劉英城，岳 川，梁景智

（1、廣州供電局有限公司 廣州510620；2、廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州510010）

0 引言

近年來迅速發(fā)展起來的建筑信息模型（Buiding Information Modeling）被廣泛認(rèn)為是未來建筑行業(yè)的第二次革命[1]，將會為建筑行業(yè)提供新的建筑理念和技術(shù)變革。目前國內(nèi)外各類的工程項目都廣泛的將BIM 技術(shù)應(yīng)用到建筑工程的全生命周期中來，實現(xiàn)了離散建筑資源信息的整合，顯著的提高了工作效率。

由于地下隧道工程本身的一些特點，相較于房建工程、公路工程、橋梁工程等工程項目，其建設(shè)難度更大。地下工程施工風(fēng)險大，安全隱患多，容易發(fā)生安全事故[2]；地下工程建設(shè)過程是一個不可逆的過程，項目工程質(zhì)量問題修復(fù)難度大，因此對施工過程的需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測控制。BIM 的可視化特性使這類無法用肉眼觀察的地下空間工程得到了更有效的管理[3]。

1 工程概況

220kV 石井～環(huán)西電力隧道是為解決220kV 石井～環(huán)西電纜線路工程配套建設(shè)項目。工程從石沙的石井～凱旋電力隧道接出，沿石槎、西槎路一直向南，至環(huán)西出站段西線電力隧道，隧道線路總長約為6 780 m。本工程為土建工程施工2 標(biāo)，包括4#、5#、6#工作井、1#逃生井及區(qū)間隧道、區(qū)間端頭加固、區(qū)間溶洞及土洞處理、工作井及隧道內(nèi)電纜支架等土建工程。盾構(gòu)隧道區(qū)間長度為2 212.3 m，隧洞埋深7.5～17.4 m，平面最小曲線半徑約為150 m，最小豎曲半徑為1 000 m，最大坡度為58‰。隧洞襯砌為鋼筋混凝土管片，管片外徑4.1 m，管片內(nèi)徑3.6 m，管片厚度250 mm，管片寬度1.0 m。工程線路從4#工作井兼始發(fā)井引出，沿西槎路地下向北，下穿地鐵八號線上步站出口，之后上跨地鐵八號線地鐵隧道，下穿地鐵聚龍站風(fēng)亭及出入口，經(jīng)過5#工作井，下穿地鐵平沙站出入口到達(dá)6#工作井吊出。

2 盾構(gòu)風(fēng)險源分析[4，5]

2.1 工程地質(zhì)風(fēng)險

本工程位于廣花盆地，上部為第四系沉積物，下部基巖是石炭系灰?guī)r，灰?guī)r中溶洞發(fā)育。4#工作井“一槽兩鉆”28 個地質(zhì)補(bǔ)勘孔中有9 個鉆孔發(fā)現(xiàn)溶洞，見洞率達(dá)30%。6#工作井“一槽兩鉆”20 個地質(zhì)補(bǔ)勘孔中有2 個鉆孔發(fā)現(xiàn)溶洞，見洞率達(dá)10%?；娱_挖過程中存在地面塌陷、基坑涌水風(fēng)險。

2.2 工程自身風(fēng)險

4#工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，工作井結(jié)構(gòu)尺寸25.6 m×10.8 m，開挖深度18.4 m，基底大部分位于砂層及粘土層，存在基底的涌水、涌砂等風(fēng)險；6#工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，工作井結(jié)構(gòu)尺寸15.6 m×10.8 m，開挖深度17.8 m，基底大部分位于炭質(zhì)石灰?guī)r，存在基底的涌水等風(fēng)險。

2.3 工程周邊風(fēng)險

2.3.1 周邊建筑物

本標(biāo)段隧道長2.2 km，沿線建（構(gòu)）筑物繁多，影響較大的房屋達(dá)26 處，最小距離僅2.63 m；與路面最小垂直距離4.59 m；與地鐵八號線北延段隧道并排敷設(shè)，最小近距1.2 m。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可能對隧道周邊建筑物破壞，造成財產(chǎn)損失，嚴(yán)重時可能造成人員傷亡，甚至引發(fā)嚴(yán)重的群體性社會事件。

2.3.2 穿越施工地鐵區(qū)間

電力隧道兩次上跨八號線北延段區(qū)間隧道，第一次上跨聚龍站至上步站區(qū)間，兩隧道的最小凈距為3.34 m；第二次上跨平沙站至聚龍站區(qū)間，兩隧道的最小凈距為1.29 m。如掘進(jìn)過程中出現(xiàn)超挖、擾動地層、注漿不飽滿或注漿壓力過大將導(dǎo)致隧道沉降或上浮，影響區(qū)間運(yùn)營，造成嚴(yán)重的社會影響。

2.3.3 地下管線

在CK4+314.453-CK4+464.373 里程范圍，隧道覆土厚度最小為7 m，主要管線有2.5 m×1.8 m 污水箱涵，埋深3.49 m，在隧道上方凈距1.12 m；φ600 污水管，埋深3.6m，在隧道上方凈距1.16 m。如掘進(jìn)過程中出現(xiàn)超挖、擾動地層、注漿不飽滿或注漿壓力過大將導(dǎo)致管線沉降或上浮，甚至造成交通擁堵，造成嚴(yán)重的社會影響。

3 BIM組織與實施

3.1 BIM組織

確定BIM實施使用軟件采用Revit 為基本建模軟件，采用Navisworks 作為碰撞檢查軟件和模型輕量化瀏覽軟件[6]。根據(jù)本項目的需求情況編制《廣州電力隧道建模標(biāo)準(zhǔn)》和《基于BIM技術(shù)的電力隧道建設(shè)應(yīng)用管理辦法》。

按照以上的建模標(biāo)準(zhǔn)和管理辦法開展BIM實施工作。

3.2 BIM模型創(chuàng)建

3.2.1 電力隧道工作井

創(chuàng)建高精度電力隧道模型。電力隧道模型按照單位工程進(jìn)行拆分，依據(jù)施工藍(lán)圖分別創(chuàng)建4#、5#、6#工作井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型、主體結(jié)構(gòu)及主體建筑模型。本部分模型構(gòu)件包含構(gòu)件名稱、構(gòu)件編碼、構(gòu)件中心點等信息（見圖1）。

圖1 地鐵出入口與電力隧道檢查井合建模型Fig.1 Model of Subway Entrance and Exit and Power Tunnel Inspection Well

3.2.2 電力隧道

依據(jù)施工藍(lán)圖分別創(chuàng)建4-5 區(qū)間、5-6 區(qū)間電力隧道中心線模型，電力隧道管片模型（見圖2）。本部分模型構(gòu)件包含構(gòu)件名稱、構(gòu)件編號、構(gòu)件中心點、管片厚度、管片外徑、混凝土強(qiáng)度等級、抗?jié)B等級、楔形量、管片環(huán)寬、管片環(huán)號、管片類型等信息[7]。

圖2 地鐵隧道盾構(gòu)管片模型Fig.2 Metro Tunnel Shield Segment Model

3.2.3 風(fēng)險源模型

⑴周邊地下管線

依據(jù)管線調(diào)查報告，創(chuàng)建臨近電力隧道各專業(yè)地下管線，包含窨井構(gòu)件等細(xì)節(jié)，用不同顏色區(qū)分各類管線類型。本部分模型構(gòu)件包含構(gòu)件名稱、構(gòu)件編碼、構(gòu)件中心點、專業(yè)、起點終點標(biāo)高、內(nèi)徑、外徑、長度等信息（見圖3）。

圖3 地鐵周邊地下模型Fig.3 Underground Model around the Subway

⑵周邊建構(gòu)筑物

依據(jù)周邊建構(gòu)筑物調(diào)查報告結(jié)果，創(chuàng)建電力隧道周邊建筑模型。本部分模型構(gòu)件包含構(gòu)件名稱、構(gòu)件編碼、構(gòu)件中心點、與隧道位置關(guān)系、地址位置、地下室層數(shù)、基礎(chǔ)類型、建筑年代、建筑物名稱、結(jié)構(gòu)形式等信息（見圖4）。

⑶周邊地質(zhì)

圖4 地鐵周邊建筑物模型Fig.4 Model of the Building around the Subway

依據(jù)地質(zhì)勘探報告和地質(zhì)補(bǔ)勘報告，創(chuàng)建水文、地質(zhì)、地形模型。本部分模型構(gòu)件主要包含地下水文特性、溶土洞分部、砂層液化區(qū)域、斷裂帶、孤石等特殊的復(fù)合地層情況及地質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)等信息。

4 BIM技術(shù)對風(fēng)險源可視化應(yīng)用

集成電力隧道模型及各風(fēng)險源模型到平臺中來[8]，實現(xiàn)場景漫游、模型剖切、兩點間距、構(gòu)件間距、構(gòu)件半透明、構(gòu)件隱藏、施工模擬等功能。電力隧道模型和周邊環(huán)境模型（見圖5）之間的空間關(guān)系分析和施工模擬分析，根據(jù)BIM模型分析結(jié)構(gòu)，調(diào)整完善重大安全風(fēng)險評審報告。

圖5 隧道主體結(jié)構(gòu)與周邊環(huán)境模型Fig.5 Tunnel Main Structure and Surrounding Environment Model

位置關(guān)系更加直觀，并能夠查看周邊模型的構(gòu)件屬性信息（見圖6），例如地下管線專業(yè)、材質(zhì)信息，地質(zhì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)信息，周邊建筑物名稱、樓層數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、地基基礎(chǔ)信息等。

圖6 各類模型構(gòu)建的信息查詢Fig.6 Information Query for Each Model Construction

根據(jù)施工現(xiàn)場施工進(jìn)度情況周邊環(huán)境情況，集成周邊檢測點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析解讀，根據(jù)不同的環(huán)境的保護(hù)要求設(shè)置監(jiān)測預(yù)警值（見表1），從而實現(xiàn)盾構(gòu)周邊環(huán)境變化情況實時監(jiān)控。

盾構(gòu)監(jiān)控可視化平臺（見圖7）能夠?qū)⒍軜?gòu)機(jī)掘進(jìn)數(shù)據(jù)直接集成到平臺中來，實時監(jiān)控盾構(gòu)機(jī)的主機(jī)、刀盤、導(dǎo)向、推進(jìn)油缸、拼裝機(jī)、盾尾、注漿管路、進(jìn)漿泵、排井泵、人閘數(shù)據(jù)，實現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的全方位監(jiān)控[9]。

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警值設(shè)置Tab.1 Monitoring Data Table

圖7 盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控Fig.7 Shield Machine Operating Parameter Monitoring

盾構(gòu)監(jiān)控可視化平臺能夠?qū)蜻M(jìn)過程中出現(xiàn)報警的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（見圖8），總結(jié)之前的盾構(gòu)施工經(jīng)驗，為后來的盾構(gòu)施工提供數(shù)據(jù)參考。

圖8 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析Fig.8 Monitoring Data Analysis

根據(jù)工程重大安全風(fēng)險評審報告（見表2），確定不同等級的風(fēng)險源識別區(qū)域。在盾構(gòu)施工過程中實時密切關(guān)注周邊監(jiān)測點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)出不同等級的預(yù)警信息[10]。本系統(tǒng)用不同的顏色來表示風(fēng)險源識別區(qū)域當(dāng)前所處的狀態(tài)（見圖9）。具體風(fēng)險源狀態(tài)所對應(yīng)的顏色如下：

⑴綠色表示無風(fēng)險（未施工到風(fēng)險源區(qū)域或已經(jīng)安全通過風(fēng)險源區(qū)域）。

圖9 風(fēng)險源預(yù)警區(qū)域標(biāo)識Fig.9 Risk Source Warning Area Identification

表2 風(fēng)險清單控制表Tab.2 Risk List Control Table

⑵黃色表示盾構(gòu)機(jī)正在該風(fēng)險源區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)正常。

⑶紅色表示盾構(gòu)機(jī)正在該風(fēng)險源區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，發(fā)出警報。

盾構(gòu)施工管理人員能夠非常直觀的監(jiān)控當(dāng)前盾構(gòu)施工所處的風(fēng)險狀態(tài)，協(xié)助盾構(gòu)施工管理人員及時做出決策，從而降低施工安全施工發(fā)生的概率。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

在220 kV 石井～環(huán)西電力隧道項目中，基于BIM技術(shù)的盾構(gòu)監(jiān)控可視化平臺發(fā)揮了非常顯著的作用。通過在本項目中使用基于BIM技術(shù)的盾構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)，有效地降低了盾構(gòu)施工安全事故發(fā)生的概率。相較于傳統(tǒng)的盾構(gòu)監(jiān)控，可視化平臺較好地做到了以下三點：

⑴將傳統(tǒng)的文字展示、二維圖像展示改為三維展示，使得盾構(gòu)風(fēng)險源更為直觀。

⑵可以盾構(gòu)監(jiān)控可視化平臺中直接查看周邊模型的構(gòu)件屬性信息，例如地下管線專業(yè)、材質(zhì)信息，地質(zhì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)信息，周邊建筑物名稱、樓層數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、地基基礎(chǔ)信息等，能夠使施工人員、施工管理人員更加了解盾構(gòu)現(xiàn)場周邊情況。

⑶在盾構(gòu)監(jiān)控可視化平臺還能對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，使監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得到充分解析，更加真實客觀的反應(yīng)因盾構(gòu)施工導(dǎo)致的周邊環(huán)境變化情況。

盾構(gòu)監(jiān)控可視化平臺還有需要改進(jìn)的地方：

⑴模型輕量化，優(yōu)化平臺的后臺和前端，使平臺運(yùn)行更加流暢。

⑵開發(fā)移動端接口，方便施工中的更多角色都參與進(jìn)來。

⑶可以將項目中的監(jiān)測數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)庫，為以后的同類型類似項目提供盾構(gòu)施工參考。

5.2 展望

BIM技術(shù)在盾構(gòu)監(jiān)控可視化平臺的使用，使盾構(gòu)監(jiān)控能夠更為直觀生動，使施工管理人員、現(xiàn)場施工人員做到心中有數(shù)，為盾構(gòu)安全施工提供了有力的保障。在本項目中的使用非常成功，可以向其他項目進(jìn)行推廣。隨著BIM技術(shù)在建筑工程各行業(yè)的深入使用，進(jìn)一步的和工程實際相結(jié)合，還將為我們帶來更多的便利。