沙特NEOM隧道项目BIM与GIS关键技术研究*

王朝语

(中国铁建国际集团有限公司,北京 100039)

0 引言

NEOM是沙特阿拉伯的一座全新未来城市,位于红海沿岸,计划打造成为世界领先的智能城市。为连接NEOM与邻近城市塔布克的干线基础设施通路,需修筑大型隧道穿越塔布克西南山区。本项目即为该主隧道工程提供施工条件的施工通道,施工支洞、洞口结构及相关附属设施。

项目设计阶段,利用模拟与分析计算软件,将涉及工程质量和安全施工的关键施工工艺、工法和施工组织安排进行模拟与分析,科学模拟施工方案和施工组织设计,可以提高材料的合理利用程度,保障人员、设备的安全组织,加强业主的成本控制。同时提升了总承包单位的设计管理水平,体现以设计为龙头引领项目实施的先进理念。

项目实施阶段,为满足业主较高的进度与质量管理要求,提升总承包方的项目管理水平,本项目在策划和实施阶段采用了BIM技术,用以保障施工进度、提高工程质量、同时做好总承包方的投资管理,规避亏损风险。

在BIM的基础上加入时间维度,并与建筑构件的计划与实际进度发生关联,即BIM4D管理。BIM4D不仅能提供可视化三维环境,便于管理者了解工程进度与资源配置,还为项目各参与方搭建了一个公开、透明的信息交互平台。BIM的可视化特征,意味着“所见即所得”,也是虚拟设计与虚拟建造概念的可实现路径。

1 数字模拟与分析

1.1 利用数字技术对特殊地质结构进行爆破模拟分析

在矿山法施工作业中,特殊地质结构的存在可能对爆破过程产生重要影响,因此进行爆破分析显得尤为重要。特殊地质结构包括断层、节理、溶洞等,具有较强的非均质性和不规则性,对岩体的稳定性和爆破效果都会带来挑战。

采用仿真模拟方法对特殊地质结构进行爆破分析具有显著的优势。通过建立准确的地质模型,并根据实际情况设定合理的参数,可以模拟爆炸荷载在特殊地质结构上的传播和作用过程。这种模拟分析方法可以提供详细的爆破效果预测和岩体响应评估,帮助工程师更好地理解和控制施工过程中的风险。

常用的仿真模拟方法包括有限元分析、离散元方法和计算流体动力学等。这些方法基于数学模型和物理原理,结合地质参数和爆破荷载数据,如图1所示,通过计算和模拟得出爆破效果、岩体应力、变形和破裂等信息,评估岩体损伤情况。通过对不同爆破方案和参数的模拟比较,可以评估不同方案的可行性和效果,为工程决策提供科学依据。

图1 爆破方案损伤程度分析Fig.1 Analysis of damage degree of blasting plan

1.2 基于BIM技术的爆破工艺优化

传统隧道爆破的炮孔布置针对小断面巷道设计,炮孔数量较多,特别是工作面中心炮孔密集,现场工人难以完成如此密集的炮孔布置。为了提高隧道施工效率和降低成本,实际工程中采用少钻多装药的方法来加快爆破开挖速度。然而,这种做法可能导致保留岩体的损坏、严重的超挖问题以及初始混凝土的高消耗。

通过理论分析、数值模拟和现场试验相结合,提出了大断面隧道大孔距设计的理论方法,最大限度地向外推动楔形切槽孔,解放中央工作面。根据留存岩体损伤判定标准,确定最佳切孔角度和最佳布置位置。引入大孔距、小排距的设计理念,突破了传统炮孔网布置的限制。这样既能更有效地控制隧道断面和保留岩体的损伤,又能减少钻孔数量和相关成本,提高大断面隧道爆破的掘进效率。

利用ANSYS LS-DYNA软件进行大断面隧道大孔距设计的仿真模拟可以提供详细的爆破效果和岩体响应分析。根据实际隧道的几何形状和结构特征,在ANSYS LS-DYNA中创建隧道的三维几何模型,包括洞口、工作面和周围岩体。

在建立模型的基础上,为隧道及周围的岩体定义材料特性,如密度、弹性模量、抗拉强度和压缩强度等。根据试验数据或文献资料提供的参数,考虑岩石的非线性行为,如损伤、破裂和变形。

确定爆炸荷载的位置、类型和大小,通常位于隧道工作面中心或其他关键位置。同时,设置边界条件,模拟实际约束和支撑结构,如锚杆和喷射混凝土。通过数值模拟,运行LS-DYNA软件进行爆破仿真。根据设定的荷载、材料特性和边界条件,计算隧道在爆破荷载下的动态响应,包括岩体破裂、塌陷、振动和应力分布等。

对最终生成的模拟结果进行分析,评估隧道在爆破荷载下的安全性和稳定性。通过查看位移、应力、应变和损伤等数据,了解岩体的响应情况,并评估设计的有效性。

2 基于BIM技术的地质管理

2.1 基于BIM技术的隧道地质体联动

在施工作业前,导入三维地质模型和DWG格式地质图,模拟二维、三维路线联动,可以建立真实准确的地质模拟场景。对比剖切地质体,查看地质报告与三维地质体差异,评估地质模型与实际地质体之间的差异,及时掌握地质信息的准确性和可靠性,深入了解地质情况并发现潜在的地质灾害隐患。有效暴露地质灾害预警分级信息,指导隧道施工,避免重大安全事故。

通过模拟二维、三维路线的联动,可以对比剖切地质体,按里程桩号实时查询地质体产状及地质风险信息,根据围岩等级对施工方案进行分析,得出施工建议,辅助施工决策。

借助实时查询结果,可以对围岩等级进行分析,并针对不同等级的围岩提出相应的施工方案。通过对围岩等级的评估,可以识别出潜在的地质风险点,进而制定相应的施工策略和安全措施。在高风险地段,可以考虑加强支护、减少装药量等措施以降低施工风险。

基于对地质体产状及地质风险信息的实时查询和分析,可以得出针对具体隧道段落的施工建议。这些建议将作为辅助施工决策的重要依据,有助于优化施工方案和确保施工的安全性和有效性。

2.2 基于GIS+BIM技术的地质超前预报与风险源管理

基于GIS+BIM技术的地质超前预报与风险源管理,是将项目的BIM模型与GIS系统相结合,实现对地质风险源的全面管理和控制。将二维、三维复核后的风险源信息与项目进度紧密关联,利用信息化平台和人工智能技术的结合,实现隧道掌子面的实时展示和穿越风险源的智能提醒。

通过将项目的BIM模型接入GIS数据,可以将地质超前预报的信息与项目进度进行动态关联。管理者可以实时查看隧道掌子面地质情况,并及时发现与项目进度相关的风险源,采取相应的风险管控措施。

在对三维地质模型的分析过程中,通过地质模型可基于多种线框和渲染模式对任意曲线进行剖切显示(见图2),容易获得各层地质界面信息,从而进行超前地质预报。配合实际的超前地质预报、钻孔数据进行综合分析,全面指导施工,确保安全和质量可控,隧道进尺有据可依。

图2 地质分层信息Fig.2 Geological stratification information

3 BIM4D的进度与协同管理

3.1 基于BIM4D的施工计划与进度管理

基于BIM4D的施工计划与进度管理可以直观、高效地帮助项目加快进度,优化资源配置,如图3所示。通过BIM模型的可视化展示,项目团队可以直观地了解隧道施工的整体计划和进度安排,不仅使项目参与者更易于理解和沟通,还能够帮助他们更好地协调资源和组织工作。

图3 基于BIM4D的计划与进度管理Fig.3 Plan and progress management based on BIM4D

在基于BIM4D的计划与进度管理中,合理的资源配置和组织是关键因素之一。利用BIM4D模拟,可以对施工所需的各种资源进行准确预测和规划,如劳务、材料和施工机械等。项目团队可以根据计划和进度要求,对资源进行合理的配置和调度,确保施工顺利进行,最大限度地提高资源利用效率,避免资源短缺或闲置导致的延迟和浪费。

在施工过程中,由于现场实际情况的变化,可能需要对资源进行调整和重新配置。BIM4D模拟可以帮助项目团队根据实际情况对设计图纸、施工方案、施工队伍、管理人员、施工材料和施工设备等资源进行灵活调整,进行相应的资源调配,以保持施工的稳定性和高效性。

3.2 基于BIM4D技术的可视化协同管理

BIM4D技术可以将隧道施工进度以可视化的方式呈现,通过动态模拟和仿真,展示隧道施工在不同时间点的状态和进展。这种可视化的展示方式有助于施工管理者和利益相关者更好地理解和评估施工进度,及时发现潜在的冲突和延迟,并进行相应的调整。此外,BIM4D模型还可以与其他相关信息进行集成,如材料供应链、设备调度等,以提高施工的协调性和整体效率。

4 结语

1)对于特殊地质结构,利用数字手段采用仿真模拟方法进行爆破分析,可以提供详细的爆破效果预测和岩体响应评估,帮助项目组织者和技术人员更好地理解和控制施工过程中的风险。通过仿真分析施工过程中的不安全因素,合理调整设计方案和施工方案。

2)基于BIM技术的隧道二维、三维地质体联动,可以评估地质模型与实际地质体之间的差异,及时掌握地质信息的准确性和可靠性,深入了解地质情况并发现潜在的地质灾害隐患,指导隧道施工,避免重大安全事故。

3)基于GIS+BIM技术的地质超前预报与风险源管理,是将项目的BIM模型与GIS系统相结合,实现对地质风险源的全面控制和管理。

4)基于BIM4D技术的进度与协同管理,可以在充分利用3D模型的基础上,将项目的资源计划、进度管理串联起来。利用可视化手段,打破项目各参与方的信息差,达到数字赋能工程建设的目的。