BIM在高速公路隧道施工中的应用技术
董国杰 杨焘昀 朱道富中国二冶集团有限公司
摘 要：本文主要阐述了在定临高速公路施工中运用BIM技术辅助隧道施工，主要研究隧道开挖支护，进行设计复核、土方量测算、工序模拟、进度模拟、可视化技术交底和成本管理等，提高工作效率，确保工程质量。
关键词：BIM技术;工序模拟;进度模拟;设计复核;可视化技术交底;
1 工程概况
定西至临洮高速公路工程建设项目胡麻岭隧道设计为一座左、右线分离的高速公路双洞长隧道。隧道设计进口为定西端、出口为临洮端。隧址区位于定西市临洮县漫洼乡，定西端洞口位于定临二级公路堡子梁隧道入口处，临洮端洞口布设于韭菜沟社，省道S311从胡麻岭隧道定西端洞口上方穿过。左线隧道起止桩号为ZK21+000-ZK22+658，长1658m;隧道平面位于R=2000曲线上，纵坡为2.2%。右线隧道起止桩号为YK21+030-YK22+662，长1632m;隧道平面位于R=2300曲线上，纵坡为2.2%。隧道最大埋深约140m。
根据勘察资料，公路隧道上方以第四系风积成因黄土、冲洪积成因粉细砂所覆盖，下部基岩为新近组临夏系泥岩、石膏、钙质胶结层、泥质砂岩、疏松砂岩及砂砾岩。具体岩性特征如下:
(1)粉细砂(Q4(al+pl)):棕红色，稍密，湿，土质不匀，局部夹少量黏性土、砾石，该层主要分布于沟谷表层，揭示层厚约1.7～3m，平均层厚2.35m，平均标贯击数N=9击。
(2)黄土(Q3eol):灰黄色，稍湿，稍密～中密，土质均匀，以粉土为主，垂直节理发育，可见针状孔隙，表层含少量植物根系，该层广泛分布于山顶表层，具II级自重湿陷性。本次勘察揭示层厚约6.7m，平均标贯击数N=5～11击。
(3)强风化泥岩(N21):棕红色，泥质结构，薄层状构造，岩芯呈土柱状，岩质较软，遇水易软化，干燥易崩解，揭示层厚约3～5.3m，平均层厚4.15m，平均标贯击数N=21～24击。
(4)中风化泥岩(N21):棕红色，泥质结构，薄层状构造，岩芯呈土柱状或碎块状，岩质较软，遇水易软化，干燥易崩解，本次勘察在垂直钻孔有两次揭示，未揭示穿，平均标贯击数N=43～88击。石膏(N21):灰白色夹紫红色，块状构造，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状，强度不高，该层位于(7)-1-1层与(7)-3-3层之间，揭示厚度约2.1m。
(5)疏松砂岩(N21):红褐色夹灰白色，砂质结构，层状构造，泥质胶结，胶结性较差，岩芯多呈碎土状或碎块状，偶见钙质胶结层，碎块手捏易碎，揭示层厚19.2～24.9m，平均层厚22.05m，平均动探击数N=83～170击。
(6)中风化泥质砂岩(N21):棕红色，砂质结构，层状构造，泥质胶结，胶结性较好，岩芯呈柱状，节长8～35cm，锤击易碎，偶见钙质胶结层，上部分布一层石膏，层厚约2.1m，该层揭示层厚约10.7～19.9m，平均层厚15.3m，平均动探击数N=50～100击。
(7)中风化砂砾岩(N21):棕红色，砂砾质结构，层状构造，泥质胶结，胶结性一般，岩芯多呈碎块状或柱状，节长5～60cm，岩质强度不高，锤击易碎。该层呈层状分布，揭示层厚约3.7～7.3m，平均层厚4.9m。
2 隧道工程设计基本参数及要求
(1)道路等级:高速公路;
(2)隧道净宽:10.25m(0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75) m;
(3)隧道净空:≥5.0m;
(4)隧道纵坡:2.2%;
(5)平面曲线:R=2000～2300m;
(6)隧道建筑限界:净宽10.25m;净高5.0m;
(7)设计车速:60km/h;
(8)车行横洞净空:5m(高)×4.5m(宽);
(9)人行横洞建筑界限:净宽2.0m;净高2.5m;
(10)紧急停车带:净宽13.25m、净高5m;
(11)隧道抗震设防烈度:VII度;
(12)设计荷载:公路-Ⅰ级;
(13)隧道内路面:复合路面(水泥混凝土路面加沥青面层)。
3 隧道施工BIM技术应用3.1 BIM技术进行设计复核
利用地质勘探无人机进行胡麻岭隧道地理信息进行采集，结合BIM技术进行隧道模型创建，通过创建模型碰撞进行设计复核，包括土方量的核算，工序结合的精准定位。经过模型碰撞可以看出设计的不合理性，可以提出更优化设计方案，便于施工的顺利进行，可以减少因设计的不合理而造成的成本增加。大大减少因设计变更造成的工期延误，确保工程的施工进度按着节点计划完成。对隧道进行建模，对工程预知进行判断，通过构建管道进行碰撞找出盲区。
3.2 可视化三维技术交底
通过模型创建，动画渲染，进行三级技术交底，可视化三维结合工序模拟使得作业班组更清晰，更全面的，更简易的了解施工中的重点施工工艺。施工过程中更便于现场技术管理人员，对于施工的质量、进度、安全的管控。可以利用VR技术的运用，使得每一位作业人员，融入施工过程，更容易掌握施工的关键工序，和操作重点，保证工程质量。
3.3 隧道开挖支护
隧道开挖支护是确保隧道施工的最首要的工作，顺利的开挖，有效地进行安全支护尤其关键，通过BIM模型创建，结合图纸设计对隧道的超前支护进行有效地碰撞，精确锚杆布置间距，防止因拱形骨架与锚杆的冲突，而造成的锚杆的间距不合理，造成受力不均匀，引起应力集中。通过BIM模型进行超前支护的模拟，对超前支护的合理性进行分析，结合地质雷达对超前支护进行安全预警，确保隧道施工人员的安全。
3.4 4D可视化施工进度模拟
通过相关应用软件结合施工进度信息及静态的3D拟合得到4D动态施工进程模型，能更好、直观的呈现出整个项目施工动态进程，从而项目管理人员通过对施工进程、资源调配、成本分析等在三维可视化环境下，进行场地信息化、集成化和可视化管理，能有效地在缩短工期的前提下降低施工成本。
3.5 质量检验标准3.5.1 隧道开挖检查验收标准
隧道开挖将破坏原有地层应力相对平衡状态，造成地层应力释放，隧道围岩变形。不同围岩的等级在开挖过程中受到的影响程度不同，围岩等级越高，在开挖后自稳能力越差，受开挖影响变形越严重。时刻监测隧道开挖相关变形参数对隧道的安全施工起到较好防护措施。施工单位应严格按照相关规范标准进行文明施工，隧道开挖后应及时进行相应验收检测，隧道开挖后验收应符合相关规范，对工程项目实体洞身进行评定规范见表1。
表1 洞身开挖检验评定表 下载原图
3.5.2 隧道喷射混凝土检查验收标准
隧道开挖后初期支护来自于喷射混凝土，混凝土的强度对隧道围岩初期变形的控制起到一定的控制作用。对于初期支护彭色混凝土应该满足相关规范规定:一般应采用大板切割法切取混凝土试样测试;在不具备切割条件时，可以模拟隧道喷射方向对模具为边长150mm的立方体无底试模进行喷射混凝土，并进行为期28 d标准养护，进行测试。对检查过程中任对喷射混凝土强度产生怀疑，可进行喷射点随机钻心采样进行单轴抗压试验。
3.5.3 隧道锚杆施工检查验收标准
锚杆作为岩土体自身加固措施的一种有效支护方式，不同的锚杆其作用的具体地层不同。锚杆的性能决定了其适用范围及作用机理，在工程实际施工过程中，锚杆使用前必须经过严格的相关性能指标(屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯试验)检测，应用与工程实体的锚杆要达到国家相关规范标准。工程实体检测锚杆评定表如表2。
3.5.4 隧道钢筋网施工检查验收标准
工程中钢筋作为工程实体主要沉重的构建的重要组成部分，其物理力学性能是实体工程的安全的重要影响因素。钢筋在进场检测时，必须有针对性对钢筋生产厂商的生产许可证。钢筋本身的物理力学性能进行全面检测，检测试样的随机抽取规格要符合国家相关检测标准，对于物理力学性能应不低于国家检测标准。针对工程实体钢筋网的检验标准应符合表3。
表2 锚杆支护检验评定表 下载原图
表3 钢筋网检验评定表 下载原图
3.5.5 钢拱架检查验收标准
钢拱架与钢筋网、锚杆、混凝土等连接形成稳定的支护结构，作为不可重复利用隧道后期稳定的主要承重构件，是隧道后期安全的主要检测部位。作为安全因素控制的主要材料之一，其材料的检验标准类似于钢筋的检验，钢拱架的经常除了厂商生产许可证外，对钢拱架自身物理力学性能(屈服强度、抗拉强度和伸长率)工艺性能(冷弯)试验在抽检数量达到要求的情况下，满足物理力学性能指标。现场钢拱架的实施及检测标准应符合表4规定。
表4 钢架支撑检验评定表 下载原图
4 质量控制措施
(1)在进入孔洞之前，应关闭并重新测试由精密测量队交付的控制桩和找平点桩，然后释放孔洞的入口管线。主桩尖必须由桩保护。每个孔都应有一个由三个以上投资点组成的基准网络，这些投资点应置于孔的中心线内;开口处应放置两个以上的基准点或延伸基准点，并相应地设置孔的高度。长隧道应配备精密测量仪器和熟练的操作员，并且每个延伸测量都应配备封闭装置，以确保隧道的中心线和水平线均在允许的误差范围内。
(2)根据围岩类别和设计要求，应优先考虑螺栓，喷射混凝土和钢框架的组合支撑。先进的支架采用先进的长管棚，先进的锚杆和小型注浆导管等方法。确保软弱的围岩的稳定性。
(3)根据不同的地质条件采用不同的开挖隧道方法。当地质条件较差时使用部分开挖和支护，在恶劣情况下使用预先支护或预加固细分进行开挖。
(4)安装锚杆时，锚杆长度要符合设计要求，锚杆的方向垂直于岩石层。锚杆施工一段时间后，应及时进行轴向力和拉拔试验，以获得相关参数。
(5)根据地质情况合理选择支撑类型。对于不利的地质情况，选择钢支撑和格栅钢框架，选择正确的支撑间距和混凝土保护层，以确保有效支撑大地压和围岩偏压力等不良地质条件。
(6)开挖采用光面爆破技术，以减少开挖不足。合理选择喷砂参数，严格按照孔眼钻，钻孔，装料，断面和连接线的喷砂设计，喷砂效果符合《规范》的要求。
(7)在入口处的土石方施工前后，都应安装上下排水系统。边坡和边坡应从上至下开挖。当斜坡不稳定时，应使用喷锚加固。
(8)防水板施工过程中，大坑要用立模填充混凝土，小坑要用混凝土或防水砂浆找平;防水板应首先检查质量，检测拉伸和弯曲指标，并确保底面清洁，干燥且无灰尘，然后按要求进行焊接和铺设。
(9)在混凝土端部施工过程中，堵塞模板的间隙，以防止浆液泄漏。在再次浇筑混凝土之前，应先对建筑混凝土表面进行凿刻，冲洗并用止水带粘贴，然后在浇筑混凝土之前涂上2cm的砂浆。
(10)在垂直模板之前释放隧道中心线，水平和模型位置。模型应牢固，模板应平坦。衬砌的厚度符合设计要求，侧壁的底部稳定，没有压载物，碎屑和积水，并且混凝土被压实。侧壁的垂直接头是垂直的，水平接头平行于隧道轴线。
5 结语
本文主要讲述了定临高速公路中隧道施工技术的应用，全线施工可以运用BIM+GIS综合管理平台，建立一个全面的三维动态可视化集成平台，满足公路工程建设项目“点多线长结构复杂且与地形地貌结合紧密”的特点，从各个角度全面诠释设计、进度、质量安全管理等工作内容，用直观的方式快速表达工程建设的全过程。分层级、分段落，分多视角对工程的冲突，对建设实体实施关联分析，达到对实施进度、质量、效率、安全的全面管理，并满足业主管理、施工单位管理的不同层面的业务要求。公路建设工程项目随着科学的发展，信息化技术不断融入公路行业，解决公路工程建设的安全、质量、进度统一系统化管理，项目部可以创建BIM小组多点共同协作，将BIM技术不仅仅用于辅助公路工程施工，用于成本分析，进度、质量、安全管理。解决点多线长结构的复杂。
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