拾 峰，高 飛，于 唯，洪 強(qiáng)，郭 堯，孫軍強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 211000；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210009)

0 引言

近年來(lái)，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術(shù)快速發(fā)展，被認(rèn)為是未來(lái)建筑行業(yè)的第二次革命。由于地下工程施工的特殊性，BIM技術(shù)在地下工程領(lǐng)域的發(fā)展比較滯后。相對(duì)建筑、公路、橋梁等工程而言，地下工程建設(shè)難度更大、施工風(fēng)險(xiǎn)更大、安全隱患更多，而且一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，修復(fù)難度較大，所以在地下工程施工過(guò)程中要執(zhí)行嚴(yán)格的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制規(guī)程。

以南京秋藤—山江220 kV線路工程為例，基于BIM技術(shù)對(duì)地層損失量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)研究，從而為盾構(gòu)參數(shù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

南京秋藤—山江220 kV線路工程(電纜段)盾構(gòu)區(qū)間，起點(diǎn)為山江變電站頂管段末端(珍珠泉旅游度假區(qū))，終點(diǎn)為珍珠街，接南京秋藤—山江220 kV線路。該電纜為盾構(gòu)段(埋深6～17 m)，盾構(gòu)隧道段共設(shè)置3座盾構(gòu)井，盾構(gòu)始發(fā)井、盾構(gòu)過(guò)渡井及盾構(gòu)接收井各一座。區(qū)間總長(zhǎng)約2 325 m，隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑為200 m，最大坡度3.5 %，隧道內(nèi)徑為3 000 mm，外徑為3 500 mm。

1.2 工程難點(diǎn)

本區(qū)間隧道從粉質(zhì)黏土及基巖中通過(guò)，隧道圍巖接觸界面多變，有軟斷面、上軟下硬及全斷面硬巖等不同形式，盾構(gòu)姿態(tài)不易控制，對(duì)刀盤切削能力要求較高，且局部巖層破碎、裂隙發(fā)育處可能存在豐富的基巖裂隙水、土倉(cāng)壓力不穩(wěn)定，易造成地表塌陷，以及隧道涌水、涌砂。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用

2.1 地層損失量計(jì)算

在隧道盾構(gòu)施工中，由于管片的拼裝是在盾構(gòu)機(jī)的外邊鋼殼內(nèi)進(jìn)行的，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)，外邊鋼殼跟隨盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部拼裝的管片脫出盾構(gòu)機(jī)，由于盾構(gòu)機(jī)的外邊鋼殼比管片的外徑要大，在管片和土體之間必然會(huì)形成較大的空隙，這時(shí)管片后的土體在自重作用下也會(huì)發(fā)生位移，從而引起隧道上方的地層移動(dòng)，部分區(qū)域甚至?xí)a(chǎn)生較大的瞬時(shí)沉降。

地層的變化情況按應(yīng)變—變形—位移—地面沉降的過(guò)程逐步表現(xiàn)出來(lái)。地層損失是按照理論計(jì)算得出的土體與實(shí)際施工中開挖出的土體的體積差。

不計(jì)實(shí)際施工中的土體損失，盾構(gòu)機(jī)開挖出的土體體積V0為：

式中：r0為盾構(gòu)外徑；L為推進(jìn)長(zhǎng)度。

盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)1 m所產(chǎn)生的地層損失為：

式中Vs為地層損失率，%。以Peck公式的假設(shè)為基礎(chǔ)，即假定施工引起的地面沉降是在不排水的情況下發(fā)生的，則認(rèn)為沉降槽體積等于地層損失的體積，且地層損失在隧道長(zhǎng)度上均勻分布，也就是地層損失率等于同一斷面沉降槽截面積S1與盾構(gòu)外徑面積S2的百分比V實(shí)。

式中：S1為實(shí)測(cè)沉降面積，mm2；S2為盾構(gòu)外徑面積，mm2，為定值；盾構(gòu)外徑均為3.5 m；V實(shí)為實(shí)測(cè)地層損失率，%。

2.2 技術(shù)原理

本次要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足并提出一種基于BIM的隧道地層損失量監(jiān)測(cè)裝置及方法，同時(shí)考慮機(jī)頭沉降的影響，能夠直接準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量盾構(gòu)過(guò)程中的地層損失，從而避免依據(jù)地表沉降分析引起的滯后。

該隧道地層損失量監(jiān)測(cè)裝置由盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和沉降監(jiān)控設(shè)備、隧道沉降監(jiān)控設(shè)備、無(wú)線傳輸設(shè)備和BIM平臺(tái)構(gòu)成。

(1) 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和沉降監(jiān)控設(shè)備安裝于盾構(gòu)機(jī)尾部，用于監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)的傾角和沉降并將盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭的傾角和因機(jī)頭重量引起的沉降量L0經(jīng)無(wú)線傳輸設(shè)備輸出至BIM平臺(tái)。

(2) 隧道沉降監(jiān)控設(shè)備安裝在已掘進(jìn)的沿線隧道襯墊內(nèi)側(cè)，用于監(jiān)測(cè)已掘進(jìn)隧道的沉降并將已掘進(jìn)隧道沉降量L1經(jīng)無(wú)線傳輸設(shè)備輸出至BIM平臺(tái)。

(3) BIM平臺(tái)上設(shè)有無(wú)線信號(hào)接收設(shè)備，接收盾構(gòu)工作井上無(wú)線信號(hào)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)，對(duì)接收的盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭的傾角、L0及L1進(jìn)行處理得到地層損失量。

2.3 模型優(yōu)化與應(yīng)用

對(duì)隧道地層損失量監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)一步優(yōu)化，在隧道內(nèi)安裝多個(gè)沉降監(jiān)控設(shè)備，每隔5～50 m在隧道頂部布設(shè)一個(gè)。

該裝置是考慮沉降條件的隧道地層損失量計(jì)算模型，其使用方法包括以下幾步驟。

(1) 基于BIM技術(shù)和盾構(gòu)機(jī)頭行進(jìn)坐標(biāo)，建立盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)過(guò)程的三維模型。

(2) 基于步驟1中BIM行進(jìn)過(guò)程的三維模型和隧道沉降監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用樣條曲線對(duì)已掘進(jìn)隧道的沉降量沿行進(jìn)里程進(jìn)行插值，建立具備時(shí)空效應(yīng)的三維隧道變形模型。

(3) 基于BIM的三維模型技術(shù)，獲取由非線性引起的盾構(gòu)機(jī)切向旋轉(zhuǎn)占用體積和隧道的等效開挖半徑。

(4) 基于步驟1的盾構(gòu)機(jī)行進(jìn)過(guò)程的三維模型、步驟2的三維隧道變形模型、隧道沉降監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測(cè)結(jié)果及步驟3中隧道的等效開挖半徑，計(jì)算地層損失量Vj及已掘進(jìn)隧道地層損失量V'j公式為：

式中：Vj為因隧道開挖造成的計(jì)算地層損失量；為已掘進(jìn)隧道地層損失量；R為隧道的等效開挖半徑，隧道直線開挖則等于開挖半徑，隧道存在旋轉(zhuǎn)半徑開挖則根據(jù)BIM模型中占用體積計(jì)算等效半徑；r為隧道管片的外圍尺寸半徑；L為盾構(gòu)機(jī)的沉降量；L0為盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭重量引起的沉降量；D為盾構(gòu)機(jī)頭的長(zhǎng)度；θ為盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭傾角；為已掘進(jìn)隧道的沉降量，即因盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭重量引起的沉降量L0與已掘進(jìn)隧道的沉降量L1之和，其計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 考慮沉降條件的隧道地層損失量計(jì)算模型

3 結(jié)束語(yǔ)

這種基于BIM的隧道地層損失量監(jiān)測(cè)裝置和使用方法能夠直接準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量盾構(gòu)施工過(guò)程中的地層損失，避免依據(jù)沉降分析引起的滯后性，為施工管理提供了更為直接的引起地表變形的物理指標(biāo)，是開展進(jìn)一步管控措施的依據(jù)，為隧道建設(shè)周邊安全提供了直接保障。