BIM技術在城市海底隧道施工過程優(yōu)化中的應用

許時穎

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

1 工程概況

廈門第二西通道(海滄隧道)工程是廈門市公路骨干網(wǎng)“兩環(huán)八射”的重要組成部分。路線全長7.1km，其中隧道長6.3km，跨海域寬度2.8km，總投資56.48億元。海滄隧道是以海底隧道形式穿越廈門西海域，進入本島后，再以隧道(暗挖+明挖)形式沿興湖路前行，最終與在建的第二東通道連接。主線設雙向六車道，采用一級公路設計標準，設計時速80km/h。

海滄海底隧道A2標段全長2 190m，總投資7.75億元，經(jīng)象嶼碼頭附近進入廈門本島后，沿湖里區(qū)興湖路前行，終于碧桂園啟航大廈處。

2 重難點分析

A2標段下穿的興湖路段處于灘涂回填區(qū)域，地質條件復雜，周邊環(huán)境敏感，為典型的臨海城市狹小空間下大斷面城市海底隧道，施工難題如下。

1)周圍環(huán)境復雜 項目位于廈門市本島，下穿的興湖路為城市主干道，周圍建筑物密集，為典型的城市海底隧道。

2)施工組織難度大 城市狹小地形條件下，臨建場地狹小，管線、交通組織運輸困難，協(xié)調難度大。且A2標段處于3個標段的中間位置，無法直接對主洞進行開挖，主線暗挖隧道采用服務隧道(如服務洞、斜井等)先行，再利用橫通道進入主洞進行開挖，多工作面同時施工，物流協(xié)調難度大。

3)技術含量高 項目涵蓋了鉆爆法施工的所有工法，且雙連拱隧道斷面具有跨度大、超淺埋、不對稱、變截面等特點，與明挖深基坑組成地下互通，施工技術難度高。

4)工期控制風險高 受鄰近建筑物(最近距離6m)、管線遷改、交通導改、不良地質、明挖深基坑、暗挖控爆等因素影響，工期進度風險控制高。

5)地質條件差 通過調閱廈門市地形、地貌等相關資料顯示，除300m明挖段(原設計)為原狀地形外，剩余段落多為淺灘回填區(qū)，地下水與海水連通，主線隧道多次穿越海底風化槽，地質條件極其復雜。

6)結構類型多 項目包含三車道主線暗挖隧道、世界最大斷面(總開挖面積達559.05m2)雙連拱隧道、小凈距隧道、明挖深基坑、豎井、斜井、風道、匝道等多種結構類型。

3 BIM應用策劃

3.1 BIM應用目標和規(guī)劃

針對項目施工重難點，制定項目BIM實施方案，明確BIM技術應用點、應用目標和BIM專項解決方案。

3.1.1應用目標

針對本工程特點，重點對施工組織復雜、施工技術難度大、施工風險高等幾方面問題開展BIM技術應用，輔助進行施工優(yōu)化和管控，解決項目施工難題，實現(xiàn)基于BIM技術優(yōu)化對項目質量、安全、進度的精細化管理。

3.1.2實施規(guī)劃

1)基礎模型及設備族庫搭建。

2)采用BIM+GIS技術，輔助臨建設計施工，并考慮永臨結合。

3)開展施工模擬，輔助施工組織策劃，結合工程特點輔助優(yōu)化總體施工組織設計及專項施工方案等。

4)構建工藝庫，對重點工序、關鍵工序進行可視化交底，提高施工質量，預判和控制風險源，減少安全隱患。

3.2 BIM組織架構

在項目組建階段成立BIM工作室，對BIM工作實行三級管理，如圖1所示。由集團公司數(shù)字建造中心牽頭，十八局一公司與項目部BIM工作室逐級落實，確保BIM工作開展實施有序、高效。

圖1 組織架構

3.3 軟硬件配置

1)硬件配置 項目部采購臺式機工作站3臺、筆記本工作站2臺，專業(yè)航測無人機1臺搭配高清傾斜攝影相機1臺。

2)軟件配置 根據(jù)項目特點，采用多平臺軟件開展BIM技術應用，主要軟件如表1所示。

表1 軟件配置

4 BIM專項解決方案

4.1 BIM輔助施工組織策劃

1)BIM+GIS進行施工場地布置 在廈門島內狹小地形中，項目部、施工場地和生活區(qū)均需進行臨時場地布置。采用Revit進行場布模型創(chuàng)建，并與通過無人機傾斜攝影創(chuàng)建的實景地形相結合，輔助規(guī)劃，最終實現(xiàn)服務洞工區(qū)在占地面積僅9 000m2的三角區(qū)域情況下，合理布置了大型鋼材加工廠、混凝土拌合站、二次倒運臨時棄渣場、服務隧道洞口、生活區(qū)等，實現(xiàn)了永臨結合，比傳統(tǒng)計劃占地面積縮減近1/2，有效解決了城市施工占地難題。部分大型臨建場布BIM+GIS應用效果如圖2所示。

圖2 基于BIM+GIS的大型臨建布置

此外，在臨建規(guī)劃過程中，考慮到后續(xù)加工廠、混凝土拌合站等大型臨建的建設，通過BIM+GIS結合，對服務洞洞口明挖段的開挖方式進行優(yōu)化，將放坡開挖優(yōu)化為樁基圍護結構蓋挖，解決廠區(qū)交通問題，為大型臨建建設提供便利。

2)BIM+GIS輔助明挖段交通導改 項目下穿的興湖路為雙向六車道城市主干道，常年車流量大，交通導改困難。通過BIM+GIS結合，創(chuàng)建施工圍擋區(qū)域模型和道路線性模型，并通過Fuzor對項目明挖段施工交通導改一期、二期進行全過程模擬，如圖3所示。通過合理占用道路及兩側綠化帶，增大利用空間，模擬導改全過程，實現(xiàn)了施工全程道路不封閉，大幅降低施工帶來的交通流量影響和壓力。

圖3 交通導改過程模擬

3)全標段施工進度模擬對比分析 A2標段全長2 190m，原設計主線隧道1 890m，明挖300m，根據(jù)項目特點，將標段劃分為明挖工區(qū)(緊鄰項目部)和服務洞工區(qū)(含豎井)2個工區(qū)組織施工。服務洞工區(qū)利用服務洞作為地質先導洞，通過繞行通道打開主線隧道開挖；明挖工區(qū)先進行開挖，再通過工作井與服務洞工區(qū)對打。

通過Fuzor對全標段施工進度進行模擬，推算出原設計的施工工期需48個月(實際設計工期42個月)，其中受征地拆遷、管線遷改、交通導改等因素影響的工期延遲明顯。如300m明挖段緊鄰廣本盛元4S店，離明挖基坑不足2.3m，導致明挖基坑4S店側沒有施工便道；受征地拆遷的影響范圍約160m，至2018年底才完成拆遷，影響總進度8個月等。經(jīng)進度模擬分析后，提出將明挖工區(qū)300m明挖優(yōu)化為160m雙連拱隧道+140m明挖，同時利用服務洞工區(qū)的服務隧道超前施工，通過橫通道增設工作面，實現(xiàn)長隧短打，加快施工進度；160m暗挖段也增開兩條洞內橫通道，實現(xiàn)中導洞開挖與中隔墻同步施工，為后續(xù)主洞開挖創(chuàng)造條件。通過Fuzor對全標段的施工進度進行第2輪模擬分析，推算出方案變更后，工期可節(jié)省8個月。全標段施工進度模擬如圖4所示。

圖4 全標段施工進度模擬

4.2 BIM輔助控制性工程方案優(yōu)化

4.2.1300m明挖段方案優(yōu)化

1)基于BIM的施工方案模擬 通過Fuzor對300m明挖段施工方案和160m雙連拱隧道+140m明挖深基坑施工方案進行施工模擬，驗證方案優(yōu)化的可行性，如圖5所示。同時模擬分析兩種施工方案的工期進度，推算出方案變更后，暗挖開挖可以提前8個月進行開挖作業(yè)，工期節(jié)約240d。經(jīng)多位專家論證后，一致通過重大方案變更，單項變更造價達1億元。變更后，在增設1組開挖班組及相應機械設備的情況下，變更部分的工程總造價略有減少，節(jié)約原材料420萬元、施工成本2 000萬元。

圖5 施工方案模擬

2)基于BIM的地質分析 對變更方案區(qū)段進行詳細地質補勘，根據(jù)補勘情況，采用Geostation進行地質和超前地質預報建模。從地質模型中可直觀看出擬變更160m雙連拱區(qū)段地質條件較好，進一步確定了明挖方案改暗挖方案的可行性，確定暗挖結構為雙連拱隧道。

3)基于BIM的施工方案數(shù)值分析 將隧道BIM模型與力學分析相結合，利用FLAC 3D進行變更后暗挖隧道開挖過程穩(wěn)定性分析，檢驗地層及設計襯砌類型的承載能力。從分析結果中可以看出，優(yōu)化后的暗挖方案雖然超淺埋、大跨度，但按照合理的分部開挖順序，地表及周圍建筑物的下沉及變形量都在可控范圍內。

4.2.2雙連拱隧道開挖方案優(yōu)化

本項目160m雙連拱隧道具有超淺埋、超大斷面、變截面、不對稱等特點，是目前世界最大斷面的雙連拱隧道，施工組織難度和技術難度大。采用Cinema 4D，F(xiàn)uzor和3D Max模擬隧道開挖工法，對開挖方案進行優(yōu)化。

1)BIM模擬雙連拱隧道傳統(tǒng)開挖工法 采用Cinema 4D進行傳統(tǒng)開挖工法模擬，如圖6所示，2號通道開挖完成后，先進行0號中導洞開挖，再施作中隔墻，然后進行兩側主洞開挖(1，2號洞開挖→2號通道回填→3～6號洞開挖、支護)。由于主洞上臺階開挖標高較中導洞高，需對2號通道進行回填，回填至側壁導洞上臺階開挖高度，再進行各導洞開挖、支護。通過進行施工過程模擬，結果顯示傳統(tǒng)開挖工法優(yōu)點是組織簡單，缺點是工期長。

圖6 傳統(tǒng)開挖工法模擬

2)BIM模擬雙連拱隧道優(yōu)化后開挖工法 采用Cinema 4D進行優(yōu)化后開挖工法施工模擬，如圖7所示，突破傳統(tǒng)側壁導坑開挖工法中導洞先行的限制，利用側壁導洞先行，通過側壁導洞增設3-1，3-2橫通道，進行中導洞正反向同時開挖(1號洞先行→增設3-1，3-2橫通道→0號洞正反向同時開挖→依次開挖2，3，4，5，6號洞)，確保中導洞、中隔墻、兩側主線隧道同步施工。優(yōu)化后的開挖工法施工模擬結果顯示，開挖工序的優(yōu)化降低左線下穿行車道開挖的施工風險，不斷增開橫通道施工解決了運輸難問題；多點、多工序同步施工，比傳統(tǒng)施工工法縮短工期8個月。

圖7 優(yōu)化后開挖工法

3)工法轉換方案優(yōu)化 采用Fuzor模擬雙連拱隧道與雙側壁段隧道交接處的工法轉換，如圖8所示，分析工法轉換的關鍵技術，創(chuàng)新性提出4號橫通道方案，有效減小復雜施工工法轉換過程中存在的風險，縮短了工期。

圖8 工法轉換

4.3 BIM輔助關鍵技術創(chuàng)新

1)換裝襯砌臺車正向設計 依據(jù)雙連拱隧道4次變截面的特點，自主設計雙連拱隧道變截面換裝襯砌臺車，解決不同截面襯砌轉換、澆筑難題，通過模型搭建與施工工藝模擬優(yōu)化臺車設計，如圖9所示，最終應用于現(xiàn)場施工，大大提高混凝土澆筑質量及工效。

圖9 換裝襯砌臺車正向設計

2)海底隧道綜合防水 在總結廈門翔安隧道防排水存在的問題基礎上，采用Cinema 4D，3D Max模擬隧道防排水設計、施工，優(yōu)化隧道防排水系統(tǒng)，進行可視化技術交底，如圖10所示。解決了隧道開挖前堵水、施工過程排水及路面反水等問題，根據(jù)目前水量檢測估算，運營期日排水量可控制在3 500m3以內，解決了后期運維難題。

圖10 隧道防排水技術交底

3)地面注漿加固技術 采用Cinema 4D模擬城市大斷面公路隧道地層全域注漿加固、管線加固，沿線房屋鉆孔灌注樁、隔離樁保護等工藝，如圖11所示。增強施工班組對技術重難點的理解，確保施工安全，提高施工進度。

圖11 地面注漿加固工藝模擬

5 BIM基礎應用

5.1 Dynamo可視化編程建模

Revit對具有空間曲線特征的模型創(chuàng)建具有極大難度，運用Dynamo進行可視化節(jié)點建模，極大提高了建模效率，解決隧道線路空間曲線難以建模難題，為各類施工模擬提供基礎模型。

5.2 精細化模型庫及設備族庫

根據(jù)BIM應用需求進行隧道主體、附屬結構、地質、臨建、設備等模型搭建，其中，隧道模型按照分項工程和施工工序等進行模型拆分、細化，滿足進度模擬、方案模擬、工藝模擬等基本需求；設備族庫根據(jù)項目實際和模擬需求進行創(chuàng)建。部分成果展示如圖12,13所示。

圖12 精細化模型

圖13 施工設備族庫

5.3 施工工藝模擬

針對項目特點，采用Cinema 4D對全孔一次快速注漿、帷幕注漿、溜槽分層澆筑、海底隧道綜合防水、房屋保護加固、地表垂直注漿等先進施工工藝進行工藝模擬，在提升施工過程可視化、精細化管理水平的同時，提高了施工效率，消除了安全隱患。部分工藝模擬如圖14所示。

圖14 施工工藝模擬

5.4 可視化交底

使用BIM模型、3D Max和Lumion動畫演示的方式進行三維可視化技術交底。區(qū)別于傳統(tǒng)技術交底，使施工班組更加容易理解復雜工藝施工，減少現(xiàn)場返工情況，提高了工程效率和精細化管理水平。

6 結語

海滄隧道工程A2標段在項目施工過程中通過開展編程建模、設備族庫創(chuàng)建、工藝模擬、可視化交底的BIM基礎應用和場地規(guī)劃、交通導改、施工進度模擬、施工組織設計模擬、施工方案模擬等BIM技術專項應用，在項目臨建場布優(yōu)化、施工組織優(yōu)化、雙連拱隧道開挖專項方案優(yōu)化、隧道防排水技術方案優(yōu)化等方面取得良好的成果和效益，有效解決了本項目面臨的施工地質條件差、結構類型多、技術含量高、周邊環(huán)境復雜、施工組織難度大、工期控制風險高等難題。同時加快了工期進度，提升了項目施工質量，提高了施工過程規(guī)避風險能力和施工安全系數(shù)，為項目順利竣工交付奠定了堅實的基礎。