許時穎

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222)

1 工程概況

廈門第二西通道(海滄隧道)工程是廈門市公路骨干網(wǎng)“兩環(huán)八射”的重要組成部分。路線全長7.1km，其中隧道長6.3km，跨海域?qū)挾?.8km，總投資56.48億元。海滄隧道是以海底隧道形式穿越廈門西海域，進(jìn)入本島后，再以隧道(暗挖+明挖)形式沿興湖路前行，最終與在建的第二東通道連接。主線設(shè)雙向六車道，采用一級公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速80km/h。

海滄海底隧道A2標(biāo)段全長2 190m，總投資7.75億元，經(jīng)象嶼碼頭附近進(jìn)入廈門本島后，沿湖里區(qū)興湖路前行，終于碧桂園啟航大廈處。

2 重難點分析

A2標(biāo)段下穿的興湖路段處于灘涂回填區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊環(huán)境敏感，為典型的臨海城市狹小空間下大斷面城市海底隧道，施工難題如下。

1)周圍環(huán)境復(fù)雜 項目位于廈門市本島，下穿的興湖路為城市主干道，周圍建筑物密集，為典型的城市海底隧道。

2)施工組織難度大 城市狹小地形條件下，臨建場地狹小，管線、交通組織運輸困難，協(xié)調(diào)難度大。且A2標(biāo)段處于3個標(biāo)段的中間位置，無法直接對主洞進(jìn)行開挖，主線暗挖隧道采用服務(wù)隧道(如服務(wù)洞、斜井等)先行，再利用橫通道進(jìn)入主洞進(jìn)行開挖，多工作面同時施工，物流協(xié)調(diào)難度大。

3)技術(shù)含量高 項目涵蓋了鉆爆法施工的所有工法，且雙連拱隧道斷面具有跨度大、超淺埋、不對稱、變截面等特點，與明挖深基坑組成地下互通，施工技術(shù)難度高。

4)工期控制風(fēng)險高 受鄰近建筑物(最近距離6m)、管線遷改、交通導(dǎo)改、不良地質(zhì)、明挖深基坑、暗挖控爆等因素影響，工期進(jìn)度風(fēng)險控制高。

5)地質(zhì)條件差 通過調(diào)閱廈門市地形、地貌等相關(guān)資料顯示，除300m明挖段(原設(shè)計)為原狀地形外，剩余段落多為淺灘回填區(qū)，地下水與海水連通，主線隧道多次穿越海底風(fēng)化槽，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。

6)結(jié)構(gòu)類型多 項目包含三車道主線暗挖隧道、世界最大斷面(總開挖面積達(dá)559.05m2)雙連拱隧道、小凈距隧道、明挖深基坑、豎井、斜井、風(fēng)道、匝道等多種結(jié)構(gòu)類型。

3 BIM應(yīng)用策劃

3.1 BIM應(yīng)用目標(biāo)和規(guī)劃

針對項目施工重難點，制定項目BIM實施方案，明確BIM技術(shù)應(yīng)用點、應(yīng)用目標(biāo)和BIM專項解決方案。

3.1.1應(yīng)用目標(biāo)

針對本工程特點，重點對施工組織復(fù)雜、施工技術(shù)難度大、施工風(fēng)險高等幾方面問題開展BIM技術(shù)應(yīng)用，輔助進(jìn)行施工優(yōu)化和管控，解決項目施工難題，實現(xiàn)基于BIM技術(shù)優(yōu)化對項目質(zhì)量、安全、進(jìn)度的精細(xì)化管理。

3.1.2實施規(guī)劃

1)基礎(chǔ)模型及設(shè)備族庫搭建。

2)采用BIM+GIS技術(shù)，輔助臨建設(shè)計施工，并考慮永臨結(jié)合。

3)開展施工模擬，輔助施工組織策劃，結(jié)合工程特點輔助優(yōu)化總體施工組織設(shè)計及專項施工方案等。

4)構(gòu)建工藝庫，對重點工序、關(guān)鍵工序進(jìn)行可視化交底，提高施工質(zhì)量，預(yù)判和控制風(fēng)險源，減少安全隱患。

3.2 BIM組織架構(gòu)

在項目組建階段成立BIM工作室，對BIM工作實行三級管理，如圖1所示。由集團(tuán)公司數(shù)字建造中心牽頭，十八局一公司與項目部BIM工作室逐級落實，確保BIM工作開展實施有序、高效。

圖1 組織架構(gòu)

3.3 軟硬件配置

1)硬件配置 項目部采購臺式機工作站3臺、筆記本工作站2臺，專業(yè)航測無人機1臺搭配高清傾斜攝影相機1臺。

2)軟件配置 根據(jù)項目特點，采用多平臺軟件開展BIM技術(shù)應(yīng)用，主要軟件如表1所示。

表1 軟件配置

4 BIM專項解決方案

4.1 BIM輔助施工組織策劃

1)BIM+GIS進(jìn)行施工場地布置 在廈門島內(nèi)狹小地形中，項目部、施工場地和生活區(qū)均需進(jìn)行臨時場地布置。采用Revit進(jìn)行場布模型創(chuàng)建，并與通過無人機傾斜攝影創(chuàng)建的實景地形相結(jié)合，輔助規(guī)劃，最終實現(xiàn)服務(wù)洞工區(qū)在占地面積僅9 000m2的三角區(qū)域情況下，合理布置了大型鋼材加工廠、混凝土拌合站、二次倒運臨時棄渣場、服務(wù)隧道洞口、生活區(qū)等，實現(xiàn)了永臨結(jié)合，比傳統(tǒng)計劃占地面積縮減近1/2，有效解決了城市施工占地難題。部分大型臨建場布BIM+GIS應(yīng)用效果如圖2所示。

圖2 基于BIM+GIS的大型臨建布置

此外，在臨建規(guī)劃過程中，考慮到后續(xù)加工廠、混凝土拌合站等大型臨建的建設(shè)，通過BIM+GIS結(jié)合，對服務(wù)洞洞口明挖段的開挖方式進(jìn)行優(yōu)化，將放坡開挖優(yōu)化為樁基圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓋挖，解決廠區(qū)交通問題，為大型臨建建設(shè)提供便利。

2)BIM+GIS輔助明挖段交通導(dǎo)改 項目下穿的興湖路為雙向六車道城市主干道，常年車流量大，交通導(dǎo)改困難。通過BIM+GIS結(jié)合，創(chuàng)建施工圍擋區(qū)域模型和道路線性模型，并通過Fuzor對項目明挖段施工交通導(dǎo)改一期、二期進(jìn)行全過程模擬，如圖3所示。通過合理占用道路及兩側(cè)綠化帶，增大利用空間，模擬導(dǎo)改全過程，實現(xiàn)了施工全程道路不封閉，大幅降低施工帶來的交通流量影響和壓力。

圖3 交通導(dǎo)改過程模擬

3)全標(biāo)段施工進(jìn)度模擬對比分析 A2標(biāo)段全長2 190m，原設(shè)計主線隧道1 890m，明挖300m，根據(jù)項目特點，將標(biāo)段劃分為明挖工區(qū)(緊鄰項目部)和服務(wù)洞工區(qū)(含豎井)2個工區(qū)組織施工。服務(wù)洞工區(qū)利用服務(wù)洞作為地質(zhì)先導(dǎo)洞，通過繞行通道打開主線隧道開挖；明挖工區(qū)先進(jìn)行開挖，再通過工作井與服務(wù)洞工區(qū)對打。

通過Fuzor對全標(biāo)段施工進(jìn)度進(jìn)行模擬，推算出原設(shè)計的施工工期需48個月(實際設(shè)計工期42個月)，其中受征地拆遷、管線遷改、交通導(dǎo)改等因素影響的工期延遲明顯。如300m明挖段緊鄰廣本盛元4S店，離明挖基坑不足2.3m，導(dǎo)致明挖基坑4S店側(cè)沒有施工便道；受征地拆遷的影響范圍約160m，至2018年底才完成拆遷，影響總進(jìn)度8個月等。經(jīng)進(jìn)度模擬分析后，提出將明挖工區(qū)300m明挖優(yōu)化為160m雙連拱隧道+140m明挖，同時利用服務(wù)洞工區(qū)的服務(wù)隧道超前施工，通過橫通道增設(shè)工作面，實現(xiàn)長隧短打，加快施工進(jìn)度；160m暗挖段也增開兩條洞內(nèi)橫通道，實現(xiàn)中導(dǎo)洞開挖與中隔墻同步施工，為后續(xù)主洞開挖創(chuàng)造條件。通過Fuzor對全標(biāo)段的施工進(jìn)度進(jìn)行第2輪模擬分析，推算出方案變更后，工期可節(jié)省8個月。全標(biāo)段施工進(jìn)度模擬如圖4所示。

圖4 全標(biāo)段施工進(jìn)度模擬

4.2 BIM輔助控制性工程方案優(yōu)化

4.2.1300m明挖段方案優(yōu)化

1)基于BIM的施工方案模擬 通過Fuzor對300m明挖段施工方案和160m雙連拱隧道+140m明挖深基坑施工方案進(jìn)行施工模擬，驗證方案優(yōu)化的可行性，如圖5所示。同時模擬分析兩種施工方案的工期進(jìn)度，推算出方案變更后，暗挖開挖可以提前8個月進(jìn)行開挖作業(yè)，工期節(jié)約240d。經(jīng)多位專家論證后，一致通過重大方案變更，單項變更造價達(dá)1億元。變更后，在增設(shè)1組開挖班組及相應(yīng)機械設(shè)備的情況下，變更部分的工程總造價略有減少，節(jié)約原材料420萬元、施工成本2 000萬元。

圖5 施工方案模擬

2)基于BIM的地質(zhì)分析 對變更方案區(qū)段進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)補勘，根據(jù)補勘情況，采用Geostation進(jìn)行地質(zhì)和超前地質(zhì)預(yù)報建模。從地質(zhì)模型中可直觀看出擬變更160m雙連拱區(qū)段地質(zhì)條件較好，進(jìn)一步確定了明挖方案改暗挖方案的可行性，確定暗挖結(jié)構(gòu)為雙連拱隧道。

3)基于BIM的施工方案數(shù)值分析 將隧道BIM模型與力學(xué)分析相結(jié)合，利用FLAC 3D進(jìn)行變更后暗挖隧道開挖過程穩(wěn)定性分析，檢驗地層及設(shè)計襯砌類型的承載能力。從分析結(jié)果中可以看出，優(yōu)化后的暗挖方案雖然超淺埋、大跨度，但按照合理的分部開挖順序，地表及周圍建筑物的下沉及變形量都在可控范圍內(nèi)。

4.2.2雙連拱隧道開挖方案優(yōu)化

本項目160m雙連拱隧道具有超淺埋、超大斷面、變截面、不對稱等特點，是目前世界最大斷面的雙連拱隧道，施工組織難度和技術(shù)難度大。采用Cinema 4D，F(xiàn)uzor和3D Max模擬隧道開挖工法，對開挖方案進(jìn)行優(yōu)化。

1)BIM模擬雙連拱隧道傳統(tǒng)開挖工法 采用Cinema 4D進(jìn)行傳統(tǒng)開挖工法模擬，如圖6所示，2號通道開挖完成后，先進(jìn)行0號中導(dǎo)洞開挖，再施作中隔墻，然后進(jìn)行兩側(cè)主洞開挖(1，2號洞開挖→2號通道回填→3～6號洞開挖、支護(hù))。由于主洞上臺階開挖標(biāo)高較中導(dǎo)洞高，需對2號通道進(jìn)行回填，回填至側(cè)壁導(dǎo)洞上臺階開挖高度，再進(jìn)行各導(dǎo)洞開挖、支護(hù)。通過進(jìn)行施工過程模擬，結(jié)果顯示傳統(tǒng)開挖工法優(yōu)點是組織簡單，缺點是工期長。

圖6 傳統(tǒng)開挖工法模擬

2)BIM模擬雙連拱隧道優(yōu)化后開挖工法 采用Cinema 4D進(jìn)行優(yōu)化后開挖工法施工模擬，如圖7所示，突破傳統(tǒng)側(cè)壁導(dǎo)坑開挖工法中導(dǎo)洞先行的限制，利用側(cè)壁導(dǎo)洞先行，通過側(cè)壁導(dǎo)洞增設(shè)3-1，3-2橫通道，進(jìn)行中導(dǎo)洞正反向同時開挖(1號洞先行→增設(shè)3-1，3-2橫通道→0號洞正反向同時開挖→依次開挖2，3，4，5，6號洞)，確保中導(dǎo)洞、中隔墻、兩側(cè)主線隧道同步施工。優(yōu)化后的開挖工法施工模擬結(jié)果顯示，開挖工序的優(yōu)化降低左線下穿行車道開挖的施工風(fēng)險，不斷增開橫通道施工解決了運輸難問題；多點、多工序同步施工，比傳統(tǒng)施工工法縮短工期8個月。

圖7 優(yōu)化后開挖工法

3)工法轉(zhuǎn)換方案優(yōu)化 采用Fuzor模擬雙連拱隧道與雙側(cè)壁段隧道交接處的工法轉(zhuǎn)換，如圖8所示，分析工法轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)，創(chuàng)新性提出4號橫通道方案，有效減小復(fù)雜施工工法轉(zhuǎn)換過程中存在的風(fēng)險，縮短了工期。

圖8 工法轉(zhuǎn)換

4.3 BIM輔助關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

1)換裝襯砌臺車正向設(shè)計 依據(jù)雙連拱隧道4次變截面的特點，自主設(shè)計雙連拱隧道變截面換裝襯砌臺車，解決不同截面襯砌轉(zhuǎn)換、澆筑難題，通過模型搭建與施工工藝模擬優(yōu)化臺車設(shè)計，如圖9所示，最終應(yīng)用于現(xiàn)場施工，大大提高混凝土澆筑質(zhì)量及工效。

圖9 換裝襯砌臺車正向設(shè)計

2)海底隧道綜合防水 在總結(jié)廈門翔安隧道防排水存在的問題基礎(chǔ)上，采用Cinema 4D，3D Max模擬隧道防排水設(shè)計、施工，優(yōu)化隧道防排水系統(tǒng)，進(jìn)行可視化技術(shù)交底，如圖10所示。解決了隧道開挖前堵水、施工過程排水及路面反水等問題，根據(jù)目前水量檢測估算，運營期日排水量可控制在3 500m3以內(nèi)，解決了后期運維難題。

圖10 隧道防排水技術(shù)交底

3)地面注漿加固技術(shù) 采用Cinema 4D模擬城市大斷面公路隧道地層全域注漿加固、管線加固，沿線房屋鉆孔灌注樁、隔離樁保護(hù)等工藝，如圖11所示。增強施工班組對技術(shù)重難點的理解，確保施工安全，提高施工進(jìn)度。

圖11 地面注漿加固工藝模擬

5 BIM基礎(chǔ)應(yīng)用

5.1 Dynamo可視化編程建模

Revit對具有空間曲線特征的模型創(chuàng)建具有極大難度，運用Dynamo進(jìn)行可視化節(jié)點建模，極大提高了建模效率，解決隧道線路空間曲線難以建模難題，為各類施工模擬提供基礎(chǔ)模型。

5.2 精細(xì)化模型庫及設(shè)備族庫

根據(jù)BIM應(yīng)用需求進(jìn)行隧道主體、附屬結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、臨建、設(shè)備等模型搭建，其中，隧道模型按照分項工程和施工工序等進(jìn)行模型拆分、細(xì)化，滿足進(jìn)度模擬、方案模擬、工藝模擬等基本需求；設(shè)備族庫根據(jù)項目實際和模擬需求進(jìn)行創(chuàng)建。部分成果展示如圖12,13所示。

圖12 精細(xì)化模型

圖13 施工設(shè)備族庫

5.3 施工工藝模擬

針對項目特點，采用Cinema 4D對全孔一次快速注漿、帷幕注漿、溜槽分層澆筑、海底隧道綜合防水、房屋保護(hù)加固、地表垂直注漿等先進(jìn)施工工藝進(jìn)行工藝模擬，在提升施工過程可視化、精細(xì)化管理水平的同時，提高了施工效率，消除了安全隱患。部分工藝模擬如圖14所示。

圖14 施工工藝模擬

5.4 可視化交底

使用BIM模型、3D Max和Lumion動畫演示的方式進(jìn)行三維可視化技術(shù)交底。區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)交底，使施工班組更加容易理解復(fù)雜工藝施工，減少現(xiàn)場返工情況，提高了工程效率和精細(xì)化管理水平。

6 結(jié)語

海滄隧道工程A2標(biāo)段在項目施工過程中通過開展編程建模、設(shè)備族庫創(chuàng)建、工藝模擬、可視化交底的BIM基礎(chǔ)應(yīng)用和場地規(guī)劃、交通導(dǎo)改、施工進(jìn)度模擬、施工組織設(shè)計模擬、施工方案模擬等BIM技術(shù)專項應(yīng)用，在項目臨建場布優(yōu)化、施工組織優(yōu)化、雙連拱隧道開挖專項方案優(yōu)化、隧道防排水技術(shù)方案優(yōu)化等方面取得良好的成果和效益，有效解決了本項目面臨的施工地質(zhì)條件差、結(jié)構(gòu)類型多、技術(shù)含量高、周邊環(huán)境復(fù)雜、施工組織難度大、工期控制風(fēng)險高等難題。同時加快了工期進(jìn)度，提升了項目施工質(zhì)量，提高了施工過程規(guī)避風(fēng)險能力和施工安全系數(shù)，為項目順利竣工交付奠定了堅實的基礎(chǔ)。