大瑞铁路高黎贡山隧道BIM施工应用研究

路耀邦，卓 越，司景钊，张建设

(1.中铁隧道勘察设计研究院有限公司，广东 广州 511458；2.广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室，广东 广州 511458；3.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458)

0 引言

"交通强国，铁路先行"，铁路工程建设在我国交通强国现代化进程中的作用日益突出，而铁路工程信息化在铁路建设现代化发展中的作用举足轻重。2013年，中国铁路总公司开始推进以BIM技术为核心的铁路工程信息化工作，正式开展BIM技术应用和配套标准的研究工作[1]，以实现对铁路项目进度、安全、质量等的有效管控[2]。当前，虽然BIM技术给铁路隧道带来了前所未有的机遇，但与其他行业相比，铁路隧道BIM技术尚未得到系统应用，仍处于发展起步阶段[3-4]。

赵璐等[5]以西成铁路清凉山隧道为例，开发了BIM施工管理平台，实现了隧道施工的数字化、可视化和集成化管理，促进了BIM技术在铁路隧道中的施工应用；王金国等[6]以张吉怀铁路凤凰隧道为背景，基于BIM5D+智能平台实现智能拼模、场地布置、技术交底、进度模拟及成果展示等，提高了隧道施工信息化管理水平；智鹏等[7]针对京张高铁清华园盾构隧道的重难点，深入研究BIM、大数据、三维激光扫描等关键技术，解决了盾构隧道施工中的风险源、安全质量隐患、关键进度节点等问题；刘钧祥[8]结合某铁路隧道开展三维可视化、工程量统计、4D施工模拟、成本管控、碰撞检测等应用，效果明显；王潇潇等[9]、姬付全等[10]利用BIM虚拟仿真技术，实现了铁路隧道施工方案的3D可视化设计与交底、4D虚拟施工推演与优化。

综上所述，BIM作为一项具有革新意义的新技术，为提高铁路隧道施工信息化水平注入了活力，但仍处于探索阶段，其应用点多停留在可视化、虚拟施工、三维交底、工程量计算等方面，对铁路隧道施工中的进度、安全、质量等虽有涉及，但研究不深。基于此，利用BIM、物联网等技术，深入研究铁路隧道施工进度、安全、质量等BIM技术应用，进一步提高铁路隧道信息化管理水平已成为大势所趋。

1 工程概况

高黎贡山隧道位于云南省西部地区，是国家"一带一路"倡议重要通道大瑞铁路的咽喉控制性工程。隧道全长34.538 km，全隧采用"贯通平导+1座斜井+2座竖井"的辅助坑道设置方案及钻爆+TBM 2种施工方法。隧道建设规模宏大，施工技术要求高，深竖井、长斜井、长距离TBM掘进等对项目施工的进度管控、工程量核算、人员定位等提出了较高的要求。隧道所处地质具有"三高"和"四活跃"的特征，不同地质条件高达18种，其地质结构复杂、施工风险高，项目施工对安全、质量等要求严格。因此，以BIM技术为抓手，开展高黎贡山隧道施工进度、风险、质量等BIM应用，以期达到工期可控、质量最优、风险主动预防的目的。隧道平面布置如图1所示。

图1 高黎贡山隧道平面图(单位：m)Fig.1 Plan of Gaoligongshan Tunnel (unit:m)

2 高黎贡山隧道BIM模型基本要求

高黎贡山隧道BIM应用坚持"一个模型、一个平台、多个模块"的理念，对BIM技术在隧道设计和施工环节进行探索和实践。为确保三维隧道模型与二维施工图信息保持一致，而且满足后续隧道施工BIM应用，在BIM应用策划阶段，应对隧道BIM模型的建模精度、命名规则、编码规则等提前约定。

2.1 建模精度

建模精度是BIM几何信息的全面性、细致程度及准确性指标[11]。结合本项目特点，采用Bentley平台的OpenRoads Designer创建地形、线路、衬砌结构等模型，Prostructure创建钢拱架、锚杆、钢筋网片、连接筋、二次衬砌钢筋等模型。在建模过程中坚持"够用就好"的原则，模型精度达到LOD4.0(施工深化设计阶段)，具体为：初期支护模型预切分精细到现场施工的每一循环钢架间距、二次衬砌模型预切分以模板台车中的模板长度为一个单元。隧道模型中的每个构件均按照设计的尺寸、空间位置、材质等信息建立，形成一个基础的三维高黎贡山隧道模型，该模型集成构件的几何信息和非几何信息。以正在施工的1#斜井主井为例，其Ⅳ级围岩支护结构建模精度见表1。

表1 1#斜井主井Ⅳ级围岩支护结构建模精度Table 1 Modeling accuracy of Grade Ⅳ surrounding rock support structure in #1 inclined shaft (main shaft)

2.2 命名及编码规则

不同的隧道围岩级别对应不同的衬砌结构类型，为使隧道模型的构件名称与二维图纸中的名称一致，需要对同一类型的构件统一命名。结合高黎贡山隧道的特点，在符合隧道设计原则的基础上，构件命名遵循现有铁路隧道模型的构件命名规则[5,11-12]，最终确定选取"构件名称-围岩级别+衬砌类型"的方式命名。高黎贡山隧道BIM模型构件命名规则如图2所示。

图2 高黎贡山隧道BIM模型构件命名规则Fig.2 Naming rule for Gaoligongshan Tunnel BIM model component

此外，还需创建唯一的隧道模型构件编码体系，构件编码包含单位工程名称、构件名称、围岩级别、衬砌类型、里程位置等信息，采用"单位工程名称首字母-构件名称首字母-围岩级别+衬砌类型-里程位置"的规则进行编码。高黎贡山隧道BIM模型构件的编码规则如图3所示。

图3 高黎贡山隧道BIM模型构件编码规则Fig.3 Coding rules for Gaoligongshan Tunnel BIM model component

3 高黎贡山隧道BIM施工应用

3.1 施工进度动态管控应用

针对高黎贡山特长铁路隧道多工作面同时施工的特点，为实现多工作面施工进度可视可控，提出了基于BIM的高黎贡山隧道施工进度动态管控方法，其基本思路是以BIM施工管理平台为载体，将高黎贡山隧道模型与施工进度计划相关联，施工过程中收集、填报施工进度信息、材料消耗信息，最终实现三维进度信息可视化、进度预警及偏差分析。基于BIM的高黎贡山隧道施工进度管控如图4所示。

图4 基于BIM的高黎贡山隧道施工进度管控图Fig.4 Construction progress control diagram of Gaoligongshan Tunnel based on BIM

采用轻量化工具Model Factory对隧道模型进行轻量化处理后，将预切分好的初期支护和二次衬砌模型对应上传至BIM平台中相应任务的WBS下。在隧道施工中，现场技术人员基于平台填报每条任务当天的施工进度信息及材料消耗信息。借助二次开发的手段，基于BIM平台中的高黎贡山隧道模型可实时三维展示隧道施工进度信息，直观反映隧道初期支护工作面的位置(本项目以隧道初期支护施工信息代表隧道施工进度信息)。

同时，通过WBS中计划进度与实际进度的对比，及时掌握隧道施工进度超前或滞后情况，实现对该条任务或整个项目的进度预警。让项目管理人员清晰直观地查看隧道施工进度，及时开展进度偏差分析，确保实际进度和计划进度趋于一致[13]，达到对现场施工进度的动态管控。1#竖井主副井施工进度可视化及预警如图5所示，基于1#竖井主副井三维模型颜色的变化可形象展示竖井当前施工进度信息，通过隧道WBS进度条颜色的变化(绿色表示正常，红色表示滞后)查看该施工任务正常还是滞后，基于平台推送预警信息，及时进行进度偏差分析。

图5 1#竖井主副井施工进度可视化及预警Fig.5 Construction progress visualization and early warning of #1 main and auxiliary shaft

3.2 工程量多维度计算对比应用

工程量多维度计算对比是实现成本控制的有效手段[14],而传统只分析一个时间段内的工程量节超显然不利于项目精细化管理。因此，在高黎贡山隧道BIM算量过程中，基于项目BIM施工管理平台进行二次开发，在平台上按照时间维度、工序维度、区域(空间位置)维度等计算材料的节超情况，实现隧道多维度工程量计算及对比。通过多维度工程量对比，发现工程量计算过程中存在的偏差，达到对项目材料节超的有效管控。高黎贡山隧道工程量多维度计算对比的维度划分及内容见图6。

图6 工程量多维度计算对比的维度划分及内容Fig.6 Dimension division and content of multi-dimensional calculation comparison of engineering quantities

以区域维度为例，输入隧道起始里程和终止里程，选择任一种材料类型，则平台会自动输出该材料在此里程范围内计划量和实耗量的节超对比曲线，实际消耗量由一线技术人员当天填报，计划用量自动从隧道模型相应里程内抓取该材料的设计用量。以二次衬砌混凝土算量对比为例，按区域维度查看某钻爆段二次衬砌混凝土的工程量对比(见图7)，该代表段每循环混凝土设计用量189.0 m3，实耗量为205.5～217.8 m3，形象直观地展示了每循环混凝土节超对比情况，以便及时采取措施控制材料超耗。

图7 按区域维度查看出口正洞钻爆段二次衬砌混凝土的设计与实际用量Fig.7 Design and actual dosage of secondary lining concrete in the drilling and blasting section at exit of main tunnel according to regional dimension

基于BIM的高黎贡山隧道多维算量技术可按不同维度分门别类统计出不同材料的节超情况，工程量计算过程快、精度高，为高黎贡山隧道施工资源的动态调整和材料节超对比控制提供了数据支撑。

3.3 施工风险管控应用

3.3.1 人员定位管理

针对特长铁路隧道多作业面施工中的人员安全问题，采用BIM+物联网技术，基于BIM施工管理平台研发了长大隧道施工人员定位功能。在高黎贡山隧道中以一定的间隔布置RFID标签和无线接入点，现场作业人员携带读写器采用反向散射技术探测RFID标签的位置，进而确定人员位置。随后将信息发送至无线接入点，然后通过无线接入点将定位信息发送至隧道洞口基站，进而再传输至监控室，最后通过芯片源在BIM模型中的位置，确定现场作业人员在隧道中的具体位置。高黎贡山隧道人员定位系统组成如图8所示。

图8 基于BIM技术的隧道人员定位系统组成Fig.8 Composition of tunnel personnel positioning system based on BIM technology

基于BIM技术的隧道人员定位技术可实时查看隧道内人员数量及分布情况，实现对隧道施工人员的动态监控，当有突发事件时，可及时掌握施工人员位置，指挥人员撤离，提高应急救援效率。

3.3.2 不良地质风险管理

1)不良地质风险展示及预警。高黎贡山隧道先后穿越19条断层破碎带，为确保隧道穿越断层破碎带地质风险可视可控，根据前期勘探结果，在隧道相应里程位置处构建断层破碎带模型。基于隧道三维进度可视化模型实时查看隧道施工进度，及时掌握掌子面位置与断层之间的距离，当二者距离小于30 m时，BIM平台会自动推送预警信息，提示主动采取防控措施，降低现场施工风险。隧道掌子面位置与断层位置关系如图9所示。

图9 隧道掌子面(绿色)与断层(红色)的位置关系Fig.9 Position relationship between tunnel face (in green) and fault (in red)

2)不良地质特征查询。梳理19条断层破碎带的特征，形成断层特征表，整理每条断层的二维地质纵剖面图，将每条断层的特征表和二维地质纵剖面图与三维不良地质模型挂接，以二维和三维联动方式，基于三维进度可视化模型实时查看每条断层破碎带对应的特征及二维纵断面地质情况，形象地展示隧道地质特征，及时揭露施工风险，采取处理措施降低隧道施工风险。图10为二维和三维联动查询不良地质特征信息界面。

图10 二维和三维联动查询不良地质特征信息界面Fig.10 2D and 3D linkage query interface for adverse geological features section

3.3.3 围岩变形管理及预警

将BIM技术与监控量测技术数据集成，按照现场监控量测的测点布置方案，在隧道模型中创建测点模型，并对测点模型唯一编号，采用数据集成技术，将现有监控量测平台与BIM平台进行数据集成，实现监测平台中测点的数据关联到对应测点模型中。在不增加现场技术人员工作量的前提下，实现基于BIM模型测点数据、变形曲线及状态的实时查看[15]。

基于BIM平台中的高黎贡山隧道测点模型，可查看最近1周、最近1月或自定义时间段内的历时曲线图、变化速率曲线图等。当测点预警时，测点颜色变为红色，形象直观地展示了隧道围岩稳定状态，提示现场人员提前采取控制措施，确保现场施工安全。高黎贡山隧道出口平导某断面测点模型及其测点数据变化曲线见图11和图12。

图11 出口平导某断面测点模型Fig.11 Measuring point model of a cross-section at exit drift

图12 测点数据变化曲线Fig.12 Variation curve of measuring point data

3.4 施工质量监控应用

3.4.1 超欠挖质量控制

针对钻爆法隧道超欠挖情况严重的现状，在高黎贡山隧道钻爆段施工时进行超欠挖检测。采用Trimble TX8激光扫描仪对隧道断面进行快速扫描，准确记录其三维坐标数据，通过图像处理得到完整的点云数据，进而获取每个断面超欠挖点的精准数据，并重建出三维隧道模型。基于BIM软件构建隧道理论开挖模型，将重建模型与理论开挖模型进行对比分析，得到隧道初期支护超欠挖的位置和工程量，及时掌握隧道超欠挖情况，优化施工工序，提高隧道施工质量，同时也为项目成本控制提供了数据支撑。以平导某段隧道超欠挖为例，将其理论开挖模型与点云重建模型相对比，见图13。

图13 平导某段初期支护超欠挖分析(单位:m)Fig.13 Analysis of overbreak and underbreak of primary support of a section of drift (unit:m)

3.4.2 TBM掘进参数控制

通常情况下，查看和分析高黎贡山隧道TBM掘进的各项参数只能在TBM的监控室内进行。通过信息集成技术，基于BIM施工管理平台可实时查看TBM的工作状态、掘进参数(推力、转速、转矩、贯入度等)、进尺(日累、月累)、掘进姿态及形象进度等信息，随时掌握TBM设备状态，及时调整掘进参数，提高TBM掘进质量。

此外，利用BIM从多维度、多角度对不同地层条件下TBM掘进参数及掘进姿态进行统计分析，总结出该地层条件下掘进参数的建议值，为后续TBM掘进参数的选取提供参考。TBM掘进参数查看界面如图14所示。

3.4.3 安全质量过程监控

在高黎贡山隧道施工过程中，现场技术人员定期或不定期对隧道安全质量进行检查，并以照片、视频及文字等方式描述安全质量问题，随后将安全质量问题以图钉的方式标识在隧道模型构件中，从而可视化展现高黎贡山隧道安全质量问题。基于隧道安全质量模型可实现：1)任意点击模型中的问题图钉，可快速查阅该处隧道存在安全质量问题的详细信息；2)对安全质量检查的整改情况持续跟踪，在线完成隧道安全质量问题推送、整改、验收等工作，确保安全质量检查工作形成闭环，提高处理效率，降低安全隐患，便于问题追溯，实现隧道施工安全质量有序可控。高黎贡山隧道安全质量问题过程监控流程和1#斜井主副井安全质量问题图钉分别如图15、图16所示。

(a)

图15 基于BIM的安全质量过程监控流程Fig.15 Safety and quality process monitoring flowchart based on BIM

图16 1#斜井主副井安全质量问题图钉Fig.16 Safety and quality problem pushpins of #1 main and auxiliary shaft

此外，基于BIM施工管理平台将安全质量问题进行分类统计，形成高黎贡山隧道安全质量问题库，针对不同检查单位的检查情况、检查结果、整改情况，按照检查时间、检查单位、单位及分部工程等分别输出相应安全质量问题，同时，设定安全质量问题整改期限，二级预警，黄色提醒、红色报警。基于BIM的高黎贡山隧道安全质量问题查询界面如图17所示。

图17 基于BIM的高黎贡山隧道安全质量问题查询界面Fig.17 Query interface of safety and quality problems in Gaoligongshan Tunnel based on BIM

4 结论与建议

本文以大瑞铁路高黎贡山隧道为依托，将BIM技术与物联网、数据集成等技术相结合，基于BIM施工管理平台开展了多维算量、进度动态管控、风险管控、安全质量监控等深入应用研究，主要结论如下：

1)基于施工进度模型开展进度管理及工程量多算对比，依据BIM施工管理平台，实现隧道三维进度信息可视化、进度偏差分析及预警等功能，同时提出从时间、工序、区域等3个维度计算材料节超，解决了传统仅以时间轴分析工程量而引起的算量不精细的难题。在完成隧道施工进度动态管控的同时，从多维度掌握材料节超，为有效控制成本提供数据支撑。

2)基于BIM的隧道施工风险管控应用，实现了BIM与物联网、隧道监控量测技术的集成应用，依据三维可视化模型生动形象地展示了隧道围岩稳定状态、隧道内人员数量及分布情况，并以二、三维联动方式实时查看隧道不良地质风险点及其特征信息。及时准确地获取隧道不良地质、围岩状态及人员分布情况，既确保了隧道施工安全，又实现了安全风险的主动预防。

3)基于BIM的隧道施工质量应用，将暗挖段的超欠挖质量控制、TBM段的掘进控制与BIM相结合，并在三维隧道模型上标识安全质量问题，形成本项目的安全质量问题库。及时掌握隧道超欠挖和TBM掘进质量情况，实现隧道施工质量的事中控制；基于三维模型对施工中出现的安全质量问题闭环处理，分类统计安全质量问题，达到对隧道施工质量的事后控制，在保证隧道施工安全质量有序可控的基础上，实现安全质量问题可追溯。

BIM技术的应用在一定程度上提高了铁路隧道施工管理水平，但在平台开发、数据集成等方面仍存在技术瓶颈，需在下一阶段开展更深层次的研究，充分挖掘BIM技术在隧道施工阶段的应用价值，提升铁路隧道施工的信息化、智能化水平。