原标题:《施工技术(中英文)》好文推荐|BIM技术在城市海底隧道施工过程优化中的应用

  针对厦门第二西通道(海沧隧道)工程A2标段存在施工地质条件差、结构类型多、技术含量高、周边环境复杂、施工组织难度大、工期控制风险高等难题,重点针对施工组织复杂、施工技术难度大、施工风险高等方面开展BIM专项应用及相应的BIM基础应用。辅助解决了施工组织策划、控制性施工方案优化和关键技术创新,取得了一定的组织设计成果、项目精细化管理成果、工期效益和经济效益。

  厦门第二西通道(海沧隧道)工程是厦门市公路骨干网“两环八射”的重要组成部分。路线亿元。海沧隧道是以海底隧道形式穿越厦门西海域,进入本岛后,再以隧道(暗挖+明挖)形式沿兴湖路前行,最终与在建的第二东通道连接。主线设双向六车道,采用一级公路设计标准,设计时速80km/h。

  海沧海底隧道A2标段全长2 190m, 总投资7.75亿元,经象屿码头附近进入厦门本岛后,沿湖里区兴湖路前行,终于碧桂园启航大厦处。

  A2标段下穿的兴湖路段处于滩涂回填区域,地质条件复杂,周边环境敏感,为典型的临海城市狭小空间下大断面城市海底隧道,施工难题如下。

  项目位于厦门市本岛,下穿的兴湖路为城市主干道,周围建筑物密集,为典型的城市海底隧道。

  城市狭小地形条件下,临建场地狭小,管线、交通组织运输困难,协调难度大。且A2标段处于3个标段的中间位置,无法直接对主洞进行开挖,主线暗挖隧道采用服务隧道(如服务洞、斜井等)先行,再利用横通道进入主洞进行开挖,多工作面同时施工,物流协调难度大。

  项目涵盖了钻爆法施工的所有工法,且双连拱隧道断面具有跨度大、超浅埋、不对称、变截面等特点,与明挖深基坑组成地下互通,施工技术难度高。

  受邻近建筑物(最近距离6m)、管线迁改、交通导改、不良地质、明挖深基坑、暗挖控爆等因素影响,工期进度风险控制高。

  通过调阅厦门市地形、地貌等相关资料显示,除300m明挖段(原设计)为原状地形外,剩余段落多为浅滩回填区,地下水与海水连通,主线隧道多次穿越海底风化槽,地质条件极其复杂。

  项目包含三车道主线暗挖隧道、世界最大断面(总开挖面积达559.05m 2 )双连拱隧道、小净距隧道、明挖深基坑、竖井、斜井、风道、匝道等多种结构类型。

  针对项目施工重难点,制定项目BIM实施方案,明确BIM技术应用点、应用目标和BIM专项解决方案。

  针对本工程特点,重点对施工组织复杂、施工技术难度大、施工风险高等几方面问题开展BIM技术应用,辅助进行施工优化和管控,解决项目施工难题,实现基于BIM技术优化对项目质量、安全、进度的精细化管理。

  3)开展施工模拟,辅助施工组织策划,结合工程特点辅助优化总体施工组织设计及专项施工方案等。

  4)构建工艺库,对重点工序、关键工序进行可视化交底,提高施工质量,预判和控制风险源,减少安全隐患。

  在项目组建阶段成立BIM工作室,对BIM工作实行三级管理,如图1所示。由集团公司数字建造中心牵头,十八局一公司与项目部BIM工作室逐级落实,确保BIM工作开展实施有序、高效。

  项目部采购台式机工作站3台、笔记本工作站2台,专业航测无人机1台搭配高清倾斜摄影相机1台。

  在厦门岛内狭小地形中,项目部、施工场地和生活区均需进行临时场地布置。采用Revit进行场布模型创建,并与通过无人机倾斜摄影创建的实景地形相结合,辅助规划,最终实现服务洞工区在占地面积仅9 000m 2 的三角区域情况下,合理布置了大型钢材加工厂、混凝土拌合站、二次倒运临时弃渣场、服务隧道洞口、生活区等,实现了永临结合,比传统计划占地面积缩减近1/2,有效解决了城市施工占地难题。部分大型临建场布BIM+GIS应用效果如图2所示。

  此外,在临建规划过程中,考虑到后续加工厂、混凝土拌合站等大型临建的建设,通过BIM+GIS结合,对服务洞洞口明挖段的开挖方式进行优化,将放坡开挖优化为桩基围护结构盖挖,解决厂区交通问题,为大型临建建设提供便利。

  项目下穿的兴湖路为双向六车道城市主干道,常年车流量大,交通导改困难。通过BIM+GIS结合,创建施工围挡区域模型和道路线性模型,并通过Fuzor对项目明挖段施工交通导改一期、二期进行全过程模拟,如图3所示。通过合理占用道路及两侧绿化带,增大利用空间,模拟导改全过程,实现施工全程道路不封闭,大幅降低施工带来的交通流量影响和压力。

  A2标段全长2 190m,原设计主线m,根据项目特点,将标段划分为明挖工区(紧邻项目部)和服务洞工区(含竖井)2个工区组织施工。服务洞工区利用服务洞作为地质先导洞,通过绕行通道打开主线隧道开挖;明挖工区先进行开挖,再通过工作井与服务洞工区对打。

  通过Fuzor对全标段施工进度进行模拟,推算出原设计的施工工期需48个月(实际设计工期42个月),其中受征地拆迁、管线迁改、交通导改等因素影响的工期延迟明显。如300m明挖段紧邻广本盛元4S店,离明挖基坑不足2.3m,导致明挖基坑4S店侧没有施工便道;受征地拆迁的影响范围约160m,至2018年底才完成拆迁,影响总进度8个月等。经进度模拟分析后,提出将明挖工区300m明挖优化为160m双连拱隧道+140m明挖,同时利用服务洞工区的服务隧道超前施工,通过横通道增设工作面,实现长隧短打,加快施工进度;160m暗挖段也增开两条洞内横通道,实现中导洞开挖与中隔墙同步施工,为后续主洞开挖创造条件。通过Fuzor对全标段的施工进度进行第2轮模拟分析,推算出方案变更后,工期可节省8个月。全标段施工进度模拟如图4所示。

  1)基于BIM的施工方案模拟 通过Fuzor对300m明挖段施工方案和160m双连拱隧道+140m明挖深基坑施工方案进行施工模拟,验证方案优化的可行性,如图5所示。同时模拟分析两种施工方案的工期进度,推算出方案变更后,暗挖开挖可以提前8个月进行开挖作业,工期节约240d。经多位专家论证后,一致通过重大方案变更,单项变更造价达1亿元。变更后,在增设1组开挖班组及相应机械设备的情况下,变更部分的工程总造价略有减少,节约原材料420万元、施工成本2 000万元。

  2)基于BIM的地质分析 对变更方案区段进行详细地质补勘,根据补勘情况,采用Geostation进行地质和超前地质预报建模。从地质模型中可直观看出拟变更160m双连拱区段地质条件较好,进一步确定了明挖方案改暗挖方案的可行性,确定暗挖结构为双连拱隧道。

  3)基于BIM的施工方案数值分析 将隧道BIM模型与力学分析相结合,利用FLAC 3D进行变更后暗挖隧道开挖过程稳定性分析,检验地层及设计衬砌类型的承载能力。从分析结果中可以看出,优化后的暗挖方案虽然超浅埋、大跨度,但按照合理的分部开挖顺序,地表及周围建筑物的下沉及变形量都在可控范围内。

  本项目160m双连拱隧道具有超浅埋、超大断面、变截面、不对称等特点,是目前世界最大断面的双连拱隧道,施工组织难度和技术难度大。采用Cinema 4D,Fuzor和3D Max模拟隧道开挖工法,对开挖方案进行优化。

  1)BIM模拟双连拱隧道传统开挖工法 采用Cinema 4D进行传统开挖工法模拟,如图6所示,2号通道开挖完成后,先进行0号中导洞开挖,再施作中隔墙,然后进行两侧主洞开挖(1,2号洞开挖→2号通道回填→3~6号洞开挖、支护)。由于主洞上台阶开挖标高较中导洞高,需对2号通道进行回填,回填至侧壁导洞上台阶开挖高度,再进行各导洞开挖、支护。通过进行施工过程模拟,结果显示传统开挖工法优点是组织简单,缺点是工期长。

  2)BIM模拟双连拱隧道优化后开挖工法 采用Cinema 4D进行优化后开挖工法施工模拟,如图7所示,突破传统侧壁导坑开挖工法中导洞先行的限制,利用侧壁导洞先行,通过侧壁导洞增设3-1,3-2横通道,进行中导洞正反向同时开挖(1号洞先行→增设3-1,3-2横通道→0号洞正反向同时开挖→依次开挖2,3,4,5,6号洞),确保中导洞、中隔墙、两侧主线隧道同步施工。优化后的开挖工法施工模拟结果显示,开挖工序的优化降低左线下穿行车道开挖的施工风险,不断增开横通道施工解决了运输难问题;多点、多工序同步施工,比传统施工工法缩短工期8个月。

  3)工法转换方案优化 采用Fuzor模拟双连拱隧道与双侧壁段隧道交接处的工法转换,如图8所示,分析工法转换的关键技术,创新性提出4号横通道方案,有效减小复杂施工工法转换过程中存在的风险,缩短了工期。

  依据双连拱隧道4次变截面的特点,自主设计双连拱隧道变截面换装衬砌台车,解决不同截面衬砌转换、浇筑难题,通过模型搭建与施工工艺模拟优化台车设计,如图9所示,最终应用于现场施工,大大提高混凝土浇筑质量及工效。

  在总结厦门翔安隧道防排水存在的问题基础上,采用Cinema 4D,3D Max模拟隧道防排水设计、施工,优化隧道防排水系统,进行可视化技术交底,如图10所示。解决了隧道开挖前堵水、施工过程排水及路面反水等问题,根据目前水量检测估算,运营期日排水量可控制在3 500m 3 以内,解决了后期运维难题。

  采用Cinema 4D模拟城市大断面公路隧道地层全域注浆加固、管线加固,沿线房屋钻孔灌注桩、隔离桩保护等工艺,如图11所示。增强施工班组对技术重难点的理解,确保施工安全,提高施工进度。

  Revit对具有空间曲线特征的模型创建具有极大难度,运用Dynamo进行可视化节点建模,极大提高了建模效率,解决隧道线路空间曲线难以建模难题,为各类施工模拟提供基础模型。

  根据BIM应用需求进行隧道主体、附属结构、地质、临建、设备等模型搭建,其中,隧道模型按照分项工程和施工工序等进行模型拆分、细化,满足进度模拟、方案模拟、工艺模拟等基本需求;设备族库根据项目实际和模拟需求进行创建。部分成果展示如图12,13所示。

  针对项目特点,采用Cinema 4D对全孔一次快速注浆、帷幕注浆、溜槽分层浇筑、海底隧道综合防水、房屋保护加固、地表垂直注浆等先进施工工艺进行工艺模拟,在提升施工过程可视化、精细化管理水平的同时,提高了施工效率,消除了安全隐患。部分工艺模拟如图14所示。

  使用BIM模型、3D Max和Lumion动画演示的方式进行三维可视化技术交底。区别于传统技术交底,使施工班组更加容易理解复杂工艺施工,减少现场返工情况,提高了工程效率和精细化管理水平。

  海沧隧道工程A2标段在项目施工过程中通过开展编程建模、设备族库创建、工艺模拟、可视化交底的BIM基础应用和场地规划、交通导改、施工进度模拟、施工组织设计模拟、施工方案模拟等BIM技术专项应用,在项目临建场布优化、施工组织优化、双连拱隧道开挖专项方案优化、隧道防排水技术方案优化等方面取得良好的成果和效益,有效解决了本项目面临的施工地质条件差、结构类型多、技术含量高、周边环境复杂、施工组织难度大、工期控制风险高等难题。同时加快了工期进度,提升了项目施工质量,提高了施工过程规避风险能力和施工安全系数,为项目顺利竣工交付奠定了坚实的基础。

  BIM技术在城市海底隧道施工过程优化中的应用 (全文刊登于《施工技术(中英文)》2022年第5期)

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