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攻克天堑 联通发展新机遇 

BIM技术在港珠澳大桥珠海连接线拱北 隧道项目中的应用

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中交第二公路勘察设计研究院有限公司

中交第二公路勘察设计研究院有限公司(简称中交二公院)始建于1964年,注册资本8.72亿元人民币,具有工程勘察、设计(公路、市政、建筑、轨道)、咨询、监理、测绘、招标代理、水土保持、地质灾害防(勘察、设计、监理、施工)、风景园林等国家甲级资质,是我国公路勘察设计行业综合实力最强的企业之一,连年入榜“中国工程设计企业60 强”,200 8年被认定为“国家高新技术企业”。

近年来,中国交建组织集团所属各子公司,分别承担各工程领域内的BIM技术应用研发任务,中交二公院主要承担BIM 技术在隧道与轨道交通工程设计中的应用研究与示范的工作。通过应用与示范研究,建立了完善的隧道与轨道交通工程BIM应用方案,颁布了企业级《隧道工程BIM实施标准》及《城市轨道交通工程BIM实施标准》,研发了基于BIM技术的隧道与轨道交通工程三维设计平台、企业级BIM标准构件管理系统等系列软件成果,实现BIM技术在隧道与轨道交通工程典型项目中的应用,引导中国交建设计企业进行技术变革,大幅提高设计生产效率和质量。

一、项目概况

拱北隧道为港珠澳大桥珠海连接线的关键控制工程,是继港珠澳大桥主桥之后又一世界级工程。隧道所在地隶属于珠海市,毗邻澳门行政区。通车后可满足香港、内地、澳门两岸三地之间的陆路客货运输要求。拱北隧道全长2.74公里,包括海域明挖段、口岸暗挖段、陆域明挖段三部分,其中暗挖段总长255米,采用国内首创的曲线管幕冻结暗挖法施工,曲线管幕长度创造新记录,隧道开挖断面345平方米为世界最大。

二、项目特点

拱北口岸作为国内第一大陆口岸,地理位置特殊、政治意义敏感。工程建设不允许对口岸通关造成任何干扰。拱北隧道陆域段建筑物主要有:孙中山市政公园、澳门、珠海国防公路、鸭涌河等;海域沿线有边防五支队营楼;且工程施工与城市道路多次交叉;需要协调的部门众多,多部门之间如何有效沟通,成为项目挑战。

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图1 拱北隧道平面总图

拱北隧道工程施工工序复杂、技术风险高。隧道暗挖段周围采用36根Φ1620mm管幕顶管作为超前支护,分上下两断面同步顶进施工。洞内五层三衬双向式暗挖,然后分三阶段浇注三次衬砌。拱北口岸涉及海域及陆域,地质条件极差,项目采用曲线管幕冻结暗挖法施工,冻结顶管之间土体进行封水,然后进行洞内暗挖。有效克服地质条件差的问题。

曲线管幕冻结暗挖法施工为国内隧道工程项目首次采用,冻结法原理即利用人工制冷技术,使地层中的水结冰,增加其强度和稳定性,隔绝地下水,以便进行地下工程掘砌作业。冻结法的主要风险,来自供冷不足或外部热源导致冻土范围、强度的退化,使地下水倒灌,造成项目灾难性的破坏。温度监控及预警,将成为影响项目成败的关键因素之一。

三、设计阶段解决方案

BIM技术在设计阶段主要有路线设计、BIM多专业协同设计、BIM模型出图、设计方案论证等多个方向的应用。

1. 路线线形设计

项目组将Autodesk Revit 软件与中交二公院自主研发的路线专家系统结合,利用路线专家系统的平面坐标、纵断面高程以及坡度计算等功能,生成用于Autodesk Revit 建模的路线数据,采取二次开发的手段,实现隧道路线三维实体的自动创建。

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图2 Autodesk Revit 创建隧道三维实体

2. BIM多专业协同设计

拱北隧道BIM建模项目由结构专业、交通工程专业、防排水工程专业及路基路面专业等四大专业协同设计完成。由于组成全专业拱北隧道BIM模型的构件较多,项目组建立企业级BIM构件管理系统,并将全部构件导入管理系统,形成中交二公院自主知识产权,为项目组协同管理、快速建立BIM模型起到积极作用。

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图3 BIM多专业协同技术方案图

3. BIM隧道设计流程

拱北隧道设计可以分为两类:工作井和特殊段建模,其BIM建模的主要流程有项目模板、标准构件、路线线形、横断面、管幕及附属构造,最后形成BIM设计成果。主要设计流程如下图所示:

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图4 BIM隧道工程设计流程图

4. BIM模型与出图

基于以上步骤,项目组完成了冻结曲线管幕、暗挖开挖断面345平方米拱北隧道BIM模型,以及东、西两侧工作井和周边主要建筑物拱北口岸BIM模型。通过BIM三维可视化直观的展示方式,有效解决项目挑战多部门协调难度大的问题。根据拱北隧道BIM模型出图,工作井施工图、衬砌施工图、管幕施工布置图等。

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图5 拱北隧道设计阶段模型

5. 工作井选址方案

采用三维BIM模型与实景照片相结合的方法,对避免口岸建筑拆迁、工作井进入澳门界内等问题,提供了论证方案。

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图6 工作井选址方案

6. BIM三维设计平台与有限元分析系统集成

通过软件二次开发,实现在BIM建模软件中导出工作井计算模型,与大型有限元分析软件结合,对围护结构进行三维仿真受力分析。从基坑开挖阶段到暗挖破墙阶段的坑内水平形变、竖向弯矩分析,计算结果变形最大值为14.2mm ,出现在开挖面中下部,最大弯矩699KN·m ,最大负弯矩-984KN·m,均满足设计要求。

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图7 工作井有限元分析图

四、施工阶段解决方案

BIM技术在施工阶段主要应用有建立暗挖段BIM施工模型、施工进度管理、漫游与工序模拟。

1. 暗挖段BIM施工模型

隧道暗挖段为保证施工安全,开挖断面共划分5个台阶15个分区,台阶高度约3.8m左右,长度约5m左右,主体结构以及支护构造物较为复杂。暗挖段BIM施工模型包含 初期支护、二次衬砌、三次衬砌,分为先仰拱、侧墙及中板、最后拱部、临时支撑、袖阀管劈裂注浆管,完成暗挖段全部模型后,可用于施工各个管理段。

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图8 拱北隧道暗挖段模型划分

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图9 拱北隧道施工模型

2. 施工进度管理

拱北隧道项目工期要求严格,在总体进度控制框架下,由施工单位在征求各单位的意见后,编制总体进度计划;然后利用AutodeskNavisworks 软件强大的数据整合功能,将总体进度计划与BIM施工模型各构件相互关联,采用软件二次开发方式,实现拱北隧道施工进度管理系统。

施工进度管理系统,整合工程项目各单位计划进度信息,在施工过程中重点监控进度执行情况,协助总体单位完成进度的动态控制,当系统采集的进度执行情况与计划情况不一致的时候,系统会主动提示并持续跟踪和反馈;4D施工模拟更是以可视化的方式,向众多参与方,集成展示整个项目的总体进度情况,严格控制工期起到重要作用。

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图10 拱北隧道施工进度管理

3. 漫游与工序模拟

拱北隧道工程复杂,主要对复杂工点进行工序模拟,利用游戏引擎强大的展示功能,制作三维施工工序模拟,可以直观浏览、检查和方案的修改,有效应对拱北隧道工程项目工序复杂的挑战。

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图11 工作井工序模拟

五、项目创新

经过充分的调研和专家咨询,项目组针对拱北冻结法施工,结合BIM技术特点,制定了管幕冻结设计方案,开发了管幕温度监控系统。为配合暗挖施工,冻结管幕横断面上分为A ,B1,B2 ,B3 ,C五个区。为控制土体的冻胀效应,采用控制性冻结施工,并在冻结A区及局部敏感区域采用注浆改良冻结法。同时,分别在各区安装温度传感器,以便掌控温度的变化情况。

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图12 管幕温度监测点布置图

拱北隧道冻结法管幕温度监控系统,首先需要建立冻结管、监测点BIM模型。然后,对监测点进行编号,将温度采集数据与BIM模型构件关联。管幕温度监控系统,实现温度数据关联、温度变化趋势查询、温度预警以及风险定位等功能。相对于传统模式,基于BIM技术的管幕温度监控系统可以结合三维模型对于历史数据、监测点位置等多个方面进行综合分析,可以更加准确、及时定位于风险的位置,使项目的安全与质量得到提升。

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图13 拱北隧道冻结法管幕温度监控系统

六、结语

为了规范建立BIM三维建模,项目组制定了中交二公院隧道BIM的建模标准、应用标准、协同标准及交付标准,并研发了企业级BIM 构件管理系统。形成中交二公院自主知识产权,为BIM技术在中交二公院工程项目中的应用与推广起到积极作用。

在建立隧道横断面和道路路线的BIM模型时候非常困难,项目组将Autodesk Revit 建模软件与中交二公院自主研发的路线专家系统结合,自动创建三维线形实体。拱北隧道BIM 建模项目由四大专业协同设计完成。最终建立隧道BIM 构件308个,并全部录入企业级BIM族库管理系统,形成中交二公院自主知识产权,并为项目组协同管理、快速建立BIM模型起到积极作用。

隧道BIM技术应用尚处于初始阶段,面临着各种各样的难题,中交二公院将继续实施BIM技术研究推广应用的战略,积极参与编制技术标准、研发关键技术、构建技术共享平台、提供公共信息服务。只有这样才能使BIM技术释放出更大的力量,从而推动工程行业技术不断进步,获得更大的经济和社会效益。

目前,正是中国交建企业由传统二维平面设计向空间BIM三维技术战略转型的重要阶段,中交二公院作为路桥及隧道工程方面,我国公路勘察设计行业综合实力最强的企业之一。拟将BIM 技术在拱北隧道项目中的成功经验及应用成果扩展到其它工程领域,更进一步推广到整个中国交建的业务领域,助推中国交建向空间BIM 三维技术转型目标的实现。探索基于BIM技术的全新工作模式与方法,更可以提高中国交建的技术水平,使其在设计、施工、投资领域再创新业绩、再上新台阶。