基于BIM的地鐵橫通道內(nèi)盾構(gòu)主機平移技術(shù)

蔡志勇 吳華州 鄭愛元

1.北京市政建設(shè)集團有限責(zé)任公司，北京100089；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044；3.深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳518026

盾構(gòu)法施工由于具有對周圍環(huán)境影響小、施工效率高、安全等優(yōu)點，在我國城市地鐵工程修建中被大量應(yīng)用。隨著我國城市軌道交通建設(shè)日益完善，城市中可為盾構(gòu)始發(fā)提供的場地越來越少，盾構(gòu)需要平移通過一定長度的暗挖橫通道才能到達指定的始發(fā)位置。本文運用BIM 技術(shù)對暗挖橫通道內(nèi)盾構(gòu)主機平移進行模擬，將平移過程可視化，針對平移中可能出現(xiàn)的問題進行改進，最終選用合理的平移方案。

李震［1］介紹了一種盾構(gòu)機分體平移過站的施工技術(shù)，保證了盾構(gòu)機在場地受限條件下的順利始發(fā)。李艷輝［2］采用盾構(gòu)空推技術(shù)和盾構(gòu)曲線始發(fā)技術(shù)解決了無盾構(gòu)始發(fā)場地的難題。張士民［3］介紹了盾構(gòu)在弧形導(dǎo)臺上和平面軌道上空推技術(shù)，以及鋼板接觸移動法和滾珠轉(zhuǎn)盤移動法平移施工技術(shù)。常建軍［4］采用BIM技術(shù)對天津地鐵6號線某盾構(gòu)區(qū)間施工進行了仿真模擬，提前發(fā)現(xiàn)并解決了施工中出現(xiàn)的問題。劉一鳴、廖志剛等［5-6］介紹了BIM 技術(shù)在基坑工程設(shè)計和監(jiān)測管理中的應(yīng)用。陳卓等［7］針對成都地鐵某工程運用了BIM 技術(shù)，通過構(gòu)建施工模型和運用基于BIM 的施工管理程序，提高了項目管理能力。李海生等［8］依托昌平線地鐵南延工程，將BIM 技術(shù)應(yīng)用于施工現(xiàn)場的布置、進度管理、三維技術(shù)交底等方面，實現(xiàn)了BIM 在大型地鐵施工中的應(yīng)用。

本文依托北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區(qū)間左線盾構(gòu)施工，應(yīng)用BIM 技術(shù)分析暗挖橫通道內(nèi)盾構(gòu)主機平移問題，尋求合理的平移方案。

1 工程概況

北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區(qū)間位于北京市朝陽區(qū)朝陽公園南路及姚家園路，線路西端緊鄰朝陽公園南門，中部下穿兩湖連通渠及東四環(huán)朝陽公園橋，東端為泛海國際居住區(qū)及石佛營西里小區(qū)。地表環(huán)境以道路為主，線路兩側(cè)還分布有麗水嘉園小區(qū)、公園大道小區(qū)、郡王府、樂視大廈、觀湖國際大廈等。地面標高34.86～36.94 m，地勢較平坦，人口和建筑物均相對密集，地表交通流量很大，地下市政管線密集。擬建工程位置如圖1所示。

圖1 擬建工程位置示意

本區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，由于受始發(fā)場地限制，盾構(gòu)主機需要平移通過暗挖橫通道進行分體始發(fā)。盾構(gòu)始發(fā)橫通道平面如圖2所示。施工中采用中交天和機械設(shè)備制造有限公司制造的土壓平衡盾構(gòu)機，刀盤直徑為6.56 m，盾構(gòu)主機長9.42 m，后配套臺車最長為7.5 m。盾構(gòu)主機以始發(fā)基座為平移平臺，將盾構(gòu)主機與始發(fā)基座焊接為一個整體，使用千斤頂作為縱向和橫向的頂推裝置，在暗挖橫通道內(nèi)通過盾構(gòu)滑軌將盾構(gòu)主機空推至盾構(gòu)始發(fā)段隧道的始發(fā)位置，后配套臺車借助電瓶車通過鋪設(shè)的臺車軌道整體拖運至暗挖橫通道的始發(fā)位置，盾構(gòu)主機與后配套臺車之間通過加長管線連接來進行分體始發(fā)。其中難點在于盾構(gòu)主機如何從暗挖橫通道轉(zhuǎn)向始發(fā)段隧道。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)橫通道平面示意（單位：mm）

2 方案設(shè)計

首先根據(jù)CAD 圖紙通過Revit 軟件創(chuàng)建暗挖橫通道模型（圖3）和盾構(gòu)機模型，在CAD 軟件中通過幾何分析確定盾構(gòu)主機的移動軌跡，然后通過Naviswork軟件進行模擬。

圖3 暗挖橫通道Revit模型

盾構(gòu)機的移動軌跡通過盾構(gòu)主機形心的移動軌跡確定，本文重點研究盾構(gòu)主機如何從橫通道轉(zhuǎn)向盾構(gòu)始發(fā)段隧道。盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)彎處軌跡如圖4所示。其中黃色陰影部分為盾構(gòu)主機的移動軌跡；L1為盾構(gòu)主機形心與橫通道軸線的間距；L2為盾構(gòu)主機形心與始發(fā)段隧道軸線的間距；R為盾構(gòu)主機在轉(zhuǎn)彎處的轉(zhuǎn)彎半徑；D1、D2、D3分別為盾構(gòu)主機尾部、中部、頭部與隧道襯砌的最小間距，是方案中應(yīng)控制的三個關(guān)鍵點。

圖4 盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)彎處軌跡示意

方案主要考慮了L1、L2、R三個參數(shù)。其中L1取 0、100、200 mm 分別對應(yīng)水平 1、2、3；L2取 0、100、200、300、400 mm分別對應(yīng)水平1、2、3、4、5；R取10.0、9.5、9.0、8.5、8.0、7.5、7.0、6.5、6.0、5.5 m 分別對應(yīng)水平1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。

3 討論與分析

本文討論了150種方案，見表1。定義盾構(gòu)機與隧道襯砌不發(fā)生碰撞為可行方案；盾構(gòu)機與隧道襯砌的間距都大于100 mm 為合理方案。盾構(gòu)機與隧道襯砌發(fā)生碰撞為不可行方案。在150 種方案中，可行的方案有93 種，其中有48 種合理方案；不可行方案有57種。通過分析，最終選用L1= 200 mm，L2= 200 mm，R=8.0 m 的方案作為暗挖橫通道內(nèi)盾構(gòu)主機平移的施工方案。

表1 方案結(jié)果匯總

3.1 可行方案

分析可行方案中一種合理的情況：L1= 200 mm，L2= 200 mm，R= 8.0 m。該情況下，盾構(gòu)主機與橫通道襯砌的間距上側(cè)為505 mm，下側(cè)為905 mm，與始發(fā)段隧道襯砌的間距左側(cè)為1 305 mm，右側(cè)為905 mm。盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)動12°21′尾部與橫通道襯砌的最小間距為161 mm；轉(zhuǎn)動19°40′中部與橫通道襯砌的最小間距為245 mm；轉(zhuǎn)動47°34′頭部與橫通道襯砌的最小間距為158 mm。在Naviswork 中模擬施工，盾構(gòu)主機尾部、中部、頭部與橫通道襯砌的間距如圖5 所示。綜合分析表明該方案是可行并且合理的。

圖5 盾構(gòu)主機間距示意

3.2 不可行方案

3.2.1 盾構(gòu)主機頭部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞

盾構(gòu)主機頭部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞的情況共有13 種，現(xiàn)分析其中一種：L1=200 mm，L2= 400 mm，R=9.5 m。該情況下，盾構(gòu)主機與橫通道襯砌的間距上側(cè)為505 mm，下側(cè)為905 mm，與始發(fā)段隧道襯砌的間距左側(cè)為1 505 mm，右側(cè)為705 mm。盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)動13°38′尾部與橫通道襯砌的最小間距為156 mm；轉(zhuǎn)動20°33′中部與橫通道襯砌的最小間距為118 mm；轉(zhuǎn)動44°49′頭部與橫通道襯砌開始碰撞；轉(zhuǎn)動47°50′頭部與橫通道襯砌結(jié)束碰撞，最深碰撞長度上側(cè)為697 mm，下側(cè)為88 mm。在Naviswork 中模擬施工盾構(gòu)主機頭部與橫通道襯砌碰撞，見圖6。

圖6 盾構(gòu)主機頭部碰撞示意

3.2.2 盾構(gòu)主機中部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞

盾構(gòu)主機中部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞的情況共有7種，現(xiàn)分析其中一種：L1=200 mm，L2=100 mm，R=10.0 m。該情況下，盾構(gòu)主機與橫通道襯砌的間距上側(cè)為505 mm，下側(cè)為905 mm，與始發(fā)段隧道襯砌的間距左側(cè)為1 205 mm，右側(cè)為1 005 mm。盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)動15°43′時尾部與橫通道襯砌的最小間距為127 mm；轉(zhuǎn)動14°57′時中部與橫通道襯砌開始碰撞；轉(zhuǎn)動33°18′中部與橫通道襯砌結(jié)束碰撞，最深碰撞長度左側(cè)為211 mm，右側(cè)為147 mm；轉(zhuǎn)動44°53′頭部與橫通道襯砌的最小間距為237 mm。在Naviswork 中模擬施工盾構(gòu)主機中部與橫通道襯砌碰撞，見圖7。

圖7 盾構(gòu)主機中部碰撞示意

3.2.3 盾構(gòu)主機尾部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞

盾構(gòu)主機尾部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞的情況共有27 種，現(xiàn)分析其中一種：L1= 0 mm，L2= 0 mm，R=8.0 m。該情況下，盾構(gòu)主機與橫通道襯砌的間距上側(cè)為705 mm，下側(cè)為705 mm，與始發(fā)段隧道襯砌的間距左側(cè)為1 105 mm，右側(cè)為1 105 mm。盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)動11°20′時尾部與橫通道襯砌開始碰撞；轉(zhuǎn)動13°59′時尾部與橫通道襯砌結(jié)束碰撞，最深碰撞長度上側(cè)為534 mm，下側(cè)為95 mm；轉(zhuǎn)動24°47′中部與橫通道襯砌的最小間距為299 mm；轉(zhuǎn)動48°56′頭部與橫通道襯砌的最小間距為420 mm。在Naviswork 中模擬施工盾構(gòu)主機尾部與橫通道襯砌碰撞，見圖8。

圖8 盾構(gòu)主機尾部碰撞示意

3.2.4 盾構(gòu)主機尾部、頭部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞

盾構(gòu)主機尾部、頭部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞的情況共有5 種，分析其中一種：L1= 0 mm，L2= 400 mm，R=9.0 m。該情況下，盾構(gòu)主機與橫通道襯砌的間距上側(cè)為705 mm，下側(cè)為705 mm；與始發(fā)段隧道襯砌的間距左側(cè)為1 505 mm，右側(cè)為705 mm。盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)動11°51′時尾部與橫通道襯砌開始碰撞；轉(zhuǎn)動13°22′時尾部與橫通道襯砌結(jié)束碰撞，最深碰撞長度上側(cè)為335 mm，下側(cè)為49 mm；轉(zhuǎn)動21°26′中部與橫通道襯砌的最小間距為333 mm；轉(zhuǎn)動46°32′頭部與橫通道襯砌開始碰撞，轉(zhuǎn)動48°9′結(jié)束碰撞，最深碰撞長度上側(cè)為354 mm，下側(cè)為56 mm。

3.2.5 盾構(gòu)主機中部、尾部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞

盾構(gòu)主機中部、尾部與橫通道襯砌發(fā)生碰撞的情況只有1種：L1=0 mm，L2=0 mm，R=10.0 m。該情況下，盾構(gòu)主機與橫通道襯砌的間距上側(cè)為705 mm，下側(cè)為705 mm，與始發(fā)段隧道襯砌的間距左側(cè)為1 105 mm，右側(cè)為1 105 mm。盾構(gòu)主機轉(zhuǎn)動12°31′時尾部與橫通道襯砌開始碰撞；轉(zhuǎn)動16°43′時尾部與橫通道襯砌結(jié)束碰撞，最深長度上側(cè)為1 003 mm，下側(cè)為87 mm；轉(zhuǎn)動24°33′中部與橫通道襯砌開始碰撞；轉(zhuǎn)動28°37′中部與橫通道襯砌結(jié)束碰撞，最深碰撞長度左側(cè)為9 mm，右側(cè)為8 mm；轉(zhuǎn)動45°59′頭部與橫通道襯砌的最小間距為362 mm。

4 結(jié)語

本文依托北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區(qū)間工程，應(yīng)用BIM 技術(shù)對暗挖橫通道內(nèi)盾構(gòu)主機平移進行模擬，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的可視化特性，進行施工碰撞檢查，采取針對性的改進措施。最終選用的施工方案中，盾構(gòu)主機形心與橫通道軸線的間距為200 mm，盾構(gòu)主機形心與始發(fā)段隧道軸線的間距為200 mm，盾構(gòu)主機在轉(zhuǎn)彎處的轉(zhuǎn)彎半徑為8.0 m。該方案在保證盾構(gòu)平移安全的情況下提高了效率。