BIM技术在汕头湾海底隧道的创新应用

汕头湾海底隧道为国内外首座单洞双线速度 350 km/h 的海底高速铁路隧道，位于广东省汕头市濠江区和龙湖 区境内，全长 9781m ，最大埋深 180m ，是汕头—汕尾 铁路全线控制性工程，按照 Ⅰ 级风险隧道进行建设管理。 盾构段采用的永平号盾构机外径为 14.57m ，是目前跨海 高速铁路隧道所用的最大直径泥水平衡盾构机。该隧道 施工工法复杂，按施工工法不同区分，正洞包括陆域矿 山法隧道（ 5636m ）、海域矿山法隧道（ 1086m ）、海域 矿山法 + 盾构空推法隧道（ 40m ）、盾构法隧道 （ 2129m ）、明挖法隧道（ 890m ），并于陆域设 1 # 斜井 （ 838m ）和 2 # 斜井（ 1116 m ） 2 座辅助坑道，明挖段设施 工竖井（ h =27m ） 1 座。该隧道位于 Ⅷ 度地震区，穿越 17 条断层破碎带，其中 8 条为活动断层，海域段隧底最 高水压力达 0.985MPa ，氯盐侵蚀环境 L3 ，均为最高等 级。以汕头湾海底隧道为工程背景，结合上述复杂地质 条件和超大直径的特点，针对海底隧道设计及施工的重 难点，利用 BIM 技术开展应用探索（见图 1 ）。

图1 汕头湾海底隧道设计施工重难点及应用

1.盾构隧道管片参数化排布

现场施工中，盾构管片预埋槽道的布设是否满足 安装需求，很大程度取决于盾构管片结构的排版与拼 装。为了解决这一问题，基于 BIM 技术，结合接触网 预埋槽道布设方案，对局部块体预埋槽道管片结构智 能排版系统进行开发研究并形成专利，并应用该系统 实现了管片参数化排布 （见图 2 ）。考虑局部块体预埋 槽道布置的盾构隧道 BIM 设计系统实现了盾构管片参 数化三维设计的从无到有，填补了局部块体预埋槽道 的大直径盾构隧道管片参数化排布研究应用领域的空 白，应用于施工中较全环预埋节约 87% ，节约工程投 资 700 万元。

图2  考虑预埋槽道布置的盾构隧道参数化BIM模型

2. 盾构管片钢筋精细化设计

盾构隧道管片预制在生产阶段经常发生钢筋净保护 层厚度不足、钢筋与预埋件碰撞等问题，在施工阶段因 预留伸出筋的碰撞而无法完成预制构件间的湿接头连 接，导致返工。通过应用 BIM 技术的可视化优势，对盾 构管片结构及钢筋空间布局进行精细化设计（见图 3 ）， 显著提升了盾构管片钢筋分配布设的精准度、弯折及穿 插区域的合理性，可以有效避免钢筋碰撞等问题和由此 产生的工期延误，也可降低预制构件生产企业的用人成 本，并提高钢筋加工的自动化水平（见图 4 ）。

图3  管片钢筋BIM模型

图4  现场管片预制件

3. 海域段3层衬砌防排水系统精细化设计

汕头湾海底隧道位于高强地震环境且穿越多条活动断层带，隧底最高水压力达0.985 MPa，为了满足强度稳定等安全性要求，海域段衬砌结构采用“初期支护+C35二次衬砌+C50三次衬砌”的3层衬砌设计，针对海底隧道3层衬砌的特殊结构，通过BIM进行防排水系统精细化设计，在浇筑C35钢筋混凝土二次衬砌前施作第一道半包防水体系“土工布+防水板”（见图5），并在防水板背后设置纵向排水盲管、环向排水管，隧道二次衬砌背后积水通过环向排水管、环向盲管和纵向排水盲管汇集后引入临时水沟并及时排到洞外（见图6），二次衬砌和三次衬砌之间全环设置双面自粘式防水卷材（见图7），为防排水系统的现场施工提供可视化指导。

图5  土工布+防水板

图6  3层衬砌防排水系统全貌

图7  双面自粘防水卷材

4. 拆解洞精细化设计及施工仿真

水下长大隧道建设过程中，由于工程、水文地质条件限制及隧道贯通工期要求，近年来多采用“两头两台盾构机相向掘进”或“一头钻爆一头盾构掘进”方案，盾构机掘进完成后均须面临吊装拆解及运出需求，以往项目均采用“暴力拆机”，设备残值损耗严重。项目提出1种“盾构机海域整体无损拆解”的技术方案，通过在水下设置大跨度拆解洞室实现超大直径泥水盾构机的无损整体拆解及吊运，解决了水下对接工况中超大直径盾构拆解困难大、拆解风险高、拆解残值低的难题。

基于BIM开展盾构拆解洞精细化设计，结合设计模型，建立施工现场环境模型、临时设施、施工设备等施工模型，对盾构机模型按施工组织计划进行拆分（见图8），模拟盾构机拆卸的全过程，对拆分部件进行路径运动规划，按路径移动，验证盾构机拆分路径是否合理，按不同移动路径进行仿真模拟（见图9、图10），对比各方案确定最佳的路径方案并校核设计的 拆解井空间等问题。通过 BIM 对拆解洞施工全流程进 行仿真模拟，提升了高风险严苛海域环境下的超大直 径泥水平衡盾构整体无损拆解及洞室运营质量，实现：

（ 1 ） 海底超大断面拆解洞室的开挖支护工序组织； （ 2 ）有限空间条件下拆解吊装所需设施设备的施作安装； （ 3 ）超大直径泥水平衡常压换刀盾构机大尺寸、大重量构 件无损拆解及调运；（ 4 ）工法过渡段主体结构浇筑及背后 空腔充填工序衔接；（ 5 ）拆解洞室防灾救援设施设备施工 组织流程明确。在此项应用辅助下，为项目共计节约 1.5 亿投资。

图8  盾构机

图9 盾构机拆卸

图10  拆分部件运出

5. 风化深槽破碎断层带海面垂直注浆加固设计

由于隧道穿越的海域矿山段的地质体 F9 断层破碎 带有一段风化凹槽，需要通过海面垂直注浆加固封堵断 层破碎带与海水的连系通道，同时注浆在隧道周边形成 矩形封堵区域，提高围岩整体性和承载能力，改善围岩 物理力学性能，确保矿山法施工安全，提高活动断层区 域隧道抗震抗断能力。但是二维设计很难确定这段风化 凹槽与隧道的位置关系与距离，影响确定注浆加固方 案。针对 F9 断层破碎带的潜在风险，通过 BIM 设计， 直观确定风化凹槽与隧道的位置关系与距离 （见 图 11 ），直接优化注浆加固方案，提高设计施工质量， 降低风险。同时结合 BIM 设计最终确定了海面垂直注浆 设计方案：

（ 1 ）竖向加固范围：隧道结构顶外 2~20m 至隧道结构底，其中 DK161+135 — DK161+145 段竖向加 固范围为隧道结构顶外 4~20m 至隧道结构底。（ 2 ）横 向加固范围：隧道结构两侧外 2~10m 。（ 3 ）平面加固 范围为： ① 隧道右侧 DK161+095 — DK161+105 段 10 m 和隧道左侧 DK161+105 — DK161+115 段 10m 作为海面 注浆加固试验区。 ② 隧道右侧 DK161+105 — DK161+140 段 35m 和隧道左侧 DK161+115 — DK161+145 段 30m 为 风化深槽重点加固区域（见图 12 ）。

图11 风化深槽与隧道结构

图12 海面垂直注浆加固

6. 盾构管片健康监测布线方案比选

隧道结构健康监测是指运用各种现代化监测技 术，对隧道结构全生命周期的运营环境、荷载输入、 结构力学状态指标及响应参数进行实时、连续监测， 并以一定的策略和技术手段对监测数据进行存储、分 析，进而对隧道整体运营状况进行判断、指导隧道的 管养决策。鉴于汕头湾海底隧道是目前我国较少的速 度 350 km/h 超大直径跨海隧道，地质条件复杂，建设 标准高，隧道工期紧张，工程技术难度非常大，因此 健康监测是确保其施工、运营安全的必要手段。利用 达索平台 Catia 建模，设计了 3 种盾构管片监测布线方 案。方案 1 ：内防水层位置外移，原内防水槽布线见 图 13 （ a ）；方案 2 ：内防水槽布线，增强其余部分防 水见图 13 （ b ）；方案 3 ：线路通过管片内预埋管引至 靠近环缝处，仅在靠近纵缝处预埋槽钢连接管片内预 埋管，在槽钢穿过纵缝后再次进入完全置于管片内部 的预埋管见图 13 （ c ）。最终通过 BIM 技术对盾构管片 健康监测布线方案进行比选，施工现场采用预埋管穿 入管片钢筋笼的方案进行健康监测布线（见图 14 、 图 15 ） 。

图13  3种方案

图14 现场预埋管

图15 现场预埋管穿入管片钢筋笼

为进一步探究复杂地质条件下海底隧道的BIM技术应用，依托汕头湾海底隧道，从6个BIM创新应用点进行阐述，包括盾构隧道管片参数化排布、管片钢筋精细化设计、海域段3层衬砌防排水系统精细化设计、拆解洞精细化设计及施工仿真、风化深槽破碎断层带海面垂直注浆加固设计、盾构管片健康监测布线方案比选，可为类似工程BIM研究及深化应用提供借鉴，得到以下结论与展望：

（1） 基于BIM技术的考虑局部块体预埋槽道的盾构隧道管片参数化排布程序能良好地拟合直线段和曲线段的管片排布情况，极大提高盾构隧道BIM设计效率与精准度，通过设计施工一体化应用，产生了良好的经济效益。

（2）BIM应用应以实际需求为导向，充分融入到设计及施工流程中，运用BIM的可视化特点，对于盾构管片钢筋、3层衬砌防排水体系、拆解洞等特殊复杂结构，以及风化深槽破碎断层带与隧道的空间位置等复杂空间关系，可以解决传统二维设计比选方案、确定方案、优化设计等方面的难题，同时提高施工质量，降低安全风险。

（3） 从长远来看，随着高标准高风险隧道的增多，安全管理方面将面临各类复杂的风险源，结合BIM技术，建立完善的设计、施工、运维一体化系统，真正做到全生命周期的智能化、信息化、数字化，迎合“智能交通”的发展趋势。