基于BIM 5D 技术的板岩隧道超欠挖控制施工技术研究

范云博，谢明康，王兴光，石邱饶，晏克珍，张 彬

（中国建筑第四工程局有限公司，广东广州 510000）

0 前言

目前隧道开挖主要存在钻爆前难以控制炮眼间距，钻爆后垂直板岩围岩节理部位易欠挖，欠挖造成增加的工作量占隧道总工期的13%，而平行板岩围岩节理部位易严重超挖，超挖造成的混凝土超方量在50%。超欠挖对成本影响波动大，喷射混凝土超方量在52%左右（含回弹值），占隧道总成本10%左右。欠挖引起的返工和超挖增加的工作量，占隧道总工期的19%。以上问题严重制约了隧道施工技术发展，采用传统的施工控制措施效果不明显。

1 工程实例

贵州省雷山至榕江高速公路建设项目第一分部K0+000-K10+560 段，道路起点顺接雷山县凯里至雷山高速公路终点处，途经雷山县大塘镇雄水、乌秀冲、雄散、南亮村、小河村、终点至雷公山，全长10.492km；道路设计速度80km/h，路基宽度为24.5m，采用双向四车道高速公路标准建设。

雷公山隧道为分离式特长隧道，右幅隧道起讫桩号为：YK8+175～YK12+875，长度为4700m，最大埋深约为677m。左幅隧道起讫桩号为：ZK8+175～ZK12+915，长度为4740m，最大埋深约为681m。隧道全断面位于IV、V 级围岩中，岩层节理发育且下伏基岩为强、中风化层。施工难度及风险比较大。

2 技术特点

在板岩隧道循环进尺施工前，根据设计图纸、地勘资料基于BIM 技术建立每一循环进尺的隧道BIM 三维模型，对预计爆破出渣量、初喷混凝土量以及工期进度进行量化，形成控制性数据，本数据用于衡量钻爆后的各项工序的实施效果。采用BIM 三维模型+工作量+进度时间管控平台，形成BIM 5D 技术在板岩隧道施工中的应用。

（1）根据设计图纸，利用BIM 5D 技术按照每一循环进尺构建三维模型，对爆破出渣量、初喷混凝土量进行量化，理论误差控制在1%以内，模型误差控制在±1mm 内，形成控制性数据作为控制对比基础。

（2）采用地质雷达对掌子面进行扫描，精度控制在±0.2h（h为探测深度），根据扫描的板岩层理结构和岩层产状调整每一循环爆破周边炮眼间距，并将BIM 模型导入ANSYS 软件进行爆破模拟，建立爆破轮廓边界，进而控制垂直板岩围岩节理部位欠挖及平行板岩围岩节理部位超挖的现象，总体误差控制在10%。

（3）每一循环爆破后采用3D 扫描仪及测量机器人对爆破后的轮廓线进行数据采集并无线传输至超欠挖控制平台，精度控制在±3mm 以内，将结果与BIM 模型轮廓边界进行对比，根据对比结果控制下一循环掘进施工的掏槽眼、辅助眼、装药量、跑眼间距等各项参数，从而将误差控制在12%内。

3 工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程图（见图1）

3.2 工艺操作要点

（1）根据地质资料，建立三维地质模型。通过地勘真实的数据载入，从更多的方面来评价地质数据性能，从而使后续隧道开挖施工可以更加科学快速展开。

图4 各区域循环施工段超欠挖体积

图1 工艺流程

图2 三维地质模型建立

（2）根据施工图，将隧道按其结构划分成基本构件，利用revit进行建模，将这些构件制作成三维数字模型并汇总到模型库。根据隧道施工横截面施工图进行三维模型的建立，再将每一个施工段拼成完整的隧道模型。

由于隧道施工图是二维图纸，且设计图表达方式不统一，CAD 图纸中可能包含大量无用信息的图元，在建模时，要从图纸中剔除掉无用的信息，保证三维建模的高效性。

图3 隧道模型

（3）将revit 模型进行数据格式装换，导入到广联达BIM 5D中[1]。可进行：

①可以让项目管理人员从模型中快速地进行施工进度计划编排，主要的施工方法遴选确定，总体计划等，从而更好地对现场施工进行科学管理。

②精准计算出隧道开挖工程量及隧道主体施工工程量，进行合理的施工管控。

③可以让项目管理人员在施工之前提前推演隧道建造过程中关键节点的施工现场布置、机械及措施布置方案，还可以预测每个月、每一周所需的资金、材料、劳动力情况，提前发现问题并进行优化。

（4）根据扫描的板岩节理结构和岩层状态结合类似项目经验进行爆破周边炮眼间距，每一个循环爆破后采用3D 扫描仪及测量机器人对爆破后的轮廓线进行数据采集并无线传输至超欠挖控制平台，将结果与BIM 模型轮廓边界进行对比。采用BIM 三维模型+工作量+进度时间管控平台，利用BIM 5D 技术是使板岩隧道施工更加科学合理，见图4。

4 总结

与传统板岩隧道开挖工艺相比，综合来看，此施工技术有明显优势。

（1）可精准计算出开挖方量，控制开挖用药量，降低隧道开挖成本，保护施工环境，增加施工安全系数。

（2）精准控制隧道开挖，避免由于超挖或欠挖引起的修复或二次施工，合理安排施工顺序，最大化优化工期。

（3）极大地避免了二次施工和超挖后的浪费混凝土，减少了隧道开挖施工中的成本支出。