基于BIM的地铁盾构施工信息管理

范斌

摘    要：盾构法是一种在地下挖掘隧道的施工方法，在城市的地下铁路、电力通讯、上下水道和市政设施等得到了广泛的使用，尤其在地铁的隧道中使用的非常频繁。盾构法虽然有着诸多的优点，但由于不同城市的地理环境与轨道网络的不同，使得盾构结构也要做出相应的改变调整，特别是在穿过地面建筑物的时候，对施工的技术有着很高的考验。

关键词：BIM;B/S架构;盾构施工信息管理;系统研发

1  引言

盾构法在地铁领域的施工应用的比较广泛，但还是有着很多的技术难点需要攻破，例如地铁盾构始发装置的组装以及拆除等，需要通过相应的设计比选，来形成出一套施工速度快、安全性能更高的组装与拆除反力架等装置的施工方法，让施工技术更加的具有先进性、科学性与实用性盾构法的核心施工设备是盾构机。盾构机在施工过程中会产生大量数据，如掘进、管片拼装以及管片物流等，由于隧道，尤其是城市地下隧道，施工环境具有高度的复杂性和不确定性，地质参数、盾构施工数据、隧道设计参数等数据组成的信息集，共同描述了当前盾构机的施工状态，是决定整个隧道工程安全、质量、成本和工期的关键信息。鉴于盾构机操作的高度复杂和服役环境的极端苛刻，充分利用这些数据成为保证盾构正常工作和防范风险的重要手段。如何更好地采集、传输、储存和使用这些数据，将隧道信息转化成施工智能，以指导盾构施工以及规避风险，成为了地铁工程参建各方亟待解决的难题。

2  地铁盾构始发技术的难点分析

在工程初始阶段，需要将盾构机组进行组装调试，对于反力架的稳定性、端头加固的质量和地层地表的检测等多方面都要注意，其中存在着较多的施工难点。

2.1  端头加固质量的控制

盾构在洞门维护的结构被拆除后，需要顶在掌子的面前，要对加固体进行同步的二次注浆，确保端头的整体稳定性，因此要保证端头的加固质量。

2.2  对始发姿态的定位

盾构的执法状态是不能进行姿态的调整的，始发的基座要进行准确的定位，保证盾构姿态能够符合相应的标准要求。要确保反力架的稳定性，从而提高负环拼接的效率。

2.3  对地层地表的检测与设备的熟练操作

不同的地质环境有着大同小异的施工方法，要在施工前对当地的地质环境、地层地表等信息调查清楚，尽可能的减少时间成本，提升工作的效率。盾构选型要始终的把地质因素放到首位。一旦确定选型的完成后，就要完全的按照所确定下来的地层与设备的认识，来进行相关的数据参数的选择、渣土的改良等措施。

3  洞口维护的结构凿除

在完成了端头的加固后，还需要对盾构机进行组装，要确认洞门维护结构，利用打探孔来对前方的地质条件有一个初步了解，在确认了周围的地层表不会渗水后，才可以进行下一步的操作。对于一些发现的问题，例如加固的质量不达标、地质出现缺陷等情况，要及时的做出补救措施。对洞门维护结构进行拆除的时候，一定要把握好时机，对吊装的空间、能力等进行合理的分块，在外围的维护桩破除之后，要根据断土层的暴露时间以及稳定性来决定是否需要喷浆加固处理。另外，在地铁盾构始发前还要对洞门的净空尺寸进行测量，确保在设计的轮廓范围内没有钢筋混凝土的侵入。

4  盾构施工信息模型的建立

在对获取到的所有数据进行归类的基础上，本节分别构建地质空间模型、隧道结构模型、盾构机模型。（1）地质空间地质空间模型包括两部分：土层和地下水。土层模型通常是根据地质勘探的图纸，建立包含各土层序列的三维模型，然后为每层土指定相应的土壤和水文参数等语义信息。另外，沉降数据也将整合至土层模型的表层，建筑物和江水的三维几何数据和位置信息，可以使用GoogleEarth等地理信息采集软件，辅以人工实地勘探获取。使用可视化的模型对于沉降评估是非常有效的方法。地下水模型则是基于地下水监测数据，创建一个地下水位、水头随时间变化的动态模型，为基于BIM的土力学工程数值计算，提供双重选择，即：水土合算的总应力法和更为符合工程实际的有效应力法。（2）隧道结构盾构法施工的隧道结构，除了始发/接收工作井外，预制管片拼装成的隧道是结构主体，因此在建立隧道模型前，首先创建管片环模型。一环完整的管片，通常是由一块封顶块、两块邻接块和若干块标准块组成。每一环管片都与其内外径、厚度、环宽、材质等语义信息关联。

5  数据管理模块

模型数据的创建、导入、保存、管理和维护由数据管理模块负责。本系统提供了项目数据导入的三条途径，用于处理三类不同类型的信息。（1）模型数据导入。本系统支持第三方软件建立的3D模型导入，也提供建模工具用于直接创建。系统可以将隧道的3D模型与进度、成本等信息关联，构建基于IFC标准的盾构施工信息模型。同时，系统也提供数据转换接口，支持二次开发。（2）实时参数采集。盾构机自动采集的数据存储于盾构机的PLC里，使用光纤作为传输介质，把数据传输至地面的数据采集服务器。数据采集服务器通过专用网络将数据发送至数据中心，写入数据库加以存储，供程序调用。（3）施工日志填报。施工日志填报用于采集人工测量数据（如沉降监测、盾尾间隙、刀具磨损等）以及项目进度和管理信息。为便于数据的存储和调用，该模块采用结构化存储设计，使用WBS（WorkBreakdownStructure）将盾构隧道分解为分部分项，独立填报。

6  数据可视化模块

数据可视化模块基于浏览器展示，并采用Silverlight插件和Unity3D分别实现客户端的交互和三维模型的渲染，增加系统的交互性和真实感。（1）三维模型可视化。系统使用Unity3D作为三维模型渲染引擎，并采集工程现场照片进行贴图处理，对模型添加纹理以及选择合理的光源，增强三维场景的真实感。使用系统提供导航工具，如缩放、平移和动态观察，可以实现模型漫游。（2）可视化查询。将当前衬砌环模型与地质剖面图、推进参数记录表、同步注浆记录表、盾构姿态报表、管片姿态报表、管片拼装质量照片等文件相连接，可以实现衬砌环相关记录信息的可视化查询。通过BIM模型选中特定环后，即可通过调出菜单栏，查询各类与本环相关联的信息。（3）施工参数实时显示。盾构法施工中，对重要盾构施工参数的实时监控是保证工程顺利推进的关鍵。本模块用于对盾构机施工实时数据进行监控，页面集成推进、刀盘、导向、同步注浆、泥水平衡（适用于泥水平衡盾构）等四大系统的关键参数供技术人员查看。

7  结语

以管片环作为信息关联的基本单位，将对应时空间位置的地质参数、结构参数和盾构机参数关联，实现数据可视化查询。基于盾构数据库，本文初步研究数据对盾构隧道项目决策支持的应用，主要包括关键参数远程监控、材料消耗管理、时间统计、盾构施工记录填报等功能。本课题未来将进一步探索盾构数据的潜在应用价值并开发系统新功能，为盾构隧道作业提供更大的决策支持。

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