王朝語

(中國鐵建國際集團(tuán)有限公司,北京 100039)

0 引言

NEOM是沙特阿拉伯的一座全新未來城市,位于紅海沿岸,計(jì)劃打造成為世界領(lǐng)先的智能城市。為連接NEOM與鄰近城市塔布克的干線基礎(chǔ)設(shè)施通路,需修筑大型隧道穿越塔布克西南山區(qū)。本項(xiàng)目即為該主隧道工程提供施工條件的施工通道,施工支洞、洞口結(jié)構(gòu)及相關(guān)附屬設(shè)施。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段,利用模擬與分析計(jì)算軟件,將涉及工程質(zhì)量和安全施工的關(guān)鍵施工工藝、工法和施工組織安排進(jìn)行模擬與分析,科學(xué)模擬施工方案和施工組織設(shè)計(jì),可以提高材料的合理利用程度,保障人員、設(shè)備的安全組織,加強(qiáng)業(yè)主的成本控制。同時(shí)提升了總承包單位的設(shè)計(jì)管理水平,體現(xiàn)以設(shè)計(jì)為龍頭引領(lǐng)項(xiàng)目實(shí)施的先進(jìn)理念。

項(xiàng)目實(shí)施階段,為滿足業(yè)主較高的進(jìn)度與質(zhì)量管理要求,提升總承包方的項(xiàng)目管理水平,本項(xiàng)目在策劃和實(shí)施階段采用了BIM技術(shù),用以保障施工進(jìn)度、提高工程質(zhì)量、同時(shí)做好總承包方的投資管理,規(guī)避虧損風(fēng)險(xiǎn)。

在BIM的基礎(chǔ)上加入時(shí)間維度,并與建筑構(gòu)件的計(jì)劃與實(shí)際進(jìn)度發(fā)生關(guān)聯(lián),即BIM4D管理。BIM4D不僅能提供可視化三維環(huán)境,便于管理者了解工程進(jìn)度與資源配置,還為項(xiàng)目各參與方搭建了一個(gè)公開、透明的信息交互平臺(tái)。BIM的可視化特征,意味著“所見即所得”,也是虛擬設(shè)計(jì)與虛擬建造概念的可實(shí)現(xiàn)路徑。

1 數(shù)字模擬與分析

1.1 利用數(shù)字技術(shù)對(duì)特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破模擬分析

在礦山法施工作業(yè)中,特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)的存在可能對(duì)爆破過程產(chǎn)生重要影響,因此進(jìn)行爆破分析顯得尤為重要。特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括斷層、節(jié)理、溶洞等,具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性和不規(guī)則性,對(duì)巖體的穩(wěn)定性和爆破效果都會(huì)帶來挑戰(zhàn)。

采用仿真模擬方法對(duì)特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆破分析具有顯著的優(yōu)勢(shì)。通過建立準(zhǔn)確的地質(zhì)模型,并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定合理的參數(shù),可以模擬爆炸荷載在特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)上的傳播和作用過程。這種模擬分析方法可以提供詳細(xì)的爆破效果預(yù)測(cè)和巖體響應(yīng)評(píng)估,幫助工程師更好地理解和控制施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

常用的仿真模擬方法包括有限元分析、離散元方法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等。這些方法基于數(shù)學(xué)模型和物理原理,結(jié)合地質(zhì)參數(shù)和爆破荷載數(shù)據(jù),如圖1所示,通過計(jì)算和模擬得出爆破效果、巖體應(yīng)力、變形和破裂等信息,評(píng)估巖體損傷情況。通過對(duì)不同爆破方案和參數(shù)的模擬比較,可以評(píng)估不同方案的可行性和效果,為工程決策提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 爆破方案損傷程度分析Fig.1 Analysis of damage degree of blasting plan

1.2 基于BIM技術(shù)的爆破工藝優(yōu)化

傳統(tǒng)隧道爆破的炮孔布置針對(duì)小斷面巷道設(shè)計(jì),炮孔數(shù)量較多,特別是工作面中心炮孔密集,現(xiàn)場(chǎng)工人難以完成如此密集的炮孔布置。為了提高隧道施工效率和降低成本,實(shí)際工程中采用少鉆多裝藥的方法來加快爆破開挖速度。然而,這種做法可能導(dǎo)致保留巖體的損壞、嚴(yán)重的超挖問題以及初始混凝土的高消耗。

通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合,提出了大斷面隧道大孔距設(shè)計(jì)的理論方法,最大限度地向外推動(dòng)楔形切槽孔,解放中央工作面。根據(jù)留存巖體損傷判定標(biāo)準(zhǔn),確定最佳切孔角度和最佳布置位置。引入大孔距、小排距的設(shè)計(jì)理念,突破了傳統(tǒng)炮孔網(wǎng)布置的限制。這樣既能更有效地控制隧道斷面和保留巖體的損傷,又能減少鉆孔數(shù)量和相關(guān)成本,提高大斷面隧道爆破的掘進(jìn)效率。

利用ANSYS LS-DYNA軟件進(jìn)行大斷面隧道大孔距設(shè)計(jì)的仿真模擬可以提供詳細(xì)的爆破效果和巖體響應(yīng)分析。根據(jù)實(shí)際隧道的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征,在ANSYS LS-DYNA中創(chuàng)建隧道的三維幾何模型,包括洞口、工作面和周圍巖體。

在建立模型的基礎(chǔ)上,為隧道及周圍的巖體定義材料特性,如密度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度等。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)或文獻(xiàn)資料提供的參數(shù),考慮巖石的非線性行為,如損傷、破裂和變形。

確定爆炸荷載的位置、類型和大小,通常位于隧道工作面中心或其他關(guān)鍵位置。同時(shí),設(shè)置邊界條件,模擬實(shí)際約束和支撐結(jié)構(gòu),如錨桿和噴射混凝土。通過數(shù)值模擬,運(yùn)行LS-DYNA軟件進(jìn)行爆破仿真。根據(jù)設(shè)定的荷載、材料特性和邊界條件,計(jì)算隧道在爆破荷載下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),包括巖體破裂、塌陷、振動(dòng)和應(yīng)力分布等。

對(duì)最終生成的模擬結(jié)果進(jìn)行分析,評(píng)估隧道在爆破荷載下的安全性和穩(wěn)定性。通過查看位移、應(yīng)力、應(yīng)變和損傷等數(shù)據(jù),了解巖體的響應(yīng)情況,并評(píng)估設(shè)計(jì)的有效性。

2 基于BIM技術(shù)的地質(zhì)管理

2.1 基于BIM技術(shù)的隧道地質(zhì)體聯(lián)動(dòng)

在施工作業(yè)前,導(dǎo)入三維地質(zhì)模型和DWG格式地質(zhì)圖,模擬二維、三維路線聯(lián)動(dòng),可以建立真實(shí)準(zhǔn)確的地質(zhì)模擬場(chǎng)景。對(duì)比剖切地質(zhì)體,查看地質(zhì)報(bào)告與三維地質(zhì)體差異,評(píng)估地質(zhì)模型與實(shí)際地質(zhì)體之間的差異,及時(shí)掌握地質(zhì)信息的準(zhǔn)確性和可靠性,深入了解地質(zhì)情況并發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患。有效暴露地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警分級(jí)信息,指導(dǎo)隧道施工,避免重大安全事故。

通過模擬二維、三維路線的聯(lián)動(dòng),可以對(duì)比剖切地質(zhì)體,按里程樁號(hào)實(shí)時(shí)查詢地質(zhì)體產(chǎn)狀及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)信息,根據(jù)圍巖等級(jí)對(duì)施工方案進(jìn)行分析,得出施工建議,輔助施工決策。

借助實(shí)時(shí)查詢結(jié)果,可以對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行分析,并針對(duì)不同等級(jí)的圍巖提出相應(yīng)的施工方案。通過對(duì)圍巖等級(jí)的評(píng)估,可以識(shí)別出潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),進(jìn)而制定相應(yīng)的施工策略和安全措施。在高風(fēng)險(xiǎn)地段,可以考慮加強(qiáng)支護(hù)、減少裝藥量等措施以降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

基于對(duì)地質(zhì)體產(chǎn)狀及地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)信息的實(shí)時(shí)查詢和分析,可以得出針對(duì)具體隧道段落的施工建議。這些建議將作為輔助施工決策的重要依據(jù),有助于優(yōu)化施工方案和確保施工的安全性和有效性。

2.2 基于GIS+BIM技術(shù)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)源管理

基于GIS+BIM技術(shù)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)源管理,是將項(xiàng)目的BIM模型與GIS系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源的全面管理和控制。將二維、三維復(fù)核后的風(fēng)險(xiǎn)源信息與項(xiàng)目進(jìn)度緊密關(guān)聯(lián),利用信息化平臺(tái)和人工智能技術(shù)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)隧道掌子面的實(shí)時(shí)展示和穿越風(fēng)險(xiǎn)源的智能提醒。

通過將項(xiàng)目的BIM模型接入GIS數(shù)據(jù),可以將地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的信息與項(xiàng)目進(jìn)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。管理者可以實(shí)時(shí)查看隧道掌子面地質(zhì)情況,并及時(shí)發(fā)現(xiàn)與項(xiàng)目進(jìn)度相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)源,采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

在對(duì)三維地質(zhì)模型的分析過程中,通過地質(zhì)模型可基于多種線框和渲染模式對(duì)任意曲線進(jìn)行剖切顯示(見圖2),容易獲得各層地質(zhì)界面信息,從而進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。配合實(shí)際的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,全面指導(dǎo)施工,確保安全和質(zhì)量可控,隧道進(jìn)尺有據(jù)可依。

圖2 地質(zhì)分層信息Fig.2 Geological stratification information

3 BIM4D的進(jìn)度與協(xié)同管理

3.1 基于BIM4D的施工計(jì)劃與進(jìn)度管理

基于BIM4D的施工計(jì)劃與進(jìn)度管理可以直觀、高效地幫助項(xiàng)目加快進(jìn)度,優(yōu)化資源配置,如圖3所示。通過BIM模型的可視化展示,項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以直觀地了解隧道施工的整體計(jì)劃和進(jìn)度安排,不僅使項(xiàng)目參與者更易于理解和溝通,還能夠幫助他們更好地協(xié)調(diào)資源和組織工作。

圖3 基于BIM4D的計(jì)劃與進(jìn)度管理Fig.3 Plan and progress management based on BIM4D

在基于BIM4D的計(jì)劃與進(jìn)度管理中,合理的資源配置和組織是關(guān)鍵因素之一。利用BIM4D模擬,可以對(duì)施工所需的各種資源進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和規(guī)劃,如勞務(wù)、材料和施工機(jī)械等。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)計(jì)劃和進(jìn)度要求,對(duì)資源進(jìn)行合理的配置和調(diào)度,確保施工順利進(jìn)行,最大限度地提高資源利用效率,避免資源短缺或閑置導(dǎo)致的延遲和浪費(fèi)。

在施工過程中,由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的變化,可能需要對(duì)資源進(jìn)行調(diào)整和重新配置。BIM4D模擬可以幫助項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)圖紙、施工方案、施工隊(duì)伍、管理人員、施工材料和施工設(shè)備等資源進(jìn)行靈活調(diào)整,進(jìn)行相應(yīng)的資源調(diào)配,以保持施工的穩(wěn)定性和高效性。

3.2 基于BIM4D技術(shù)的可視化協(xié)同管理

BIM4D技術(shù)可以將隧道施工進(jìn)度以可視化的方式呈現(xiàn),通過動(dòng)態(tài)模擬和仿真,展示隧道施工在不同時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)和進(jìn)展。這種可視化的展示方式有助于施工管理者和利益相關(guān)者更好地理解和評(píng)估施工進(jìn)度,及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的沖突和延遲,并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外,BIM4D模型還可以與其他相關(guān)信息進(jìn)行集成,如材料供應(yīng)鏈、設(shè)備調(diào)度等,以提高施工的協(xié)調(diào)性和整體效率。

4 結(jié)語

1)對(duì)于特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu),利用數(shù)字手段采用仿真模擬方法進(jìn)行爆破分析,可以提供詳細(xì)的爆破效果預(yù)測(cè)和巖體響應(yīng)評(píng)估,幫助項(xiàng)目組織者和技術(shù)人員更好地理解和控制施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。通過仿真分析施工過程中的不安全因素,合理調(diào)整設(shè)計(jì)方案和施工方案。

2)基于BIM技術(shù)的隧道二維、三維地質(zhì)體聯(lián)動(dòng),可以評(píng)估地質(zhì)模型與實(shí)際地質(zhì)體之間的差異,及時(shí)掌握地質(zhì)信息的準(zhǔn)確性和可靠性,深入了解地質(zhì)情況并發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患,指導(dǎo)隧道施工,避免重大安全事故。

3)基于GIS+BIM技術(shù)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)與風(fēng)險(xiǎn)源管理,是將項(xiàng)目的BIM模型與GIS系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)源的全面控制和管理。

4)基于BIM4D技術(shù)的進(jìn)度與協(xié)同管理,可以在充分利用3D模型的基礎(chǔ)上,將項(xiàng)目的資源計(jì)劃、進(jìn)度管理串聯(lián)起來。利用可視化手段,打破項(xiàng)目各參與方的信息差,達(dá)到數(shù)字賦能工程建設(shè)的目的。