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    BIM在高速公路隧道施工中的應用技術
    2023-01-16  

      董國杰 楊燾昀 朱道富中國二冶集團有限公司

      摘 要:本文主要闡述了在定臨高速公路施工中運用BIM技術輔助隧道施工,主要研究隧道開挖支護,進行設計復核、土方量測算、工序模擬、進度模擬、可視化技術交底和成本管理等,提高工作效率,確保工程質量。

      關鍵詞:BIM技術;工序模擬;進度模擬;設計復核;可視化技術交底;

      1 工程概況

      定西至臨洮高速公路工程建設項目胡麻嶺隧道設計為一座左、右線分離的高速公路雙洞長隧道。隧道設計進口為定西端、出口為臨洮端。隧址區位于定西市臨洮縣漫洼鄉,定西端洞口位于定臨二級公路堡子梁隧道入口處,臨洮端洞口布設于韭菜溝社,省道S311從胡麻嶺隧道定西端洞口上方穿過。左線隧道起止樁號為ZK21+000-ZK22+658,長1658m;隧道平面位于R=2000曲線上,縱坡為2.2%。右線隧道起止樁號為YK21+030-YK22+662,長1632m;隧道平面位于R=2300曲線上,縱坡為2.2%。隧道最大埋深約140m。

      

      根據勘察資料,公路隧道上方以第四系風積成因黃土、沖洪積成因粉細砂所覆蓋,下部基巖為新近組臨夏系泥巖、石膏、鈣質膠結層、泥質砂巖、疏松砂巖及砂礫巖。具體巖性特征如下:

      (1)粉細砂(Q4(al+pl)):棕紅色,稍密,濕,土質不勻,局部夾少量黏性土、礫石,該層主要分布于溝谷表層,揭示層厚約1.7~3m,平均層厚2.35m,平均標貫擊數N=9擊。

      (2)黃土(Q3eol):灰黃色,稍濕,稍密~中密,土質均勻,以粉土為主,垂直節理發育,可見針狀孔隙,表層含少量植物根系,該層廣泛分布于山頂表層,具II級自重濕陷性。本次勘察揭示層厚約6.7m,平均標貫擊數N=5~11擊。

      (3)強風化泥巖(N21):棕紅色,泥質結構,薄層狀構造,巖芯呈土柱狀,巖質較軟,遇水易軟化,干燥易崩解,揭示層厚約3~5.3m,平均層厚4.15m,平均標貫擊數N=21~24擊。

      (4)中風化泥巖(N21):棕紅色,泥質結構,薄層狀構造,巖芯呈土柱狀或碎塊狀,巖質較軟,遇水易軟化,干燥易崩解,本次勘察在垂直鉆孔有兩次揭示,未揭示穿,平均標貫擊數N=43~88擊。石膏(N21):灰白色夾紫紅色,塊狀構造,節理裂隙發育,巖芯呈短柱狀,強度不高,該層位于(7)-1-1層與(7)-3-3層之間,揭示厚度約2.1m。

      (5)疏松砂巖(N21):紅褐色夾灰白色,砂質結構,層狀構造,泥質膠結,膠結性較差,巖芯多呈碎土狀或碎塊狀,偶見鈣質膠結層,碎塊手捏易碎,揭示層厚19.2~24.9m,平均層厚22.05m,平均動探擊數N=83~170擊。

      (6)中風化泥質砂巖(N21):棕紅色,砂質結構,層狀構造,泥質膠結,膠結性較好,巖芯呈柱狀,節長8~35cm,錘擊易碎,偶見鈣質膠結層,上部分布一層石膏,層厚約2.1m,該層揭示層厚約10.7~19.9m,平均層厚15.3m,平均動探擊數N=50~100擊。

      (7)中風化砂礫巖(N21):棕紅色,砂礫質結構,層狀構造,泥質膠結,膠結性一般,巖芯多呈碎塊狀或柱狀,節長5~60cm,巖質強度不高,錘擊易碎。該層呈層狀分布,揭示層厚約3.7~7.3m,平均層厚4.9m。

      2 隧道工程設計基本參數及要求

      (1)道路等級:高速公路;

      (2)隧道凈寬:10.25m(0.75+0.5+2×3.75+0.75+0.75) m;

      (3)隧道凈空:≥5.0m;

      (4)隧道縱坡:2.2%;

      (5)平面曲線:R=2000~2300m;

      (6)隧道建筑限界:凈寬10.25m;凈高5.0m;

      (7)設計車速:60km/h;

      (8)車行橫洞凈空:5m(高)×4.5m(寬);

      (9)人行橫洞建筑界限:凈寬2.0m;凈高2.5m;

      (10)緊急停車帶:凈寬13.25m、凈高5m;

      (11)隧道抗震設防烈度:VII度;

      (12)設計荷載:公路-Ⅰ級;

      (13)隧道內路面:復合路面(水泥混凝土路面加瀝青面層)。

      3 隧道施工BIM技術應用3.1 BIM技術進行設計復核

      利用地質勘探無人機進行胡麻嶺隧道地理信息進行采集,結合BIM技術進行隧道模型創建,通過創建模型碰撞進行設計復核,包括土方量的核算,工序結合的精準定位。經過模型碰撞可以看出設計的不合理性,可以提出更優化設計方案,便于施工的順利進行,可以減少因設計的不合理而造成的成本增加。大大減少因設計變更造成的工期延誤,確保工程的施工進度按著節點計劃完成。對隧道進行建模,對工程預知進行判斷,通過構建管道進行碰撞找出盲區。

      3.2 可視化三維技術交底

      通過模型創建,動畫渲染,進行三級技術交底,可視化三維結合工序模擬使得作業班組更清晰,更全面的,更簡易的了解施工中的重點施工工藝。施工過程中更便于現場技術管理人員,對于施工的質量、進度、安全的管控??梢岳肰R技術的運用,使得每一位作業人員,融入施工過程,更容易掌握施工的關鍵工序,和操作重點,保證工程質量。

      3.3 隧道開挖支護

      隧道開挖支護是確保隧道施工的最首要的工作,順利的開挖,有效地進行安全支護尤其關鍵,通過BIM模型創建,結合圖紙設計對隧道的超前支護進行有效地碰撞,精確錨桿布置間距,防止因拱形骨架與錨桿的沖突,而造成的錨桿的間距不合理,造成受力不均勻,引起應力集中。通過BIM模型進行超前支護的模擬,對超前支護的合理性進行分析,結合地質雷達對超前支護進行安全預警,確保隧道施工人員的安全。

      3.4 4D可視化施工進度模擬

      通過相關應用軟件結合施工進度信息及靜態的3D擬合得到4D動態施工進程模型,能更好、直觀的呈現出整個項目施工動態進程,從而項目管理人員通過對施工進程、資源調配、成本分析等在三維可視化環境下,進行場地信息化、集成化和可視化管理,能有效地在縮短工期的前提下降低施工成本。

      3.5 質量檢驗標準3.5.1 隧道開挖檢查驗收標準

      隧道開挖將破壞原有地層應力相對平衡狀態,造成地層應力釋放,隧道圍巖變形。不同圍巖的等級在開挖過程中受到的影響程度不同,圍巖等級越高,在開挖后自穩能力越差,受開挖影響變形越嚴重。時刻監測隧道開挖相關變形參數對隧道的安全施工起到較好防護措施。施工單位應嚴格按照相關規范標準進行文明施工,隧道開挖后應及時進行相應驗收檢測,隧道開挖后驗收應符合相關規范,對工程項目實體洞身進行評定規范見表1。

      表1 洞身開挖檢驗評定表 下載原圖

      

      3.5.2 隧道噴射混凝土檢查驗收標準

      隧道開挖后初期支護來自于噴射混凝土,混凝土的強度對隧道圍巖初期變形的控制起到一定的控制作用。對于初期支護彭色混凝土應該滿足相關規范規定:一般應采用大板切割法切取混凝土試樣測試;在不具備切割條件時,可以模擬隧道噴射方向對模具為邊長150mm的立方體無底試模進行噴射混凝土,并進行為期28 d標準養護,進行測試。對檢查過程中任對噴射混凝土強度產生懷疑,可進行噴射點隨機鉆心采樣進行單軸抗壓試驗。

      3.5.3 隧道錨桿施工檢查驗收標準

      錨桿作為巖土體自身加固措施的一種有效支護方式,不同的錨桿其作用的具體地層不同。錨桿的性能決定了其適用范圍及作用機理,在工程實際施工過程中,錨桿使用前必須經過嚴格的相關性能指標(屈服強度、抗拉強度、伸長率和冷彎試驗)檢測,應用與工程實體的錨桿要達到國家相關規范標準。工程實體檢測錨桿評定表如表2。

      3.5.4 隧道鋼筋網施工檢查驗收標準

      工程中鋼筋作為工程實體主要沉重的構建的重要組成部分,其物理力學性能是實體工程的安全的重要影響因素。鋼筋在進場檢測時,必須有針對性對鋼筋生產廠商的生產許可證。鋼筋本身的物理力學性能進行全面檢測,檢測試樣的隨機抽取規格要符合國家相關檢測標準,對于物理力學性能應不低于國家檢測標準。針對工程實體鋼筋網的檢驗標準應符合表3。

      表2 錨桿支護檢驗評定表 下載原圖

      

      表3 鋼筋網檢驗評定表 下載原圖

      

      3.5.5 鋼拱架檢查驗收標準

      鋼拱架與鋼筋網、錨桿、混凝土等連接形成穩定的支護結構,作為不可重復利用隧道后期穩定的主要承重構件,是隧道后期安全的主要檢測部位。作為安全因素控制的主要材料之一,其材料的檢驗標準類似于鋼筋的檢驗,鋼拱架的經常除了廠商生產許可證外,對鋼拱架自身物理力學性能(屈服強度、抗拉強度和伸長率)工藝性能(冷彎)試驗在抽檢數量達到要求的情況下,滿足物理力學性能指標?,F場鋼拱架的實施及檢測標準應符合表4規定。

      表4 鋼架支撐檢驗評定表 下載原圖

      

      4 質量控制措施

      (1)在進入孔洞之前,應關閉并重新測試由精密測量隊交付的控制樁和找平點樁,然后釋放孔洞的入口管線。主樁尖必須由樁保護。每個孔都應有一個由三個以上投資點組成的基準網絡,這些投資點應置于孔的中心線內;開口處應放置兩個以上的基準點或延伸基準點,并相應地設置孔的高度。長隧道應配備精密測量儀器和熟練的操作員,并且每個延伸測量都應配備封閉裝置,以確保隧道的中心線和水平線均在允許的誤差范圍內。

      (2)根據圍巖類別和設計要求,應優先考慮螺栓,噴射混凝土和鋼框架的組合支撐。先進的支架采用先進的長管棚,先進的錨桿和小型注漿導管等方法。確保軟弱的圍巖的穩定性。

      (3)根據不同的地質條件采用不同的開挖隧道方法。當地質條件較差時使用部分開挖和支護,在惡劣情況下使用預先支護或預加固細分進行開挖。

      (4)安裝錨桿時,錨桿長度要符合設計要求,錨桿的方向垂直于巖石層。錨桿施工一段時間后,應及時進行軸向力和拉拔試驗,以獲得相關參數。

      (5)根據地質情況合理選擇支撐類型。對于不利的地質情況,選擇鋼支撐和格柵鋼框架,選擇正確的支撐間距和混凝土保護層,以確保有效支撐大地壓和圍巖偏壓力等不良地質條件。

      (6)開挖采用光面爆破技術,以減少開挖不足。合理選擇噴砂參數,嚴格按照孔眼鉆,鉆孔,裝料,斷面和連接線的噴砂設計,噴砂效果符合《規范》的要求。

      (7)在入口處的土石方施工前后,都應安裝上下排水系統。邊坡和邊坡應從上至下開挖。當斜坡不穩定時,應使用噴錨加固。

      (8)防水板施工過程中,大坑要用立模填充混凝土,小坑要用混凝土或防水砂漿找平;防水板應首先檢查質量,檢測拉伸和彎曲指標,并確保底面清潔,干燥且無灰塵,然后按要求進行焊接和鋪設。

      (9)在混凝土端部施工過程中,堵塞模板的間隙,以防止漿液泄漏。在再次澆筑混凝土之前,應先對建筑混凝土表面進行鑿刻,沖洗并用止水帶粘貼,然后在澆筑混凝土之前涂上2cm的砂漿。

      (10)在垂直模板之前釋放隧道中心線,水平和模型位置。模型應牢固,模板應平坦。襯砌的厚度符合設計要求,側壁的底部穩定,沒有壓載物,碎屑和積水,并且混凝土被壓實。側壁的垂直接頭是垂直的,水平接頭平行于隧道軸線。

      5 結語

      本文主要講述了定臨高速公路中隧道施工技術的應用,全線施工可以運用BIM+GIS綜合管理平臺,建立一個全面的三維動態可視化集成平臺,滿足公路工程建設項目“點多線長結構復雜且與地形地貌結合緊密”的特點,從各個角度全面詮釋設計、進度、質量安全管理等工作內容,用直觀的方式快速表達工程建設的全過程。分層級、分段落,分多視角對工程的沖突,對建設實體實施關聯分析,達到對實施進度、質量、效率、安全的全面管理,并滿足業主管理、施工單位管理的不同層面的業務要求。公路建設工程項目隨著科學的發展,信息化技術不斷融入公路行業,解決公路工程建設的安全、質量、進度統一系統化管理,項目部可以創建BIM小組多點共同協作,將BIM技術不僅僅用于輔助公路工程施工,用于成本分析,進度、質量、安全管理。解決點多線長結構的復雜。

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