基于BIM的清华园隧道施工管理关键技术研究及应用实践

杨 威,鲍 榴,王万齐,王辉麟,解亚龙

(中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所,北京 100081)

截至2018年底，我国铁路营业里程达13.1万km，其中铁路隧道长度1.63万km，占铁路总里程的12.45%。高速铁路营业里程达2.9万km，其中高铁隧道长度近0.5万km，占高铁总运营里程的16.89%[1]。如高黎贡山与望京隧道均采用大直径掘进机施工。掘进机具有自动化程度高、施工速度快、可控制地面沉降，对地面建筑物和交通干扰小，特别适合城区地下空间开发的特点。但城区地下隧道施工有安全文明施工，对周边环境扰动小、注重保护市政管线等要求。如何高效地将相对离散、封闭但又极其重要的施工数据组织起来，挖掘数据价值，来解决城区地下大型工程建设管理痛点问题，从而实现精益化施工管理是信息化工作者应积极探索的方向。

党的十九大报告中提出“交通强国”战略[2]，给铁路行业转型升级指明了发展方向。我国铁路“十三五”发展规划中也提出“大力促进数字化、信息化、智能化铁路建设”的要求。BIM、物联网、大数据等信息技术在基础设施设计建造和运维阶段的应用发展，给建设管理者们提供了全新的管理理念，也得到建设各方的广泛认可。特别是在市政盾构隧道施工信息化方面，探索以统一IFC的BIM模型，将空间施工过程数据通过传感设备进行实时采集与管理，实现了施工过程信息传递共享，标准化动态管理[3-5]。并将施工过程中产生的数据信息与BIM模型构件关联，对质量问题三维可视化加上时间属性，提高质量管理的精细化水平[6]。在铁路隧道施工管理信息化方面，一方面提出以地质BIM模型为核心，结合超前地质预报可视化与地质信息综合分析的技术路线[7]，另一方面，通过快速建模技术与施工组织结合，形成多种可视化虚拟建造方案，经过比选确定最佳施工方案[8-9]。运营维护阶段也已经将BIM模型引入到隧道养护工作中，提供直观可视化的工作界面，以期提高运维工作效率[10]。

综上所述，尽管BIM技术在隧道工程设计、建造与运维等方面都有了不同深度的应用，但依然存在建模标准不统一，信息共享性、实时性、灵活性不高，建造数据价值利用率低等问题。鉴于此，依托京张高铁清华园隧道，通过研究参数化建模、多源异构数据集成和统一建模编码体系等关键技术，研发集进度、质量、安全风险管控、施工参数分析和施工辅助决策于一体的铁路盾构隧道施工BIM管理系统，逐步实现数字隧道，精品工程的目标，并朝着铁路工程智能化建设管理的发展方向迈进[11]。

1 工程概况

清华园隧道是新建北京至张家口高速铁路的重点控制性工程，主要包括盾构段和明挖段隧道，平面示意如图1所示。其中盾构段隧道系国内首条穿越北京主城区单洞双线、大直径、高风险的铁路盾构隧道，全长5 330 m，在学院南路北侧入地，并行城铁13号线，依次下穿北三环路(上穿在建地铁12号线)、知春路、地铁10号线、北四环路、成府路、双清路、上穿地铁15号线后出地面。该地段地质复杂、环境风险高、施工难度大，长距离穿越卵石土地层，对刀盘刀具磨损大，不利于盾构连续掘进施工。下穿的地铁线路承担着巨大的客流输送任务，施工过程中必须严格控制地表不均匀沉降；下穿的建筑物部分较为老旧，地面风险源及管线极多，穿越过程中如何保证敏感建筑安全，是盾构掘进控制的重点。隧道全线均在北京主城区内，沿线商业区分布较多，人员密集，文明施工和环境保护要求极高，施工中需采取各种措施减少环境破坏，保护周边环境，要体现环保意识，树立良好形象。同时各种电力设施、地下管线、通信线路密布，掘进过程中如何确保道路结构及管线安全，是本工程盾构施工控制的难点。

图1 清华园隧道平面示意

明挖区间共2段，每段均由明洞段隧道和工作竖井组成，起止里程分别为：DK14+090～DK14+289和DK18+200～DK19+420，总长1419 m。明挖区间围护结构为钻孔灌注桩+高压旋喷桩。1号竖井深20 m、3号竖井深22.6 m，2号竖井深31～37 m。1号、3号竖井采用钻孔灌注桩+旋喷桩围护结构，钢支撑支护体系；2号竖井采用地下连续墙围护结构，钢支撑支护体系。采用局部钢筋混凝土支撑+钢支撑支护体系。竖井深度大，地层稳定性差，容易失稳变形，并造成周边沉降，是工程控制的重点。

2 关键技术

2.1 参数化建模

清华园隧道BIM模型主要分为4类，地质模型、结构模型、周边环境模型和盾构机模型。BIM模型创建说明如表1所示。

表1 盾构隧道BIM建模要求说明

2.1.1 地质模型

三维地质模型包含地层模型、断层、钻孔等地质工程勘察信息，考虑地质专业建模的特殊性，本次地质建模精度高于初步设计精度，以保证在后续深化过程中地质专业不再重新建立模型。地质模型在地质勘探点处的几何精度为1 mm，位置精度为10 mm。地质专业涉及的地层岩性多，采用了统一的地质材质标准、颜色标准、属性标准、图层标准等。按照统一标准完成的地质模型，整体更具有统一性。

2.1.2 结构模型

清华园隧道盾构段采用预制管片及轨下全预制构件拼装创新技术，用拼装的模式代替现浇法工艺，更符合盾构法隧道发挥对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等优点。每环由9块管片组成，包括1块封顶块、2块临接块和6块标准块；轨下全预制结构采取中间预制“口”字件(中箱涵)+两侧预制边箱涵的结构形式。在建模过程中，将结构划分为基本零件，形成构件库，并能根据设计图从构件库中调取模型生成隧道结构BIM模型。

2.1.3 周边环境模型

隧道下穿北京核心城区，穿越市政管线、道路和建筑物多达上百处。根据实地考察和设计文件，创建了26处风险构筑物、88条重要市政管线以及10号、12号、13号与15号地铁线，北三环、成府路等多条重要市政道路在内的BIM模型，为隧道施工系统开展实时可视化监控风险变化工作提供了位置关系、风险说明、应急方案等辅助决策信息。

2.1.4 盾构机模型

清华园隧道采用外径12.2 m的大直径泥水平衡盾构机施工。盾构机建模主要包括刀盘、盾体、推进油缸、溺水输送机、管片拼装机、拖车等主要零部件。盾构机模型的建立一方面能够查看盾构机所在位置的地层地质情况，另一方面可与施工参数结合，实现设备状态的可视化监测。

2.2 基于BIM的多源异构信息集成

清华园隧道数据信息来源于盾构机、RFID射频标签、图纸、视频、文字记录等多种渠道，有效地组织处理数据成为平台底层数据结构的关键。因此，有必要对形式复杂、格式不一、来源多样的数据进行统一规划。研究数模分离技术，形成以BIM模型为核心，与施工数据、结构数据、监测数据、风险数据、人员数据相互映射的数据架构。并通过数据调用技术、数据流接口技术、控制模式技术的研发，实现多源异构数据集中运行应用管理。

2.3 统一建模编码体系

依据中国铁路BIM联盟发布的《铁路工程实体结构分解指南(1.0)》、《铁路工程信息模型分类和编码标准(1.0)》、《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0)》等BIM相关技术标准[12-14]，结合清华园隧道轨下全预制拼装结构的特点，研究盾构隧道工程实体结构分解方式及专业构件编码规则，通过附加IFD类型码、EBS实体码以及风险监测测点编码等统一标准编码，实现数据信息的灵活性、传递性和共享性，也补充完善了铁路BIM联盟相关标准。

铁路工程建设管理中隧道结构EBS编码如图2所示。

图2 预制箱涵EBS编码示意

在建设基于BIM的隧道施工管理系统过程中，应遵循以下原则。

(1)工点编码，由铁路工程管理平台统一编码下发，前6位表示项目编码，第7、8 位为专业代号，第 9、10、11、12 位为工点顺序号。

(2)结构类别码，第13、14位为结构类别位，例如地基加固与处理DJ，初期支护CZ，衬砌CJ。

(3)结构部位标识码，第15、16位是结构部位标识位，单洞单线隧道为00，单洞双线或多线隧道时，结构部位标识位应由小里程向大里程方向，从左到右依次是01、02…。

(4)结构部位顺序码，第17、18、19、20位为结构部位顺序位。

(5)构件类别码，第21、22、23、24位为构件类别位，例如管片0304，箱涵0313。

(6)构件标识码，第25、26位为构件标识位，若只存在唯一构件则为00，若存在多个构件，应由小里程向大里程方向，从左到右依次是01、02…。

(7)构件顺序码，第27、28、29、30、31位为构件顺序位。

示例：XPBZ01040010.CJ.01.0001.0313.00. 00001，解释为新建北京至张家口铁路清华园隧道1号盾构段左线1号节段第一块箱涵预制构件。

3 基于BIM的隧道施工管理系统构建

3.1 系统架构设计

系统整体架构由网页端和手持应用终端组成。服务器端配置由SQL Server服务器、防火墙和路由器组成，负责提供数据存储、访问和管理服务。通过BIM模型轻量化处理发布、调用，实现设计与施工阶段数据无缝衔接，并为后期的运营维护提供数据信息。手持应用终端采用响应速度较快、安全性较高的C/S架构，保证施工数据获取的时效性。

基于BIM的隧道施工管理系统分为5层架构，包括设备层、数据层、模型层、功能层和应用层，如图3所示。

设备层包括监控监测传感器、视频监视器、射频识别芯片(RFID)和手持终端。在竖井、建筑物、道路、盾构顶层地面等关键位置布设检测传感器，动态采集沉降、倾斜、应力等监测数据。通过RFID芯片和手持终端采集管片拼装质量数据，固定式RFID读写器获取门禁、盾构机、人员定位等动态数据。获取的多源数据通过网络统一回传至中心服务器进行数据处理分析。

数据层包括预制构件生产、质量追溯、监控监测、人员定位等数据库，将预制构件生产过程数据、盾构拼装质量数据、风险监测数据、人员定位数据通过异构多源数据融合机制集成到BIM模型和中心数据库。

模型层包括地层地质模型、周边环境模型、隧道结构模型和盾构机模型。模型层以设计院提供的BIM模型为源头，通过轻量化处理、数模分离，提取几何信息和非几何信息，形成设计阶段属性数据库，并与建造数据互通。

功能层是通过自主研发WebGL的CarsView图形引擎对各类BIM模型统一集成管理，包括施工质量追溯、进度跟踪、安全风险监控、人员轨迹分析、施工参数挖掘、盾构工效分析等服务，实现各参建方数据共享与应用。

应用层是为各参建方提供包括Web、手持终端和调度中心的应用服务，满足人机交互需求。

图3 系统架构

3.2 基于BIM隧道施工管理系统实施流程

依托铁路总公司重点科研课题，重点研究参数化建模、多源异构数据集成、统一建模编码体系等关键技术。并结合清华园隧道工程特点、管理要求、施工难点等进行施工系统需求分析，形成系统架构设计、功能设计和网络安全设计技术方案。对设计院提供的不同深度模型轻量化处理，将施工组织信息、人员组织结构信息、技术方案信息和管理信息与BIM模型融合，通过WebGL图形引擎研发基于BIM的清华园隧道施工管理系统，通过功能测试、性能测试与安全测试后部署在铁路工程管理云平台上，组织系统使用人员培训，并建立消息日志与容灾备份等运维保障机制。实施流程如图4所示。

图4 基于BIM隧道施工管理系统实施流程

4 应用实践

4.1 预制件管理

清华园隧道预制构件供应商为中铁十四局房山桥梁厂，研发的手持终端设备具备钢筋加工、钢筋安装、模具检查、浇筑、蒸汽养护、脱模、喷码、洒水养护等构件制造全过程数据采集功能，如图5所示，并在堆场和出场过程中粘贴二维码，保证构件制造信息流转到施工拼装阶段，与拼装质量数据融合，实现信息传递和共享。

图5 出厂登记

4.2 进度管理

将盾构机掘进施工时间、持续时长和里程位置等进度数据通过抽取算法与进度判定算法分析，结合施工计划与BIM模型，实时判别进度超前或滞后，形成计划与实际进度三维可视化对比分析，并将实时分析的结果反馈到项目管理人员，提高进管控时效性，辅助施工方案调整与决策，施工进度模拟如图6所示。

图6 施工进度模拟

4.3 质量追溯

通过安装在管片上的RFID标签，动态采集隧道拼装质量、结构健康状态、跟踪修复结果等数据信息，并分析隧道轴线偏差、管片椭圆度、错台、渗漏、破损等工程质量数据，如图7所示。可点击平面示意图和三维BIM模型查询实体结构的拼装时间、注浆量、二次注浆量、外观质量信息，形象直观快速地为相关质量监督人员指明问题所在，同时保证隧道质量具有可追溯性，如图8所示。

图7 管片拼装质量

图8 施工质量追溯

4.4 风险监控

通过对隧道线路走向及周边范围内风险源梳理，建立包括地面风险构筑物、地下复杂管线、临近地铁线、既有铁路线以及成型隧道结构的监控监测预警体系，与盾构掘进拼装进度密切关联，提前对盾构机即将穿越的风险源发出警示提醒；并采用Revit和MicroStation建模软件创建所有的风险源、地层地质及监测点BIM模型，提供隧道与风险源空间位置关系；结合地层地质中的属性参数信息，自动检索匹配数据库中的工程地质参数，判定相应的地质风险因素，提供专项应急处理方案便于用户查询。在盾构施工远程调度中心大屏上实时关注监控量测数据、盾构机施工数据与人员定位信息，切实可行组织落实风险预警管控措施，盾构工作井风险实时监测数据分析如图9所示。

图9 风险源监测

4.5 盾构远程监控

将盾构掘进姿态、刀盘扭矩、同步注浆、泥水循环和盾尾油脂等施工数据引入地面调度监控中心，便于实时掌握地下盾构机运行状态，如图10所示，并将数据信息与盾构机BIM模型关联，有助于动态模拟优化盾构施工实施方案。对盾构隧道单环管片的掘进、拼装、施工3种状态所需时间数据结构化存储和工效分析，有助于项目管理人员掌握盾构机施工规律，辅助施工组织优化，并为日常盾构机养护、资源动态优化调整等提供依据。

图10 远程盾构机监控

4.6 信息总览

综合展示清华园隧道工程形象进度、管片拼装质量、安全风险监控、盾构机掘进姿态以及成型隧道质量等信息，以三维可视化漫游方式便于快速了解隧道施工进展，如图11所示。

图11 信息总览

5 系统特点

基于 BIM技术的清华园隧道施工管理系统具备以下技术特点。

(1)标准化：根据《铁路工程实体结构分解指南(1.0)》、《铁路工程信息模型分类和编码标准(1.0)》、《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0)》等BIM相关技术标准[12-14]，建立并丰富铁路盾构隧道工程实体结构分解与编码规则，补充完善铁路BIM联盟标准，并为其他在建隧道提供建模编码范例。

(2)全寿命：以二维码和RFID射频电子标签为信息载体，便于施工过程数据采集与查询，并与建造期数据融合，形成类似装配式的隧道生产、运输、拼装以及后期运营健康数据信息的全寿命质量追溯体系。

(3)可视化：自主研发WebGL为浏览器展示层技术的CarsView图形引擎，建立实时数据驱动的盾构隧道形象进度与安全风险管控体系，形成基于BIM的盾构隧道施工可视化管理模式。

6 结论与展望

结合穿越核心主城区大直径铁路盾构隧道关键施工难点问题，重点突破参数化建模、多源异构数据融合和统一建模编码体系等关键技术，研发各方参与、信息共享、可扩展应用的铁路隧道BIM施工管理系统，有效解决了盾构隧道施工中遇到的进度卡控、资源平衡配置、质量病害追溯、环境风险监测、盾构远程监控等重难点问题，并在京张高铁清华园隧道中成功应用，提升了盾构隧道施工数字化、信息化与精益化管理水平，取得了良好应用效果。

通过基于BIM的铁路隧道施工管理系统收集了勘察设计与建造等数据，为探索建维一体化技术路线，打造工程建设全生命周期数据链条奠定了基础。同时，依托铁路工程管理平台，可形成全路隧道远程监控平台，实现向项目群信息化管理方式的转变。