董國杰 楊燾昀 朱道富中國二冶集團有限公司
摘 要：本文主要闡述了在定臨高速公路施工中運用BIM技術(shù)輔助隧道施工，主要研究隧道開挖支護，進行設計復核、土方量測算、工序模擬、進度模擬、可視化技術(shù)交底和成本管理等，提高工作效率，確保工程質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：BIM技術(shù);工序模擬;進度模擬;設計復核;可視化技術(shù)交底;
1 工程概況
定西至臨洮高速公路工程建設項目胡麻嶺隧道設計為一座左、右線分離的高速公路雙洞長隧道。隧道設計進口為定西端、出口為臨洮端。隧址區(qū)位于定西市臨洮縣漫洼鄉(xiāng)，定西端洞口位于定臨二級公路堡子梁隧道入口處，臨洮端洞口布設于韭菜溝社，省道S311從胡麻嶺隧道定西端洞口上方穿過。左線隧道起止樁號為ZK21+000-ZK22+658，長1658m;隧道平面位于R=2000曲線上，縱坡為2.2%。右線隧道起止樁號為YK21+030-YK22+662，長1632m;隧道平面位于R=2300曲線上，縱坡為2.2%。隧道最大埋深約140m。
根據(jù)勘察資料，公路隧道上方以第四系風積成因黃土、沖洪積成因粉細砂所覆蓋，下部基巖為新近組臨夏系泥巖、石膏、鈣質(zhì)膠結(jié)層、泥質(zhì)砂巖、疏松砂巖及砂礫巖。具體巖性特征如下:
(1)粉細砂(Q4(al+pl)):棕紅色，稍密，濕，土質(zhì)不勻，局部夾少量黏性土、礫石，該層主要分布于溝谷表層，揭示層厚約1.7～3m，平均層厚2.35m，平均標貫擊數(shù)N=9擊。
(2)黃土(Q3eol):灰黃色，稍濕，稍密～中密，土質(zhì)均勻，以粉土為主，垂直節(jié)理發(fā)育，可見針狀孔隙，表層含少量植物根系，該層廣泛分布于山頂表層，具II級自重濕陷性。本次勘察揭示層厚約6.7m，平均標貫擊數(shù)N=5～11擊。
(3)強風化泥巖(N21):棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖芯呈土柱狀，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，干燥易崩解，揭示層厚約3～5.3m，平均層厚4.15m，平均標貫擊數(shù)N=21～24擊。
(4)中風化泥巖(N21):棕紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，巖芯呈土柱狀或碎塊狀，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，干燥易崩解，本次勘察在垂直鉆孔有兩次揭示，未揭示穿，平均標貫擊數(shù)N=43～88擊。石膏(N21):灰白色夾紫紅色，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀，強度不高，該層位于(7)-1-1層與(7)-3-3層之間，揭示厚度約2.1m。
(5)疏松砂巖(N21):紅褐色夾灰白色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)性較差，巖芯多呈碎土狀或碎塊狀，偶見鈣質(zhì)膠結(jié)層，碎塊手捏易碎，揭示層厚19.2～24.9m，平均層厚22.05m，平均動探擊數(shù)N=83～170擊。
(6)中風化泥質(zhì)砂巖(N21):棕紅色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)性較好，巖芯呈柱狀，節(jié)長8～35cm，錘擊易碎，偶見鈣質(zhì)膠結(jié)層，上部分布一層石膏，層厚約2.1m，該層揭示層厚約10.7～19.9m，平均層厚15.3m，平均動探擊數(shù)N=50～100擊。
(7)中風化砂礫巖(N21):棕紅色，砂礫質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)性一般，巖芯多呈碎塊狀或柱狀，節(jié)長5～60cm，巖質(zhì)強度不高，錘擊易碎。該層呈層狀分布，揭示層厚約3.7～7.3m，平均層厚4.9m。
2 隧道工程設計基本參數(shù)及要求
(1)道路等級:高速公路;
(2)隧道凈寬:10.25m(0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75) m;
(3)隧道凈空:≥5.0m;
(4)隧道縱坡:2.2%;
(5)平面曲線:R=2000～2300m;
(6)隧道建筑限界:凈寬10.25m;凈高5.0m;
(7)設計車速:60km/h;
(8)車行橫洞凈空:5m(高)×4.5m(寬);
(9)人行橫洞建筑界限:凈寬2.0m;凈高2.5m;
(10)緊急停車帶:凈寬13.25m、凈高5m;
(11)隧道抗震設防烈度:VII度;
(12)設計荷載:公路-Ⅰ級;
(13)隧道內(nèi)路面:復合路面(水泥混凝土路面加瀝青面層)。
3 隧道施工BIM技術(shù)應用3.1 BIM技術(shù)進行設計復核
利用地質(zhì)勘探無人機進行胡麻嶺隧道地理信息進行采集，結(jié)合BIM技術(shù)進行隧道模型創(chuàng)建，通過創(chuàng)建模型碰撞進行設計復核，包括土方量的核算，工序結(jié)合的精準定位。經(jīng)過模型碰撞可以看出設計的不合理性，可以提出更優(yōu)化設計方案，便于施工的順利進行，可以減少因設計的不合理而造成的成本增加。大大減少因設計變更造成的工期延誤，確保工程的施工進度按著節(jié)點計劃完成。對隧道進行建模，對工程預知進行判斷，通過構(gòu)建管道進行碰撞找出盲區(qū)。
3.2 可視化三維技術(shù)交底
通過模型創(chuàng)建，動畫渲染，進行三級技術(shù)交底，可視化三維結(jié)合工序模擬使得作業(yè)班組更清晰，更全面的，更簡易的了解施工中的重點施工工藝。施工過程中更便于現(xiàn)場技術(shù)管理人員，對于施工的質(zhì)量、進度、安全的管控?？梢岳肰R技術(shù)的運用，使得每一位作業(yè)人員，融入施工過程，更容易掌握施工的關(guān)鍵工序，和操作重點，保證工程質(zhì)量。
3.3 隧道開挖支護
隧道開挖支護是確保隧道施工的最首要的工作，順利的開挖，有效地進行安全支護尤其關(guān)鍵，通過BIM模型創(chuàng)建，結(jié)合圖紙設計對隧道的超前支護進行有效地碰撞，精確錨桿布置間距，防止因拱形骨架與錨桿的沖突，而造成的錨桿的間距不合理，造成受力不均勻，引起應力集中。通過BIM模型進行超前支護的模擬，對超前支護的合理性進行分析，結(jié)合地質(zhì)雷達對超前支護進行安全預警，確保隧道施工人員的安全。
3.4 4D可視化施工進度模擬
通過相關(guān)應用軟件結(jié)合施工進度信息及靜態(tài)的3D擬合得到4D動態(tài)施工進程模型，能更好、直觀的呈現(xiàn)出整個項目施工動態(tài)進程，從而項目管理人員通過對施工進程、資源調(diào)配、成本分析等在三維可視化環(huán)境下，進行場地信息化、集成化和可視化管理，能有效地在縮短工期的前提下降低施工成本。
3.5 質(zhì)量檢驗標準3.5.1 隧道開挖檢查驗收標準
隧道開挖將破壞原有地層應力相對平衡狀態(tài)，造成地層應力釋放，隧道圍巖變形。不同圍巖的等級在開挖過程中受到的影響程度不同，圍巖等級越高，在開挖后自穩(wěn)能力越差，受開挖影響變形越嚴重。時刻監(jiān)測隧道開挖相關(guān)變形參數(shù)對隧道的安全施工起到較好防護措施。施工單位應嚴格按照相關(guān)規(guī)范標準進行文明施工，隧道開挖后應及時進行相應驗收檢測，隧道開挖后驗收應符合相關(guān)規(guī)范，對工程項目實體洞身進行評定規(guī)范見表1。
表1 洞身開挖檢驗評定表 下載原圖
3.5.2 隧道噴射混凝土檢查驗收標準
隧道開挖后初期支護來自于噴射混凝土，混凝土的強度對隧道圍巖初期變形的控制起到一定的控制作用。對于初期支護彭色混凝土應該滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定:一般應采用大板切割法切取混凝土試樣測試;在不具備切割條件時，可以模擬隧道噴射方向?qū)δ＞邽檫呴L150mm的立方體無底試模進行噴射混凝土，并進行為期28 d標準養(yǎng)護，進行測試。對檢查過程中任對噴射混凝土強度產(chǎn)生懷疑，可進行噴射點隨機鉆心采樣進行單軸抗壓試驗。
3.5.3 隧道錨桿施工檢查驗收標準
錨桿作為巖土體自身加固措施的一種有效支護方式，不同的錨桿其作用的具體地層不同。錨桿的性能決定了其適用范圍及作用機理，在工程實際施工過程中，錨桿使用前必須經(jīng)過嚴格的相關(guān)性能指標(屈服強度、抗拉強度、伸長率和冷彎試驗)檢測，應用與工程實體的錨桿要達到國家相關(guān)規(guī)范標準。工程實體檢測錨桿評定表如表2。
3.5.4 隧道鋼筋網(wǎng)施工檢查驗收標準
工程中鋼筋作為工程實體主要沉重的構(gòu)建的重要組成部分，其物理力學性能是實體工程的安全的重要影響因素。鋼筋在進場檢測時，必須有針對性對鋼筋生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)許可證。鋼筋本身的物理力學性能進行全面檢測，檢測試樣的隨機抽取規(guī)格要符合國家相關(guān)檢測標準，對于物理力學性能應不低于國家檢測標準。針對工程實體鋼筋網(wǎng)的檢驗標準應符合表3。
表2 錨桿支護檢驗評定表 下載原圖
表3 鋼筋網(wǎng)檢驗評定表 下載原圖
3.5.5 鋼拱架檢查驗收標準
鋼拱架與鋼筋網(wǎng)、錨桿、混凝土等連接形成穩(wěn)定的支護結(jié)構(gòu)，作為不可重復利用隧道后期穩(wěn)定的主要承重構(gòu)件，是隧道后期安全的主要檢測部位。作為安全因素控制的主要材料之一，其材料的檢驗標準類似于鋼筋的檢驗，鋼拱架的經(jīng)常除了廠商生產(chǎn)許可證外，對鋼拱架自身物理力學性能(屈服強度、抗拉強度和伸長率)工藝性能(冷彎)試驗在抽檢數(shù)量達到要求的情況下，滿足物理力學性能指標?，F(xiàn)場鋼拱架的實施及檢測標準應符合表4規(guī)定。
表4 鋼架支撐檢驗評定表 下載原圖
4 質(zhì)量控制措施
(1)在進入孔洞之前，應關(guān)閉并重新測試由精密測量隊交付的控制樁和找平點樁，然后釋放孔洞的入口管線。主樁尖必須由樁保護。每個孔都應有一個由三個以上投資點組成的基準網(wǎng)絡，這些投資點應置于孔的中心線內(nèi);開口處應放置兩個以上的基準點或延伸基準點，并相應地設置孔的高度。長隧道應配備精密測量儀器和熟練的操作員，并且每個延伸測量都應配備封閉裝置，以確保隧道的中心線和水平線均在允許的誤差范圍內(nèi)。
(2)根據(jù)圍巖類別和設計要求，應優(yōu)先考慮螺栓，噴射混凝土和鋼框架的組合支撐。先進的支架采用先進的長管棚，先進的錨桿和小型注漿導管等方法。確保軟弱的圍巖的穩(wěn)定性。
(3)根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用不同的開挖隧道方法。當?shù)刭|(zhì)條件較差時使用部分開挖和支護，在惡劣情況下使用預先支護或預加固細分進行開挖。
(4)安裝錨桿時，錨桿長度要符合設計要求，錨桿的方向垂直于巖石層。錨桿施工一段時間后，應及時進行軸向力和拉拔試驗，以獲得相關(guān)參數(shù)。
(5)根據(jù)地質(zhì)情況合理選擇支撐類型。對于不利的地質(zhì)情況，選擇鋼支撐和格柵鋼框架，選擇正確的支撐間距和混凝土保護層，以確保有效支撐大地壓和圍巖偏壓力等不良地質(zhì)條件。
(6)開挖采用光面爆破技術(shù)，以減少開挖不足。合理選擇噴砂參數(shù)，嚴格按照孔眼鉆，鉆孔，裝料，斷面和連接線的噴砂設計，噴砂效果符合《規(guī)范》的要求。
(7)在入口處的土石方施工前后，都應安裝上下排水系統(tǒng)。邊坡和邊坡應從上至下開挖。當斜坡不穩(wěn)定時，應使用噴錨加固。
(8)防水板施工過程中，大坑要用立模填充混凝土，小坑要用混凝土或防水砂漿找平;防水板應首先檢查質(zhì)量，檢測拉伸和彎曲指標，并確保底面清潔，干燥且無灰塵，然后按要求進行焊接和鋪設。
(9)在混凝土端部施工過程中，堵塞模板的間隙，以防止?jié){液泄漏。在再次澆筑混凝土之前，應先對建筑混凝土表面進行鑿刻，沖洗并用止水帶粘貼，然后在澆筑混凝土之前涂上2cm的砂漿。
(10)在垂直模板之前釋放隧道中心線，水平和模型位置。模型應牢固，模板應平坦。襯砌的厚度符合設計要求，側(cè)壁的底部穩(wěn)定，沒有壓載物，碎屑和積水，并且混凝土被壓實。側(cè)壁的垂直接頭是垂直的，水平接頭平行于隧道軸線。
5 結(jié)語
本文主要講述了定臨高速公路中隧道施工技術(shù)的應用，全線施工可以運用BIM+GIS綜合管理平臺，建立一個全面的三維動態(tài)可視化集成平臺，滿足公路工程建設項目“點多線長結(jié)構(gòu)復雜且與地形地貌結(jié)合緊密”的特點，從各個角度全面詮釋設計、進度、質(zhì)量安全管理等工作內(nèi)容，用直觀的方式快速表達工程建設的全過程。分層級、分段落，分多視角對工程的沖突，對建設實體實施關(guān)聯(lián)分析，達到對實施進度、質(zhì)量、效率、安全的全面管理，并滿足業(yè)主管理、施工單位管理的不同層面的業(yè)務要求。公路建設工程項目隨著科學的發(fā)展，信息化技術(shù)不斷融入公路行業(yè)，解決公路工程建設的安全、質(zhì)量、進度統(tǒng)一系統(tǒng)化管理，項目部可以創(chuàng)建BIM小組多點共同協(xié)作，將BIM技術(shù)不僅僅用于輔助公路工程施工，用于成本分析，進度、質(zhì)量、安全管理。解決點多線長結(jié)構(gòu)的復雜。
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