张德良,吴广磊,丁杰
(中交三公局工程总承包分公司 北京 100000)
摘 要: 为了解决传统施工中遇到的施工协同性差,监测成本高,施工环境复杂导致进程缓慢等问题,探讨了基于BIM的三维地质模型在盾构施工过程中的应用的新方法。基于三维地质模型,通过获取各地层各项力学参数及有限元模拟,实现施工过程中全时间段的监测、各类信息的整合以及盾构掘进参数的实时调整。该方法大大提高了工程技术人员的决策效率,在天津地铁11号线施工中的应用,已经有效提高了施工效率,降低施工成本,实现了施工过程中的全方位监测,预防了各类风险。
关健词:BIM地质模型;富水砂层盾构;城市轨道交通;建筑信息化;地下工程
中图分类号:U231+.3
0 引言
近年以来,城市轨道交通是城市建设的重点,各大城市的地铁及其配套设施的施工均进展迅速[1-3]。
盾构施工中若遇到富水砂层,施工难度大大提高,由于富水砂层具有结构松散、砂土及黏土比例不均、渗透系数大、自稳能力差等特征,其物理力学参数特征不明,导致盾构施工技术与该类地层的适应性存在较多问题。为保证施工的精确性,实时监测施工进程,本文将引入BIM地质模型(Building Information Modeling)[4]。
在隧道工程施工中应用BIM技术,首先要将地质勘查的结果三维可视化,其次需要建立隧道施工的三维模型,通过BIM技术的支持,实现各专业模型的可视化以及信息的共享与传递。
1依托项目
1.1 工程总体概况
本文依托依托天津地铁11号线一期工程(见图1),线路全长22.6km,全线共设21座车站,20个盾构区间。标段起讫里程为DK32+506.137~DK36+167.391,跨度总长3661.254m。施工区间位于天津市河西区,两侧建筑物较多,人车流量较大,沿线地下管网密集,地下水丰富。

图1 项目施工范围示意图
Fig.1 Project construction scope diagram
1.2 施工重难点及应对措施
1)施工前对隧道施工影响的建筑物进行第三方鉴定和评估,对建筑物的变形、沉降进行预测,将预测量在BIM模型上进行展现,以制定保护加固方案。
2)利用BIM模型中的地层参数,在施工过程中实现信息交互,加强盾构施工管理,调整盾构掘进参数,控制地面沉降,确保建筑物安全。
3)盾构管片增设注浆孔,施工中加强对受影响的建筑物地面沉降的监测,实时反映在BIM模型中,分析建筑物的沉降趋势,及时注浆,确保建筑结构安全。
4)在建筑物附近施工时,降低推进速度,严格控制盾构姿态,确保盾构机的平稳穿越,保证施工影响范围内地层损失率≤5‰。
5)盾构推进对建筑物的控制标准:沉降≤10mm;整体倾斜≤2‰。
6)加强管片密封条安装和拼装质量管理,防止密封条脱落或管片破裂及错台严重,出现渗漏水。
2 基于OpenRoads Designer的BIM地质建模
2.1 生成三维地质模型
基于勘察资料,在OpenRoads Designer中,生成三维的地质模型,分别为贯通层、地层尖灭、透镜体。OpenRoads Designer软件可通过裁剪贯通层地质体,得到符合地层分布规律的地层尖灭与透镜体[5-6]。
2.2 获得三维地质模型各信息
在OpenRoads Designer中得到完整的三维地质模型,导入3dMAX软件中进行汇总查看,从而实现三维地质模型信息在施工的交互传递,如图2所示。

图2 分段建立的三维地质模型 图3 桥梁进度与桥梁工程结构数据存储框架图
3 三维地质模型的传递与交互
3.1 整合模型参数
获得三维地质模型后,对于不同的岩土层有侧重地添加不同参数,如地质成因、地质时代、岩土层描述、渗透系数、天然密度、弹性模量、计算内摩擦角、地基承载力特征值、施工的工程分级等大量信息,所有与地质模型相关的参数均会在施工过程中得到合理应用[7-9]。
3.2 与施工过程的信息交互
使用OpenRoads Designer实时生成盾构模型与路线模型,对施工进程实时监测。针对地层参数信息,实时调整盾构机各项掘进参数[10],有效地控制地表沉降,如图3所示。
(1)支护压力调整
根据施工具体进度分段建立盾构模型,通过Abaqus软件对盾构模型进行三维有限元数值模拟,分析富水地区开挖时的渗流规律。
(2)盾构推力调整
掘进过程中,通过分段开挖模型,在施工中可以得到当前开挖段的土体侧压力系数、土体重力密度、主动土压力系数等参数。同时,改变地质模型的内摩擦角属性以实时改变各阻力值,调整盾构机的实际推力。
4 结论
通过BIM技术生成三维地质模型,并实现各参数与各专业模型间信息的传递与交互,可大大提高施工效率,降低施工成本,有效实现施工过程中的风险管控。
以天津地铁5号线为依据可以得出结论,经过信息集成的三维地质模型,可以有效地为下一步的站点设计,盾构路线设计,结构设计,施工进程实时监测,调整盾构机掘进参数等工作步骤提供依据,应用于城市轨道交通具有巨大的信息化优势。
参考文献
[1]李德军,王哲,谢东武,张清照,潘青. BIM地质建模在大跨度隧道工程中的应用研究[A]. 中国地质学会.第十一届全国工程地质大会论文集[C].中国地质学会:《工程地质学报》编辑部,2020:8.
[2]张志芹,夏伟强,焦宗涛,邵恩庆.BIM技术在青岛地铁工程勘察中的应用研究[J].城市建筑,2020,17(24):142-144.
[3]杨云峰.EVS三维地质建模在整图幅地质调查的应用[J].科学技术创新,2020(30):50-51.
[4]耿坤,韩清,张自光,曹广勇,翟朝娇.富水砂层地铁隧道盾构选型及实施效果[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2020,30(02):35-39.
[5]张斌,时伟,徐铁城,战家.基于Bentley市政工程三维地质模型创建应用研究[J].工程质量,2018,36(11):71-74.
[6]黄姮.福建城市地质三维信息通用系统构建[J].福建地质,2020,39(03):214-224.
[7]聂晓亮,刘爽,汪龙飞.基于3DMine软件的三维地质建模及储量估算——以广西西林县马蒿锑矿山为例[J].西部资源,2020(06):15-17.
[8]彭建林.基于BIM的三维地质建模——以赣州市章江新区五指峰某项目为例[J].福建建筑,2020(03):118-121.
[9]杨伟军,叶欣,李超群.基于BIM的三维地质建模在沿江复杂地层的研究[J].价值工程,2020,39(04):216-219.
[10]丁浩,廖峻.基于BIM技术的隧道工程信息平台设计与研究[J].隧道建设(中英文),2019,39(S2):60-68.