基于BIM的水利隧道综合施工数字化建造技术

张瑞申

(中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

隧洞掘进机(Tunnel Boring Machine)以其高效、安全、环保的优势[1]，具有协调性、快速性和密集型的特点[2]，近年来在我国铁路、水利水电、城市地铁、综合管廊等领域均取得了重大的进步，应用类型呈现多元化的趋势，尤其在水利水电领域的应用日趋广泛。随着综合国力的显著提升和水利水电事业的飞速发展，我国引水工程建造水平不断进步，尤其是近年来，随着新工艺、新材料、新装备、新技术的不断涌现[3]，我国引水工程的TBM建造技术得到了全方位的提升[4]。但是，我国地域广阔、地质情况复杂多样，TBM的适应性、优化性、智能性亟待提高。本文基于广州北江引水工程，开展基于BIM的水利隧道综合施工方面数字化建造技术的探索，以BIM+GIS+信息化的手段对施工前期、中期、交付的全施工阶段数字化应用，助力我国水利隧道信息化、智能化施工技术的发展[4]。

1 工程概况及重难点分析

1.1 工程概况

广州北江引水工程第四标段，输水主线路长约15.7km，占总线路长的60%，其中引水隧洞长约11.4km，属于特长隧洞，最大埋深369m，掘进断面4.53m。2号、3号、5号隧洞钻爆法施工，长度3.15km;4号隧洞TBM施工，长度10.2km；埋管段钢管外包混凝土施工，长度2.3km(见图1)。

1.2 重难点分析

1.2.1 施工总平布置及安全风险高

项目地处广州，夏季雨季降水较多，且易受台风影响，易发生山体滑坡河水倒灌，冲刷严重；项目地处连绵山丘，且毗邻森林公园自然保护区，可用征地面积有限，现场可利用场地狭小，TBM运输、吊装、组装需要转换场地，且后期需要TBM车间厂房。

1.2.2 施工任务重

本标段为总工期关键标段、地质岩性强，TBM选型及特长隧洞硬岩掘进控制要求高，单独采用常规三种TBM型式，掘进效率及安全性均有不可控风险。

1.2.3 施工难度大

隧洞断面小，TBM结构设计与设备布局困难，且隧洞发育多条较大断层极易发生突涌水，TBM施工风险高、难度大。

1.2.4 环境保护要求高

邻近森林公园及自然保护区，要严格把控用地规划、临建布置，对环保、绿色施工要求高。

2 BIM应用策划

2.1 BIM应用目标

2.1.1 辅助TBM选型及优化

针对项目特点、重难点，对TBM型式、构造、布局进行可视化建模、分析、优化，实现基于BIM的TBM适应性改造。

2.1.2 全过程BIM指导施工[4]

针对TBM段、钻爆段、埋管段等进行施工工艺的模拟、优化、比选，实现BIM模拟全覆盖。

2.1.3 探索基于BIM的水利隧道综合实施技术路线及解决方案

将模型应用全方位贯穿于施工现场管理全流程，实现三维现场指导、现场校验和实时现场追踪，减少现场施工人员错误施工，提高质量控制、减少安全风险[5]。

2.2 管理模式

立足企业发展，提出了以企业数字化转型、项目的数字化建造为中心进行顶层设计规划；制定规章管理制度、建模标准、实施指南、验收评价细则、专项人才培养计划，达到统一数据、统一文件、统一过程；实现工程主体、数字孪生两个维度的实施、管控与交付；打造覆盖全专业、全业务、全过程的“标准化、规范化、精细化、信息化”的“一三二三”生态数字建造管理模式。

2.3 管理体系

针对项目施工重、难点，编制BIM实施专项方案，明确BIM应用点、实施标准、BIM解决方案。通过建立标准，创建隧道管廊、引水隧洞标准化族库，实行BIM例会、BIM工作联系单、多方专业协调会等制度，保障BIM运行管理体系。

2.4 组织体系

依托集团公司数字建造中心，由TBM专家组、隧道地质专家组、分公司BIM中心策划，将项目技术应用组、BIM实施组、IT技术组组成自上而下多层级、多方面的管理架构，确保项目BIM应用的落地实施。

2.5 技术体系

集Bentley、Soildworks、Autodesk等强大的设计生产线满足隧道、地质、机械、GIS等不同专业设计需求，配有工作站、无人机等各类实施应用硬件，保证项目BIM技术应用顺利实施。

3 BIM模型创建

3.1 BIM+GIS一体化应用方案

项目属特长距离线性工程，编制BIM+GIS一体化实施方案及细则，明确建模范围、模型精度、构件命名规则、编码体系等。

3.2 标准化临建族库

根据企业《项目建家建线规范手册》，并融合当地人文特色，构建具有项目特色的标准化临建模型库(见图2)。“因地制宜，经济适用”，对各板块进行优化。

3.3 隧道模型拆分及编码

针对施工阶段BIM技术应用需求，对隧洞结构单元进行划分，包含标准化参数化的隧洞结构模型、输水管道模型、输水附属模型、安全监测模型及机械设备族库。并创建方案级、工艺级、可视化技术交底级等不同精度的模型库(见图3、图4)。

图3 模型拆分

图4 模型编码

4 基于BIM+GIS的场地规划、布置

项目地处广州市花都区至清远区，区间内山丘连绵，雨季降水较多，且易受台风等恶劣天气影响，山坡冲刷严重。因此，项目的选址、场地规划、安全风险防控极为重要。

4.1 降水路径分析

项目前期，采用无人机倾斜摄影技术，对整个现场地表数据进行整体精度5cm、局部3cm的分等级采集，获取地形精准等高线，导入Civil3D软件，对降水路径及流域进行分析，在保护生态、安全施工的前提下进行场地选址(见图5)。

图5 降水路径分析

4.2 边坡防护策划

4号隧道出口边坡为残垣断壁型式，陡峭异常，高程及坡度等数据现实测量困难，防护措施实施风险高。通过三维实景建模获取洞口边坡视野盲区信息的同时，快速准确地获取场地高程、坡度等数据，标注安全风险点，进行有效边坡防护，提高了防护针对性(见图6)。

图6 边坡防护策划

4.3 场地规划、布置

基于真实的周边环境及地形高程信息模型进行场布临建规划，建立仿真的三维场布模型，有针对性地开展各阶段的功能区、道路运输路线、临时排水等规划及布置，进行方案比选、优化，提高土地利用率、合理划分功能区，实现工程的动态优化配置，可视化管理(见图7)。

图7 场地规划

5 TBM选型及改造优化

5.1 TBM型式分析

常规TBM有敞开式、单护盾、双护盾三种型式(见图8)。敞开式：依靠撑靴撑紧洞壁，为破岩提供反力，附带的辅助设备可进行洞壁支护，适用于岩体较完整，有较好稳定性环境；单护盾：依靠推进油缸顶推预制管片进行掘进，支护方式为管片支护，适用于软弱围岩、地质环境较差地层[6]；双护盾：既有与敞开式TBM类似的撑靴，且兼有单护盾TBM的所有功能，适用于复杂岩层，岩石软硬兼有、断层及破碎带的环境[7]。

图8 常规TBM型式及岩性分析

5.2 工程地质及特点分析

本工程隧洞埋深36～440m。岩性：燕山期中粗粒黑云母花岗岩；围岩条件：Ⅱ、Ⅲ类围岩占比99.46%，最高饱和单轴抗压强度203.00MPa，平均137MPa；蚀变带：ZKB12(19+100 附近)有明显蚀变现象，易风化崩裂；断层：主要有27组(条)，23+100(ZKB18 附近)可能存在较大断层。

针对该环境因素，重点进行TBM的选型及优化，包括TBM的主机、支护、空间布局等。

5.3 基于BIM的TBM优化改造

根据本项目场地大小、地质特点，采用BIM技术对TBM前期选型、适应性优化改造及设备空间布局优化进行可视化建模，优化方案，与设备厂家进行方案校核及可行性分析联动会，共完成6项改造优化，有效攻克了相关技术和施工难点。

5.3.1 型式及主机优化

综合考虑地质条件和隧洞设计，借鉴双护盾TBM的结构，进行“敞开式+双护盾”的新型敞开式TBM的尝试，扬长避短，赋予最佳的破岩和出渣功能，同时主机长度由原来的25m缩短至8m，采用短距离水平运输主机皮带，出渣效率高(见图9)。

图9 型式及主机优化

5.3.2 支护区优化

支护作业区采用滑车机构，降低了整体平台高度，解决了小断面敞开式TBM初期支护作业空间狭小问题，提高了支护工作效率(见图10)。

图10 支护区优化

5.3.3 钢拱架拼装器优化

传统钢拱架拼装器采用的是旋转机构，优化后取消旋转机构，简化设计，采用钢丝绳液压绞车，操作更加简便，提高了拱架安装效率(见图11)。

图11 钢拱架拼装器优化

5.3.4 锚杆钻机优化

设计法向锚杆机构，增大了其活动范围，实现了法向入岩，解决了TBM只能打短锚杆和入岩角度过大的历史难题(见图12)。

图12 锚杆钻机优化

5.3.5 喷混系统优化

设计前置式喷混系统，TBM喷混位置到掌子面的距离，从原来的70m缩短为40m，大大提升了喷射混凝土的及时性(见图13)。

图13 喷混系统优化

6 钢管优化

本工程钢制弯头均为预制定制化加工，对钢弯头的精度要求极高，从而对标准长度钢管的切割精度也要求极高。采用BIM技术对钢管、钢制弯头进行精细化、参数化建模，对钢管、钢制弯头进行虚拟预拼装、碰撞校核，然后进行钢制弯头的优化，明确具体加工参数，提交业主及加工厂确认，最终对各段标准钢管(6m)进行精细化切割，明确切割参数，从而保证钢管与钢制弯头的精准衔接(见图14)。

图14 钢管优化

7 BIM+GIS+TBM管理平台

项目制约因素繁杂；施工种类多，工种多，施工工序穿插交接，组织协调难度大；项目线路长，各工区间隔远，各单位、各工区工作协同难度大，亟须进行综合性的统筹管理。

借助信息协同管理手段、 BIM轻量化技术，本项目通过建设BIM+GIS+TBM信息化管理平台，集成了指标看板、三维电子沙盘信息、进度管理、安质管理、投资成本管理、资料管理、BIM模型管理、可视化交底等功能模块，形成了多维度、多终端的数字化、智慧化建造管理体系，实现对项目施工数据采集、分析、展示，为管理层提供不同维度的工程信息，辅助进行项目决策，实现管理的降本增效，为工程建设保驾护航(见图15)。

图15 BIM+GIS+TBM管理平台

8 结 语

广州北江引水工程作为粤港澳大湾区内建设的重点项目，通过利用BIM技术可视化、参数化的特点，对施工前期的临建方案、场地布置，TBM的选型及优化改造，施工中的方案、工艺优化等进行全方位的指导，并建设BIM+GIS+TBM的信息化管理平台进行全专业、全业务、全过程的进度、质量、安全管控，有效解决了施工组织难、协调难的问题，提高工作、施工效率，形成了基于BIM的水利隧道数字化施工技术解决方案。

本项目BIM技术的应用迎合了“数字中国、智慧社会”发展要求，BIM、GIS的应用精度及深度，将作为水利工程运维阶段的基础数据，推动“广清一体化”数字水利建设。后续将进一步深度开发BIM+GIS+TBM大数据平台，基于5G技术实现洞内TBM数据实时转化，加强人机工程模拟，模拟人员在隧洞不同断面，不同环境下的劳动消耗、工作空间，为TBM的适应性改造提供有力的数据支撑。