BIM技术在汕头湾海底隧道的创新应用.pdf

2023年第4期经典案例经典案例BIM技术在汕头湾海底隧道的创新应用刘超，王凌云（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300308）摘要：针对汕头湾海底隧道地质构造复杂、海水压力等级高、施工工法类型多、超大直径盾构等难点，在对汕头湾海底隧道进行BIM设计的基础上，重点从盾构隧道管片参数化排布、管片钢筋精细化设计、海域段三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6个方面开展了BIM专项应用，解决了设计优化、方案比选和关键技术创新等问题，实现参数化、精细化、可视化的设计施工一体化应用。可为类似工程BIM研究及深化应用提供参考。关键词：BIM；海底隧道；复杂地质条件；超大直径盾构；设计施工一体化中图分类号：U459.5 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2023）04-0110-07DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2023.04.06.0010 引言建筑信息模型（BIM）是以三维数字技术为基础，集成项目各种工程信息的数据模型1-2，能够解决项目不同阶段、不同参与方、不同应用软件之间的信息结构化组织管理和信息交换共享3。BIM技术在国内外建筑工程领域的应用较为成熟，但在铁路工程领域的应用还处于探索、发展阶段4。目前，针对海底隧道的BIM技术应用研究开展较少。在上海虹梅南路越江隧道工程中，张天雨5利用BIM技术对隧道应急逃生救援方案进行了BIM建模及方案优化；姜南岸6以大连湾海底隧道为依托，运用Civil 3D快速搭建模型，完成 精 确 工 程 量 统 计、批 量 横 断 面 生 成 等 应 用；刘建等7以大连湾海底隧道工程各类复杂工艺为重点研究对象，利用BIM可视化的特点开展进度模拟、工艺推演等相关应用；安镜如等8结合BIM技术和大数据，并借助Python语言及三维网页展示技术开发了海底隧道运维管理系统。综上所述，BIM技术在复杂地质超大直径盾构隧道的应用尚处于探索阶段，有必要进一步深入开展相关研究。以汕头湾海底隧道为例，利用BIM技术进行设计优化和设计施工一体化应用，以期对类似工程BIM研究及深化应用提供参考。1 工程概况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基金项目：中 国 铁 路 设 计 集 团 有 限 公 司 科 研 重 点 课 题（2022A02480006）第一作者：刘超（1992），女，工程师。E-mail：1102023年第4期经典案例经典案例区境内，全长9 781 m，最大埋深180 m，是汕头汕尾铁路全线控制性工程，按照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14.57 m，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（5 636 m）、海域矿山法隧道（1 086 m）、海域矿 山 法+盾 构 空 推 法 隧 道（40 m）、盾 构 法 隧 道（2 129 m）、明挖法隧道（890 m），并于陆域设1#斜井（838 m）和2#斜井（1 116 m）2座辅助坑道，明挖段设施工竖井（h=27 m）1座。该隧道位于度地震区，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0.985 MPa，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）。2 海底隧道BIM创新应用2.1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。2.2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）。2.3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，针对海底隧图2考虑预埋槽道布置的盾构隧道参数化BIM模型海底隧道设计施工重难点超大盾构直径应用点1：盾构隧道管片参数化排布应用点2：盾构管片钢筋精细化设计海域段隧底超高水压力应用点3：海域段三层衬砌防排水系统精细化设计超大直径盾构拆解困难大、拆解风险高、拆解残值低应用点4：拆解洞精细化设计及施工仿真地质条件极其复杂，活动断层带多应用点5：风化深槽破碎断层带海面垂直注浆加固设计建设标准高，工期紧张，确保施工、运营安全应用点6：盾构管片健康监测布线方案比选图1汕头湾海底隧道设计施工重难点及应用图3管片钢筋BIM模型1112023年第4期经典案例经典案例道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。2.4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图4现场管片预制件图7双面自粘防水卷材图5土工布+防水板图63层衬砌防排水系统全貌1122023年第4期经典案例经典案例拆解井空间等问题。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。2.5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220 m至隧道结构底，其中DK161+135DK161+145段竖向加固范围为隧道结构顶外420 m至隧道结构底。（2）横向加固范围：隧道结构两侧外210 m。（3）平面加固范围为：隧道右侧 DK161+095DK161+105 段 10 m和隧道左侧DK161+105DK161+115段10 m作为海面注浆加固试验区。隧道右侧DK161+105DK161+140段35 m和隧道左侧DK161+115DK161+145段30 m为风化深槽重点加固区域（见图12）。2.6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（a）刀盘（b）主驱动图8盾构机图9盾构机拆卸图10拆分部件运出1132023年第4期经典案例经典案例图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）。3 结论与展望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（a）横断面（b）纵断面图11风化深槽与隧道结构（a）方案1（b）方案2（c）方案3图133种方案（a）小里程侧（b）大里程侧图12海面垂直注浆加固1142023年第4期经典案例经典案例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。参考文献1 纪博雅，戚振强.国内BIM技术研究现状 J.科技管理研究，2015，35（6）：184-190.2 李云贵，邱奎宁，王永义.我国BIM技术研究与应用 J.铁路技术创新，2014（2）：36-41.3 张轩.基于Bentley 平台的铁路隧道BIM技术应用 研 究J.铁 道 标 准 设 计，2019，63（4）：107-111.4 林佳瑞，张建平.我国 BIM 政策发展现状综述及其文本分析J.施工技术，2018，47（6）：73-78.5 张天雨.BIM技术在虹梅南路越江隧道工程中的应用 J.城市住宅，2016，23（8）：24-27.6 姜南岸.Civil 3D建模解决方案在大连湾海底隧道工程中的应用实践 J.中国港湾建设，2020，40（8）：23-27.7 刘建，姜南岸.BIM在大连湾海底隧道工程复杂工艺中的应用 J.中国港湾建设，2020，40（7）：74-78.8 安镜如，潘盛山，闫东，等.基于BIM的海底隧道智慧运维管理研究 J.建筑经济，2022，43（3）：47-52.责任编辑 明芳收稿日期 2022-07-30图15现场预埋管穿入管片钢筋笼图14现场预埋管1152023年第4期经典案例经典案例Innovative Application of BIM Technology in Shantou Bay Undersea TunnelLIU Chao,WANG Lingyun(Civil Engineering Design Research Institute,China Railway Design Corporation,Tianjin 300308,China)Abstract:In view of the difficulties such as complex geological structure,high seawater pressure level,various types of construction methods and super-large diameter shield of Shantou Bay Undersea Tunnel,on the basis of BIM design for the whole Shantou Bay Undersea Tunnel,special BIM applications are carried out from six aspects:parametric arrangement of shield tunnel segments,refined design of segment reinforcement,refined design of three-layer lining waterproofing and drainage system in sea areas,fine design and construction simulation of tunnel disassembly,vertical grouting reinforcement design on the sea surface of fracture fault zone of weathered deep groove,and comparison and selection of shield segment health monitoring wiring schemes.It solves the problems of design optimization,scheme comparison and selection and key technology innovation,and realizes the integrated design and construction of parametric,refined and visualized application.It can provide references for BIM research and further application in similar projects.Keywords:BIM;undersea tunnel;complex geological conditions;super-large diameter shield;integrated design and construction116