长沙万家丽电力盾构隧道工程施工阶段BIM技术应用

陈亚军 王 灏 吕 涛 周艳文 徐志柏 刘 珍 龙 彪 王 文

(中建五局土木工程有限公司,长沙 410004)

1 工程概况

1.1 项目简介

万家丽路220KV电力隧道项目是湖南省首条电力盾构隧道，跨越长沙市开福区、芙蓉区以及长沙县。项目建成后隧道内将接入220KV电缆4回， 110KV电缆8回，可满足区域内湖南广电中心的国际会展中心项目、城际铁路交通、长沙地铁3号及5号线用电，改善长沙市河东城区北部电网结构，缩短供电距离，提高电网供电可靠性、运行经济性(图1)。

图1 项目平面位置图

万家丽路220KV电力隧道项目(以下简称“本工程”)施工内容包括一条6km长的隧道，隧道内径3.6m，采用盾构法施工； 隧道地表沿线施工10个竖井，包括3个盾构工作井和7个电缆出线井。同时隧道包含2个盾构区间： 2号盾构井～1号盾构井、2号盾构井～3号盾构井。采用两台土压平衡盾构机在2号盾构井内进行南、北双向始发掘进(图2)。盾构机外径4.36m，全长128m，包括盾体以及17节台车。总造价3.74亿元，工期720天，工程总承包单位为中建五局土木工程有限公司。

图2 施工示意图

1.2 工程特点及难点

由于本工程为湖南省首条电力盾构隧道，其综合技术几乎没有类似工程的参考经验，因此无论竖井施工、盾构始发还是盾构掘进均存在非常大的技术难点和安全风险。结合项目特点，本工程难点主要有以下三个方面。

1.2.1 施工条件复杂

本工程盾构机长128m，而盾构始发井尺寸仅30m*10m，尺寸狭小难以进行始发； 隧道内径仅3.6m，洞内狭小工人操作困难；沿线竖井施工均受高压线影响，最低净空仅12.3m；侧穿既有桥桩，侧穿距离仅2m；下穿既有地铁车站，下穿距离仅4.5m。

1.2.2 盾构线型复杂

本工程盾构机单次掘进长度较长，约3km； 同时曲线长度占比高，约58%，共3.5km； 小曲率半径(R=150m)曲线长度共约1.3km； “S”形连续转弯数量共计18个。

1.2.3 水文地质复杂

本工程隧道穿越地层囊括长沙市所有地层类型，始发井地层平均渗透系数为3.78E+01m·d-1，是正常情况的100倍； 单位长度隧道最大涌水量为970.77m3·d-1，是正常情况的800倍； 同时盾构隧道需下穿浏阳河，下穿距离仅9.5 m，因此安全风险非常高。

2 BIM实施策划

2.1 BIM应用目标

针对本工程小曲率半径电力隧道盾构施工的建设特点与难点，对BIM技术进行借鉴以及创新应用，以解决本工程的难点，指导现场施工[1-2]，优化施工工艺以及场地布置[3-5]，控制盾构隧道小半径区间的线形偏差，达到提升管理，节约成本，加快工期，同时将本工程的BIM应用新技术进行推广的目的。响应本公司发展BIM及时提高核心竞争力的号召，也为本工程创全国建设工程项目施工安全生产标准化工地、全国建筑业绿色施工示范工程、湖南省建筑工程质量标准化示范基地打下良好的基础。

2.2 团队组织与软硬件环境

2.2.1 团队组织

为更好地开展本工程BIM技术应用工作，项目经理部在公司BIM技术中心的指导下成立项目BIM小组，由项目经理担任组长，项目技术负责人担任副组长，项目BIM工程师负责本工程施工全生命周期内的BIM应用，同时协调各部门落实各项BIM技术应用点。

2.2.1 软硬件环境

本工程BIM技术的开展主要以Revit的主要建模软件， 3D max 作为可视化应用、虚拟样板的辅助软件[6]，After Effects、Premiere、Photoshop作为后期处理的主要软件，应用Abaqus、Solidworks作为节点优化以及盾构线型纠偏的主要软件[7-9]，应用RAVVAR平台进行AR模型的建立[10]，同时应用移动端的BIM5D进行工程协同管理[11]。配备移动工作站、无人机、一体控触机等硬件设施保障BIM技术的开展与应用。

2.3 BIM实施标准

BIM小组根据行业规范《建筑信息模型施工应用标准 GB/T51235-2017》[12]和公司相关标准，编制BIM实施策划方案和BIM建模标准。统一确定名称、格式、提高建模精度(表1)，明确BIM实施目标，打造BIM应用标准，规范人员管理分工，提高工作效率和质量。

表1 BIM模型标准

3 BIM技术应用

3.1 基础功能应用

3.1.1 建立标准化族库

本工程包括土建工程以及盾构工程，零构件较多。小组依据专业图纸以及建模标准，建立标准化族库，包括土建工程53个族，盾构工程39个族，提高模型的利用效率，加快BIM工程师的工作进度(图3)。

图3 BIM族模型

3.1.2 创建BIM实体模型

根据BIM建模标准，规范整个项目BIM建模体系，对模型进行整体深化，提升模型精度，保证模型与施工现场的一致性，截止目前为止已完成工作井模型10个、围护结构10个、场地布置模型10个、管片模拟拼装6 000环、盾构机及配套设施模型等，工程实体建模覆盖率100%(图4)。

图4 实体实体BIM模型

3.1.3 模型渲染出图

在方案编制过程中，利用BIM模型进行渲染出图，作为图示以对方案进行说明，至今已应用在本工程所有的54个施工方案中，提高了方案的理解效率，加速了监理、业主的审批速度(图5)。

图5 方案编制

在进行科研创新如编制专利、工法等材料时，将创新思路进行BIM建模后渲染出图，逼真地展示科研成果思路，同时对科研成果加以优化(图6)。

图6 辅助科研创新

3.1.4 模型指导施工

图8 AR虚拟样板技术应用

对现场以及驻地的布置进行参数化合理布置模拟，BIM直接出图用以指导现场施工，达到节地、节材，合理利用场地的效果。对关键施工工序提前建立BIM模型并深化后直接指导现场施工，确保现场施工效果与模型100%吻合(图7)。同时采用BIM设计软件模拟优化装配式集装箱的建造过程，建立构件集装箱尺寸、材料总数据库，有效地解决了在装配过程中“错、漏、碰、缺”等问题，提高装配精度以及装配效果。建立始发井周边地层模型，清晰地展示周边土质条件与特点，同时配合盾构监控平台，对掘进参数进行动态管理，更好地对盾构始发进行风险源预判以及安全管控[13]。

3.1.5 AR虚拟样板技术应用

利用RAVVAR技术平台结合Revit模型，技术平台结合，生成AR虚拟样板模型。只需用手机在图纸上进行扫描，手机中的画面则会生动地出现一个三维BIM模型，位于图纸的上方，同时可移动手机对模型进行全方位的观察。减少由于对图纸的误读和信息传递失真所造成的巨大损失，减少施工人员反复读图、识图所耗费的时间[14](图8)。

3.2 优化功能应用

3.2.1 优化场地布置

通过BIM技术对施工场地进行优化、协调管理，检验施工场地布置的合理性。模拟完成现场由土建施工阶段场地布置到盾构施工阶段场地布置的转变(图9)，从源头减少安全隐患，利用率提高约15%，冲突率下降约30%，节省工期约20天，充分体现现场绿色施工特点[15]。

图9 优化场地布置

图10 狭小盾构井盾构机优化分体

3.2.2 优化设计图纸

通过模型进行碰撞检查，发现设计图纸中的问题，形成碰撞冲突报告[16]，避免因图纸问题而造成返工损失以及对进度所带来的影响，累计发现并解决主体结构碰撞问题11处。

利用BIM软件模拟竖井施工区域和高压架空线的空间位置关系，与实地调查结果进行对比符合。通过该方法发现了有几处竖井施工区域周边环境与设计给出的数据不相符的情况，最后都及时予以了纠正及优化。

本工程盾构区间管片原设计采用标准衬砌环管片，拟变更为通用衬砌环管片。通过BIM技术分别建立盾构标准环管片和盾构通用环管片的盾构区间，同时分别导出所需的管片数量、零构件数量以及工期等参数。

图11 钢套筒过渡环优化

3.2.3 优化施工方案

(1)狭小盾构井盾构机优化分体

本工程盾构机总长128m，而始发井长度仅29m，始发时无法采用常规方法将盾构机直接放入井下始发掘进。因此采用BIM技术，模拟优化盾构机的始发方案，对盾构机进行分体始发(图10)。最终形成工法以及专利。

(2)钢套筒过渡环优化

本工程始发位置地下水丰富，始发安全风险高，项目创新采用钢套筒密闭始发施工工艺。原方案中钢套筒顶端的过渡环宽度为1.0m，在BIM模型的基础上进行理论分析，最终将过渡环宽度优化为1.5m，保证了始发施工的安全(图11)。

(3)工况分析优化

利用BIM技术，建立BIM模型，导入有限元分析软件ABAQUS进行施工工况的节点分析、计算、验算，如钢筋笼吊装、小半径盾构掘进等，更好地指导施工(图12)。

3.2.4 小半径区间线形控制

创新采用工业设计软件“SolidWorks”，以Revit模型为基础建立高精度的衬砌管片模型。随后在“SolidWorks”中根据现场管片实际拼装点位进行管片模型的可视化排布以及预排布，生成盾构隧道区间模型。随后再将盾构区间设计轴线的CAD模型导入“SolidWorks”内，将其移动至与盾构隧道区间模型的始发点位置和方向重叠，此时便可以进行可视化路径偏差，清晰地展示出当前掘进情况，进行小半径区间线形控制，同时更加方便现场盾构管片的拼装(图13)。

图12 工况分析优化

图13 工况分析优化

图14 质量安全协同管理

3.3 施工管理应用

3.3.1 质量安全协同管理

利用BIM5D平台，对工程质量、安全进行线上协同管理，将现场发现的质量安全问题，通过手机移动端上传至BIM5D平台，同时在平台内的BIM模型中进行安全质量问题发生地点的定位，随后编辑质量安全整改信息，最终在线上下发整改通知，实现高效协同管理(图14)。

3.3.2 材料成本管理

对Revit模型进行材料信息导出，根据导出的材料信息结合节点要求编制材料计划，细化到材料型号及尺寸，以便进行精细化管理。同时建立BIM模型后导入至Glodon GCL算量软件，提供施工图预算进行目标成本控制，为工程过程成本管理、与分包进行工程结算提供数据支持[17-18]。

3.3.3 进度管理

利用Navisworks，结合Revit模型动态模拟当前施工进度。提取数据分析计划进度与实际施工进度偏差，进行多次对比，若有偏差，及时分析并采取纠偏措施。

3.3.4 信息化管理

利用二维码信息技术，将工程实体实名制信息及模型信息，通过二维码的形式记录在实体上，实现工程实体质量信息的公开化，为质检人员进行成品复测和验收提供参考，质检时减少了非必要的资料，实现“轻量化”管理，也便于产品的追溯本源(图15)。

表2 BIM应用点统计表

图15 盾构管片质量信息

4 项目应用效果

通过BIM技术在本工程的应用，在安全质量方面，提升了现场施工质量，盾构线型偏差控制在±30mm，教育效果显著，安全零事故，通过BIM可视化交底，完成1 300人次的安全教育； 在进度方面，改变了传统的工作模式，提高了工作效率。计划始发需180天，实际仅150天； 截止至今盾构共掘进2 500环，计划130天，实际100天。共节省工期60天； 在社会效益方面，通过参加各项BIM赛事、观摩和湖南卫视等主流媒体的报道，塑造了良好的品牌形象，极大地提升了企业知名度和竞争力； 在技术效益方面，已借助BIM技术申报11项专利， 3篇工法， 2个QC成果； 在人才培养方面，组织开展BIM培训活动达20余次，赴北京、西安等地学习交流3次，培养BIM骨干9人。得到了社会各界的好评，为今后电力盾构隧道施工领域的BIM技术应用提供了借鉴以及宝贵的经验。

5 结语

通过BIM技术在电力盾构隧道工程的应用，成功地保证了本工程的顺利施工，同时也获得了不错的成果。同时快速地掌握大量的工程施工数据，创建BIM信息数据库，为后续类似工程施工提供参考依据。项目对本BIM技术应用点进行情况统计并确定可推广程度(表2)。

尽管本工程应用BIM技术取得了较好的成果，但是在BIM技术的应用过程中，仍然存在一些问题值得改善： 1)项目应用BIM技术需要全员参与； 2)应建立项目族库，减少低水平重复； 3)应注重信息数据的收集与传递工作； 4)应统一各线条标准，提高协同效率。综上所述，就总体而言，当前对BIM技术的研究仍然属于初级阶段，BIM技术在土木建筑领域上还有很多环节有待深入的研究发展。