，对参数构件进行驱动优化，在计算后立即更新模型，从而实现最优设计结果。

3.2 隧道进出口建模

在Revit 中，制作模型的场地，首先需要转到场地平面视图，选择场地和体量选项卡中的地形表面。通过放置点的功能来绘制场地，修改该点的高程后放置在平面视图中，如图4 所示。所有的高程点放置完成后，在属性栏中修改场地的材质。在绘制好的地形中使用建筑地坪命令进行平整，框选需要平整的建筑地坪。最后可以使用子面域命令添加道路，在属性栏中修改道路的材质。