BIM技术在城市海底隧道施工过程优化中的应用

BIM技术在城市海底隧道施工过程优化中的应用

文/中铁十八局集团有限公司  许时颖

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。

1  工程概况

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。路线全长7.1km，其中隧道长6.3km，跨海域宽度2.8km，总投资56.48亿元。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。

2  重难点分析

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。

1)周围环境复杂

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。

2)施工组织难度大

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。

3)技术含量高

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。

4)工期控制风险高

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。

5)地质条件差

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。

6)结构类型多

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。

3  BIM应用策划

?? BIM应用目标和规划

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。

应用目标

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。

实施规划

1)基础模型及设备族库搭建。

2)采用BIM+GIS技术，辅助临建设计施工，并考虑永临结合。

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。

??  BIM组织架构

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。

图1  组织架构

?? 软硬件配置

1)硬件配置

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。

2)软件配置

根据项目特点，采用多平台软件开展BIM技术应用，主要软件如表1所示。

表1  软件配置

4  BIM专项解决方案

?? BIM+GIS进行施工场地布置

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。

图2  基于BIM+GIS的大型临建布置

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。

2)BIM+GIS辅助明挖段交通导改

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。

图3  交通导改过程模拟

3)全标段施工进度模拟对比分析

A2标段全长2 190m，原设计主线隧道1 890m，明挖300m，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。

图4  全标段施工进度模拟

?? BIM辅助控制性工程方案优化

300m明挖段方案优化

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。

图5  施工方案模拟

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。

双连拱隧道开挖方案优化

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。

图6  传统开挖工法模拟

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。

图7  优化后开挖工法

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。

图8  工法转换

?? BIM辅助关键技术创新

1)换装衬砌台车正向设计

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。

图9  换装衬砌台车正向设计

2)海底隧道综合防水

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。

图10  隧道防排水技术交底

3)地面注浆加固技术

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。

图11  地面注浆加固工艺模拟

5  BIM基础应用

?? Dynamo可视化编程建模

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。

?? 精细化模型库及设备族库

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。

图12  精细化模型

图13  施工设备族库

?? 施工工艺模拟

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。

图14  施工工艺模拟

?? 可视化交底

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。

6 结语

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。