龙亮
中铁上海工程局集团第四工程有限公司 300000
【摘 要】由于地铁车站施工的复杂性、隐蔽性和不可预见性，车站深基坑开挖且临近既有线施工，许多安全隐患容易被忽略，这是造成事故的主要因素。利用BIM技术的系统化、可视化、信息化等优点通过对临近既有线有限空间施工场地布置，结合MIDAS-GTS软件建立有限元模型，对基坑开挖过程中既有线的稳定性分析，同时基于BIM模型和实时数据信息化监测系统增强工程项目的自动监测以及智能控制水平，为地铁超长深基坑临近既有线施工安全提供了全面、可靠的技术保障。
【关键词】超长深基坑；临近、既有线、BIM；场地布置；MIDAS-GTS；有限元；自动；监测
引言 目前，我国正处于大规模基础设施的建设期。工程项目的规模也日益扩大，施工条件愈加复杂，尤其是涉及临近既有铁路的深基坑项目层出不穷，使企业和项目都面临着巨大的技术、安全、管理风险。石家庄地铁2#线嘉华站全长481.5m，车站基坑邻近既有铁路运营线最近距离为6.7m，邻近既有线是本工程的重大危险源，利用BIM技术的可视化模拟，对施工场地布置进行优化，避免大型设备倾覆危及行车安全。针对基坑开挖过程中既有线的稳定性，建立有限元模型，根据地质勘查报告进行参数设置，模拟分析各种工况下铁路既有线的安全性，对可能遇到的问题，提出优化方案。利用BIM模型和实时数据信息化监测系统加强工程项目的自动监测以及智能控制水平，保证既有铁路的运营安全。
1.工程概况
石家庄地铁2#线嘉华站位于胜利南街和嘉华路丁字路口处，沿胜利南街南北向布置于道路下方。站位西侧为货运铁路，基坑距铁路最近距离为6.7m。嘉华站为地下两层三跨箱型框架式结构，总长481.5m,标准段宽度20.1m，最大开挖深度为18.8m。嘉华站所在地层主要有杂填土①1层、素填土①2层、黄土状粉质粘土③1层、粉细砂④1层、粉质黏土④4层、细中砂⑥1、层、中粗砂⑥2、层。深基坑施工范围未进入潜水层，地下水位埋深在25m以下，且未见上层滞水，无地表水。
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2.关键技术
2.1大型设备施工对既有线的安全运营影响模拟分析
嘉华站施工面临临近既有线施工状况，安全压力巨大，利用BIM技术的仿真模拟原理，结合施工现场的安全控制，对吊车吊装施工状况和吊车吊装位置、吊臂长度进行了吊车倾覆、碰撞等安全事故动态模拟，得到了安全吊装位置及吊臂倾角、吊臂长度，保证了当前吊车吊装过程作业安全及既有线的安全运营。
（1）吊装过程模拟
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在Unity3D软件中仿真过程采用的模型跟现场是一比一的真实比例，所以通过将作业车辆沿行车路线进行行走模拟； 通过观察作业车辆的行走模拟情况及与周边结构的干涉情况，对行车路线、三维主体 结构模型及待吊装设备模型的部署进行合理性调整；可以提供吊车作业点推荐位置，吊装姿态及安全吊装方法、吊臂长度和起吊高度，每次作业的运输路径和起吊高度在软件环境下完成预吊装，并在此基础上提出一整套吊装高度的推荐值，利用推荐的安全高度为现场施工人员提供可供查阅的吊装指导文件，减小现场人工临时指挥的不确定性，改善吊装作业安全及既有铁路的运营安全。
2.2基于BIM技术的MIDAS-GTS基坑模型建立
2.2.1Revit与Midas GTS数据交换研究
基坑开挖分析过程最重要一环就是对模型进行模拟开挖过程力学变形分析，由于现阶段BIM中尚没有和Midas GTS软件完全契合的分析软件，因此需要借助Revit的数据交换功能使其与Midas GTS分析软件进行无缝链接，采取数据交换方法为IFC标准和二次开发技术。
由于MIDAS GTS中支持IFC标准的文件导出但不支持该文件的导入，因此采用Revit API的方式来进行数据交换模块的开发。Midas GTS MGT文件是最适合作为Revit与MIDAS GTS数据交换的文件类型。
（1）从Revit 中提取模型信息
①开发方式及流程：采用Revit API外部命令的开发方式进行二次开发，具体步骤（如图2.2-1所示）如下：
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图2.2-1：Revit API开发流程
②三维信息提取过程由图2.2-2可知，Revit 中主要组成元素为族，族分为族类型和族实例两种类别。
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图2.2-2：Class inheritance inRevit
（2）将提取到的模型信息按照Midas GTS MGT文件格式进行输出
Midas GTS MGT文件中的核心数据集合共有9个，由于篇幅原因，我们仅以第一个数据集合进行演示，输出该数据集合的代码为：
public string Create Program Control(string force, string length, string heat,string tempe)
//按照此方式排列数据类型
String Builder s_builder = new String Builder();
s_builder.Append("*:").Append("\"PROGRAM CONTROL1\" \n")
//输出数据值
.Append("Force=" + force + " ")
.Append("Length=" + length + " ")
.Append("Heat=" + heat + " ")
.Append("Tempe=" + tempe + " ")
return sb.To String();
至此，数据转换工作完成。
将代码编译后生成.dll文件，可以使用Add-In Manager插件进行加载运行，具体方法为：启动Revit后，在Revit单击菜单“附加模块”—“外部工具”，即可调用信息转换功能。
2.2.2基于BIM模型的有限元模型构建
采用IFC标准和二次开发技术将具备计算属性的BIM模型通过转换接口导入Midas GTS计算程序。
首先进行网格划分：土体单元模型选用四面体单元和其他类型单元混合的单元划分模式，实体单元仅有三个平移自由度，没有旋转自由度。
然后利用模型中所具备的分层土的地质参数和土体计算模型尺寸，建立基坑周围土体的三维空间有限元模型。模型中地基处理按照面积等效的原则对土体重度和材料参数进行换算，计算中土体计算模型的网格划分与计算结果的收敛性与计算速度密切相关，因此，在划分土体网格时，对开挖部分和铁路路基部分的土体需要加密划分网格。导入Midas GTS的几何模型与网格划分分别如图2-1、图2-2。
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图2.2-3：三维几何模型图 图2.2-4：网络划分
2.3设计施工方案对既有铁路影响有限元模拟分析
2.3.1 设计施工步序
1：主体结构防护桩施工；
2：主体基坑开挖；
3：主体结构施工；
4：附属结构防护桩施工；
5：附属结构基坑开挖；
6：附属结构施工。
2.3.2 设计方案基坑模拟分析计算结果
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通过模拟分析，嘉华站各施工工况开挖对石南铁路变形影响极值如表2.3-1所示。
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受基坑开挖及车站建筑施工影响，按照10m间距计算的路基竖向差异变形量最大值为1.51mm，水平变形最大值为4.31mm。按照《铁路线路维修规则》（铁运[2006]146号）要求的容许偏差管理值作为控制标准，能够满足轨道动态质量容许偏差管理值（υmax≤120km/h）I级高低8mm的要求，也能够满足线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值（υmax≤120km/h）经常保养状态下高低6mm的要求。
2.4设计施工方案优化前后对比模拟分析
2.4.1优化后施工步序
1：主体结构及附属结构防护桩施工；
2：主体基坑开挖；
3：主体结构施工；
4：附属结构基坑开挖；
5：附属结构施工。
2.4.2 设计方案优化后基坑模拟分析计算结果
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2.4.2有限元分析与监测数据对比分析
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（1）通过对原方案基坑开挖后各断面分析，在第三层基坑开挖工序下，铁路线路最大竖向位移为1.51mm，出现在3号风亭断面位置；铁路线路最大水平位移为4.31mm，出现在3号风亭位置，地下结构施工工序。
（2）通过对优化后方案基坑开挖后各断面分析，在第三层基坑开挖工序下，铁路线路最大竖向位移为1.15mm出现在3号风亭位置；铁路线路最大水平位移为3.53mm，出现在1号风亭位置，地下结构施工工序。
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（3）选取最大位移变化断面进行分析可知，原设计方案最大竖向位移1.51mm，优化后位移为1.15mm，减少了23%，优化后监测方案测得数据为1.05mm，吻合较好；原方案最大水平位移为4.31mm，优化后方案最大水平位移为3.53mm，减少了18%，优化后监测方案测得数据为3.13mm。数值计算结果与实测数据在基坑开挖规律比较吻合，数值稍有偏差。说明先施工临铁路侧附属围护桩作为隔离措施对铁路进行保护，具有良好的加固效果，可以有效减少铁路路基变形。
2.5基于BIM技术基坑开挖实时感知与预警技术应用研究
嘉华站在布设现场监测点时采用人工监测点与自动化监测点同时布设的方式，其中自动化监测点布设于既有铁路线监测点相关位置，及与之成监测断面的基坑监测点。监测数据采用人工录入与自动采集两种方式通过网络将监测数据上传至云数据系统，同时采用BIM概念与监测系统实现地铁基坑的信息化施工过程。基于Unity3D引擎通过C#语言编译数据管理系统，借助互联网平台实现手机、网页等多客户端的数据动态交互，同时以数据调用的形式将监测结果以BIM模型的形式进行直观展现。
基于BIM技术的监测系统主要是终端接受应答器、无线网关、中间阅读器和中央数据处理器之间的数据传输和控制，当地铁基坑发生较大变形或者有危险情况发生时，终端传感器或监测数据就会有相应的变化，阅读器就会读取终端物体信息，包括其原始属性和变化量，通过数据传输给中央数据处理器，数据分析评价之后发布合理预警，并决定采用相应措施应对。
（1）系统整体架构图如图2.5-1所示：
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通过将施工期间基坑监测点与BIM施工模型相结合（见图2.5-5），可及时掌握施工全过程中建筑构件的受力情况，保障施工的安全和质量。监测系统主要是既有铁路通过终端接受应答器、无线网关、中间阅读器和中央数据处理器之间的无线传输和控制，基坑工程通过现场人工测量，然后将数据录入系统的方式实现。当建筑构件发生较大变形或者有危险情况发生时，中央数据处理器经过数据分析评价之后发布合理预警，并决定采用相应措施应对。
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图2.5-5：BIM模型与监测点相结合
（2）数据分析系统
将各种传感器及人工实时监测的数据上传至云平台，并进行计算分析，通过BIM平台进行展示，在安全风险功能模块中，如图2.5-6中提供了查看历史详细监测数据列表的入口，通过它可以查询到该测点任意时间范围内的具体监测数据，以及监测数据的时程曲线，形象展示监测数据的波动过程。
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图2.5-6：监测平台沉降与水平位移监测数据展示界面
3 结束语
本文依托石家庄城市轨道交通2号线嘉华站施工，通过BIM技术场地布置的应用，在邻近既有线的前提下合理规划施工场地布置，按需布置大型设备工作区域，充分利用了施工场地，避免设备倾覆影响既有线运营安全的问题出现。针对BIM核心建模软件，重点研究了 Revit API二次开发流程并开发了数据交换模块，解决了Revit与MIDAS GTS数据交换问题。将BIM基坑支护模型运用接口软件导入有限元软件MIDAS-GTS 中，并对基坑开挖支护结构进行三维计算分析，计算中动态模拟分析基坑开挖施工支护步骤，并考虑了基坑地层条件的差异，并对比原方案、优化后方案及监测数据进行对比分析，分析结论较为准确，能够很好的指导现场进行方案优化。以BIM为模型数据为基础，综合应用模型编码、自动监测等移动互联技术，基于BIM技术的邻近既有线长大深基动态监测评估实时感知与预警分析综合集成管理，确保既有铁路的运营安全，在同类型工程施工中具有较好的应用价值。。
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