BIM 技术在市政顶管工程施工中的应用探索

周 煌，孙余好，吴亚华，邢鹏飞

（核工业井巷建设集团有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

建筑信息模型（Building information modeling）作为一项信息技术手段，具有可视化、协调性、模拟性等特点［1-2］，广泛应用于建筑领域，学者们从协同设计、软件开发、施工管理等全生命周期多个角度进行理论和实践研究［3-5］，并取得丰硕成果。随着 BIM 技术的推广，市政工程领域也开始不断尝试运用，如公路桥梁和地下综合管廊工程中，但在顶管施工项目中应用案例较少。

本文以实际工程项目为背景，运用 BIM 技术对顶管施工过程中各道工艺工序进行模拟，集中体现在临建场地布置、工艺仿真模拟、方案预演优化、钢筋用量统计和顶管线型模拟等方面，基本实现了长线型顶管施工过程中的 BIM 集成应用。

1 工程概况

福建省平潭及闽江口水资源配置工程属于国家水利重点 172 项目，项目总造价 64 亿元。笔者公司承建第三标段，本标段分三条支线：金水湖支线、城门支线（下穿乌龙江）、长乐支线。主要工作内容包括 17 座沉井（平均 25 m 深），13.81 km 钢管顶管施工，合同总价 3.04 亿元。

1）本工程的重难点。①沉井周边环境复杂，1#井位于吉隆商混搅拌站，2#、3#、4# 井 位于国际级湿地公园，5# 井位于城门水厂，且旁边有水文监测站、高层民房，沉井下沉控制要求高，难度大。②水头压力大，城门支线位于乌龙江的下方，最大水头压力 35 m，对顶管设备的防水以及人员水下高压换刀作业的要求极高。③管线横穿福厦高铁，如何在不影响运营的情况下完成施工任务，是面临的严峻难题。

2）运用 BIM 的原因。①项目以各个井位为基点，进行施工现场的区域划分，但井位周边毗邻高铁线路、房屋、工厂等其他建筑，沉降控制要求高且场地狭小，需要较高的场布合理性。②工艺技术难度高，在本项目中，有一段高水压条件下的超长距离曲线硬岩顶管，难度大、要求高，且工艺繁多、复杂，另有一段横穿福厦铁路，施工方案的优化与工期的调整都存在很大的困难，急需一种手段实现方案比选和清晰直观的技术交底；③项目共要建设 17 座沉井，13.81 km 钢管顶管，且每段支线相隔的平均距离超过 20 km，作业线极长，统一管理难度大。

2 场地平面布置规划应用

本工程以各个井位为基点，进行施工现场的区域划分，场地多而分散，面积狭小，使得材料堆场、用电设备等各类临建设施需要更加科学合理地灵活布置。

借助 BIM 施工现场布置软件、revit 和其他渲染软件，将平面抽象的场地布置图转化为立体直观的三维实景图（见图 1），以更加科学的手段规划布置现场，指导后期施工。

图1 井位综合场布图

以《核工业井巷建设集团有限公司标准化图册》为基础，结合业主、地方要求，利用BIM技术对现场安全文明标化进行三维设计，指导现场标化布置，结合模型并根据实际情况进行综合改良，如图 2 所示。

3 沉井施工中的应用

本工程总共 17 座沉井（平均 25 m 深），沉井施工主要包括：沉井浇筑、沉井下沉，沉井浇筑采用分段浇筑的方式，沉井下沉工艺主要采用平衡开挖的方式下沉，以保证下沉过程中的稳定性。采用 BIM 技术对整个沉井施工过程进行仿真模拟（见图 3），以形象的三维动画作为建设项目的信息载体，方便了项目技术人员的沟通与交流，强化了技术交底的深度和维度。

在沉井施工前运用 BIM 软件建立沉井钢筋结构模型，提取钢筋用量，可运用软件将钢筋的数量、规格、长度快速导出，从而为确定材料使用量及进场时间提供依据，有助于推动项目成本管理的科学发展，进行事前控制。

4 顶管施工中的应用

4.1 BIM 工艺模拟

在长距离顶管施工中，所涉及的工艺设备种类、安拆顺序、注浆方式、顶进方式和机头的选取，都是质量控制的要点。在本项目中，利用 BIM 技术对上述一系列顶管施工过程进行仿真模拟。

1）沉井下沉到位后，进行底板浇筑，达到强度后依次安装铺设导轨、测量仪器、操作平台、后靠背、机头、顶铁和顶管，如图 4 所示。

图4 井下设备安装

2）顶管内轴线测量控制，激光经纬仪架设在测量台上，使仪器中心平面及高程与顶管轴线相一致，通过观测光靶激光点走向确定顶管顶进的偏离值，如图 5 所示。

3）顶管施工采用泥水平衡工艺，触变泥浆减摩技术，每个注浆断面布置 3 个注浆孔，在顶进过程中减摩泥浆采用多点对称压注使泥浆均匀地填充在管节外壁和周围土体间的空隙，来减少管节与土体间的摩阻力，起到降低顶进阻力的效果，如图 6 所示。

图6 管节外壁注浆

4）在顶管机接近接收井时，根据贯通测量结果和顶管机中心位置在围护墙上实际放样，凿除洞口并布置好接收导轨，机头预调一定仰角，做好一系列接收准备工作，如图 7所示。

4.2 BIM 技术方案模拟

1）本项目有 3 km 属于高水头压力下顶管施工，机头换刀作业危险性高，可能存在破碎仓内水压力大、作业期间大量渗水的状况，因此整个作业过程必须严格按照预先制定好的方案实施。但由于机头内空间狭窄、情况复杂，换刀作业专业性强，书面的带压换刀的安全措施较为繁琐、抽象，因此，项目决定采用 BIM 技术对带压换刀方案进行模拟预演，在这一过程清晰直观地查缺补漏、优化了方案的同时丰富了技术交底的手段，内容令人印象深刻，如图 8 所示。

2）长乐支线段下穿福厦铁路的方案比选（见图 9）：该段管道总长 383.59 m，起点位于福厦铁路 1 标段第二动车所红线外东侧 34 m 处，终点位于福厦铁路 1 标段第二动车所红线外西侧 25 m 处，通过 BIM 技术进行分析：①方案钢套管整体性好，安全性高，可以很好地适应此种工况，但造价高；②方案钢混凝土套管接头较多，整体性较差，容易发生不均匀沉降，但造价低；③方案箱涵的安全性高，维修方便，但投资成本过大，对运营铁路产生的影响也大。

综上所述，钢套管整体性好，安全性高，从一次施工改为二次施工，极大降低了施工难度，满足连续作业的各种工况，造价也在合理区间，对福厦铁路影响最小。

本项目运用 BIM 技术对此阶段综合施工工艺进行 3 个方案的比选，运用 Revit、3ds max 软件的互通协作，将 3 类方案的施工环境、工艺方法形象直观地展现出来，从而使得技术部门更好地进行决策和优化。

4.3 超长距离曲线过江段线型模拟

城门支线 5#～4# 长度 1 14 4.9 m，下穿乌龙江，曲线段曲率半径 1/6 000，有 541 m 在弱风化凝灰熔岩中顶进，项目选用泥水平衡顶管掘进机，穿越 120 MPa 硬岩层、中粗砂、粉砂层、黏土层、粉质黏土层、飘石、流木等沉积障碍，属于超长距离曲线硬岩顶管，水文地质情况复杂，极易造成施工困难，施工难度国内罕见。根据类似项目的经验，容易出现卡管、塌方、顶进方向失控等问题。

项目通过 B I M 软件对过江顶管段的线型进行 1∶1 建模（见图 10），在长距离曲线过江顶管施工前提前进行线型模拟，首先在模拟顶进过程中发现多处碰撞，如在距第一段拐点 43.3 m 处机头管壁与岩壁产生了碰撞，必须进行及时纠偏，此时需要提前调整机头姿态，完成过渡；其次，记录下问题发生的顶进桩号和轴线角度，为实际顶进提供详细的参考数据；最后，将模型数据用 3 D 打印技术输出，可用于方案演示或技术交底，内容清晰直观。此处的成功运用，为项目部提前发现问题，制定方案措施，减少损失提供了极大的帮助。

4.4 模块化的构件生产与加工

硬岩段的环境条件较为复杂，顶管的设计参数需要进行优化调整。通过对硬岩段曲线顶管施工进行数值模拟，确定了施工管节结构和受力情况，运用 BIM 技术进行建模（见图 11），进一步优化了管节材料及尺寸，为定制生产加工提供依据，保证了硬岩段施工的安全可靠。

图11 模块化的构件预制加工

4.5 BIM+VR应用

在 BIM 建模的基础上使用 VR 技术，针对超长距离曲线硬岩过江顶管中可能出现的高处坠落、管道渗漏灌水、障碍物阻塞、带压换刀等突发状况，根据应急预案，提前模拟演练（见图 12）。

5 结论

本文结合平潭顶管项目工程的重难点，运 BIM 技术对施工场地布置、沉井施工工艺、工程量计算、井内设备安装次序，顶进测量要点、注浆工艺过程、顶管机头进入接收井技术要点，以及高水头压力下换刀作业方案预演、穿越福厦高铁方案比选和长距离曲线过江段顶进路线等进行了多维度的应用，有助于解决类似线性工程场地狭小的合理布置问题，提高项目方案的比选优化和相关技术交底的沟通效率，还能对难度较大的施工分项进行施工模拟，获取信息的同时提前采取措施。本项目的 BIM 综合应用，涵盖了顶管工程具体施工的内容，为 BIM 技术在市政顶管工程的应用发展起到了较为积极的推进作用。Q