BIM的地铁盾构区间下穿海河施工技术研究

王 鑫，段士清，肖作明，苑 强，丁 杰

（中交三公局第一工程有限公司 北京100012）

关健词：BIM；土压平衡盾构；地铁隧道；施工技术；沉降控制

0 引言

近年来，为缓解城市土地短缺、人口快速增长和交通拥堵的压力，越来越多的城市开始修建地铁隧道。盾构机由于其控制技术先进、施工安全性高、对环境影响小等优点，在城市隧道施工中得到了广泛的应用［1］。

目前，国内许多学者针对盾构隧道施工安全风险大的特点，对地铁盾构隧道施工安全进行评价分析。王金龙［2］以武汉地铁2号线越长江隧道为例分析了地铁越江隧道长大区间的方案。郭一家［3］和吕晨茜［4］针对福州地铁过乌龙江区段施工方案研究了BIM 辅助技术。代鹏飞［5］和孟晓静［6］研究了福州地铁过闽江区间施工的BIM动态优化管理技术。邢民［7］基于BIM技术族文件，在地铁工程项目领域建立了地铁族文件数据库。吴宗华［8］结合南宁市轨道交通3 号线工程，进行越江隧道盾构施工的风险辨识及估计。刘英城等人［9］使用BIM 技术的弥补了传统盾构风险管控在实际使用过程的一些不足。另有不少学者［10］针对具体的工程案例对盾构下穿河道的施工技术进行了详尽的分析与探讨。

本文以天津地铁11号线一期工程为背景，针对盾构穿越长泰河区间，探讨了大型土压平衡盾构下穿河道的施工技术措施，结合BIM 技术，对盾构掘进过程进行了动态控制研究。

1 工程背景

天津地铁11 号线一期工程线路全长22.6 km，全线共设21 座车站，20 个盾构区间。位于天津市河西区的标段包含内江路站、陈塘站、澧水道站～内江路站区间（澧内区间）、内江路站～陈塘站区间（内陈区间）、陈塘站～东江道站区间（陈东区间），跨度总长3 050.693 m，其中内江路站后停车线下穿复兴河，陈东区间下穿长泰河，如图1所示。

图1 总体平面Fig.1 General Plan

2 工程重难点及应对措施

陈塘站～东江道站盾构区间需要穿越长泰河，盾构掘进存在较高的渗漏风险，为保证盾构施工的安全，施工中将采取以下措施：

⑴土壤改良。一般是在刀盘前方土壤中注入一定量的添加剂来改良土壤。原状砂土一旦掺入助剂，渗透系数降低，“塑性流动性”和保水性增大，土水分离不易，可有效防止突水等不良地质灾害的发生。由于添加剂在土粒之间填充，土粒之间的摩擦力相应减小。有利于减小刀头扭矩、千斤顶推力和刀具磨损。主要的土壤改良方法有注水、膨润土、粘土、CMC聚合物和发泡剂。

⑵合适的回填注浆材料。在富水粉砂细砂地层中进行盾构施工，具有保水性好、抗水分散性好、体积收缩小、不易堵塞注浆管道等特点的同步注浆是必不可少的。现场应用证明，由熟石灰、粉煤灰、膨润土、砂、水、减水剂组成的新型同步注浆方法适用于富水细砂地层。

⑶合适的推进速度。在其他参数正常的情况下，适当提高行车速度，以减少对土壤扰动。

⑷避免停机。由于开挖面稳定性难以控制，在地表沉陷要求较高的区域。应避免停机。

⑸严格的防护姿势控制。盾构姿态难以控制的细砂层，所以在开挖过程中，操作者应密切关注水平、垂直偏差及俯仰角的变化，及时调整掘进姿势，避免出现超挖。

⑹加强地面沉降监测。加强对地面沉降的监测，及时反馈，及时调整，探索粉砂细砂地层的最佳掘进参数。

3 盾构区间的BIM辅助模型

3.1 BIM模型的建立

首先建立工程的BIM 技术模型。利用三维建模软件，按照施工图纸，建立项目的BIM 静态技术模型，包括施工现场布置、工作井、泥水盾构机模型、衬砌结构、区间的地质层构造等，并按照一定的命名规则进行命名，便于能够在虚拟开发平台中进行查找和执行相关的操作命令，从而为动态模型的建立做好基础。建立的盾构机模型如图2所示。

图2 盾构机模型Fig.2 Model of Shield Machine

将已经建好的静态模型，导入Unity3D 虚拟开发平台，进行交互设计，构建动态的围挡施工、工作井施工、盾构机在地层掘进施工的动态的模型。依据所建立的Access 数据库资料，将施工管理信息与动态管理模型相结合，得到整个区间的BIM 集成动态模型。建立陈塘站～东江道站盾构区间工程的BIM 模型如图3所示。

图3 盾构穿越河道模型Fig.3 Model View of Shield Crossing River

3.2 BIM模型的管理模块

3.2.1 权限管理模块

权限管理模块是一种访问控制机制，防止未经授权的用户进入系统或检索敏感构信息。BIM 系统要求所有项目工程师、项目经理、BIM 工程师和系统管理人员进行注册，用户需要提供唯一的用户ID和密码进行身份验证。由于不同的BIM 模型对BIM 信息和报告的要求不同，项目经理和BIM 工程师的访问权限也不同。

3.2.2 BIM过程监控模块

BIM 过程监控模块的轨迹提供了可视化的BIM辅助更新进度管理仪表板环境，同时项目工程师和管理人员可据此查看当前进度状态。过程监控模块有一个简单的访问选项，允许管理者通过不同状态颜色的BIM 模型插图跟踪已建成的进度信息。此外，项目工程师和项目经理可以与相关BIM 模型共享最新更新的完工进度，并从现场项目工程师那里访问所有关于完工模型的进度问题的当前响应。

3.2.3 报警管理模块

BIM 警报管理模块帮助项目工程师建立警报服务来监视和管理已构建的日程，辅助日程信息更新通知相关的日期被系统地记录下来。此外，该模块提供了方便的访问和基于推送的功能，以帮助项目经理和项目工程师提前响应决策，在进度中的更新被跟踪和其他响应之前。

3.2.4 BIM更新管理模块

BIM 模型更新管理模块允许用户更新BIM 模型组件选择的竣工进度信息，该信息与竣工的模型一起存储在DWF 文件中。可提取和总结用于更新竣工进度信息的授权记录，用于BIM 辅助更新进度总结。此外，整个BIM 辅助的更新进度总结可以在web 上显示，或者使用商用软件（如Adobe Acrobat）提取。

3.2.5 BIM模型问题响应模块

该模块集中存储在可视化环境下的BIM 模型中的竣工进度相关组件的所有问题。这使得现场工程师能够有效地从中心位置对完工进度中的问题作出响应，并提供相应的已修改的完工模型（DWF文件）的修订描述。一般情况下，现场工程师可通过该模块提交BIM 3D 模型中相应组件的竣工进度信息中的问题。此外，项目参与者可以通过模块与BIM 协助的完工进度进行沟通。

3.2.6 BIM SM报表模块

该模块允许用户方便地访问关于BIM 进度的简短更新信息，有关BIM 模型中的相应组件。用于更新竣工进度的授权记录可以通过可视化BIM 模型报告提取和总结。此外，所有BIM 报告都可以在web 上展示，也可以使用商用软件（如Microsoft Word 和Acrobat PDF）提取。

3.3 进度与安全可视化管理系统

BIM 系统可对工程的施工进度进行动态可视化管理，设计员和施工人员可实时准确了解工程进展情况。既减少了施工信息传递时间，又能随时对施工方案进行动态调整。进度管理控制如图4所示。在进度管理系统中，可时刻对比施工时间事务实际状态与计划状态，管理人员对施工进度和可能发生的问题可随时掌握，及时提出预防措施。直观地对比实际进度和计划进度，可以精确把握实际与计划的偏差，分析出导致进度偏慢的原因，在下一施工周期前提出应对方法，以保证计划的进度可按时完成。

图4 进度管理控制Fig.4 Schedule Management Control Chart

BIM 技术也可对施工安全预警动态可视化管理，科学地对时间和空间进行动态优化，如图5 所示。通过采集施工的各项安全信息，将不同安全问题统一汇总到同一平台，分类并建立相关预警机制。施工过程中，实时上传现场安全监测数据，各项监测数据汇入评估系统中，最终使得安全隐患可以在模型直观显示出来，系统会自动显示相应的应对措施。如遇到重大安全隐患，系统快速进行红色预警，相关安全问题信息会自动发送给项目部总经理及专家库专家，在上述技术人员和专家后，得出最终处理方案，并自动显示在系统界面。

图5 安全管理与预警系统Fig.5 Safety Management and Early Warning System

4 结论

⑴通过BIM 动态优化管理软件系统，可以实现对地铁施工的进度管理和安全管理的动态优化控制，充分体现了BIM技术在解决工程实际问题的优越性。

⑵利用软件的模型和数据库动态可视化功能，结合动态管理理论，能够对地铁工程较好的实现动态优化控制，可对整个工程的施工进度、资源和质量进行统一管理和控制，达到缩短工期、降低成本的目的。