基于BIM技术大管径顶管施工控制

王娟 赵川

【摘要】运用BIM信息模型对平顶山湛河治理工程顶管施工部分进行设计优化及项目控制，通过信息模型的建立对顶管施工场地及顶管工作井、接收井尺寸进行优化；减少征地面积；缩减工期；节约项目成本；提高控制精度，减少施工误差；使设计思路及施工方案详尽的表达给项目所有参建人员，提高工作效率；等比例建立模型进行材料、设备及施工进度的管控。

【关键词】管理；模型；节约；大管径；顶管；应用；技术交底

前言

BIM（Building Information Modeling）建筑信息模型是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。目前广泛应用于房地产建筑、异形钢构构件及幕墙装饰施工等领域，它具有可视化，协调性，模拟性，优化性和可出图性五大特点。目前BIM技术广泛应用于房屋建筑领域，路桥方面少有涉及，大管径顶管施工更是首次尝试使用BIM技术进行施工管理控制。大管径顶管施工施工难度大、技术要求严格，为减少施工过程中的管控失误及节约项目成本，引入BIM技术的新理念进行施工管控是十分必要的。

1、 工程概况

平顶山市湛河治理湛南顶管工程自凌云路至第一提升泵站（K0+000～K5+902.858），主要功能为收集湛河以南片区的污水，截流现状排入湛河的雨、污河流管道，同时转输凌云路以西湛南暗涵收集的污水。暗涵沿线为城市现状建成区，穿越现状道路、桥梁、各种管线较多，部分管线需绕行现状建筑物，与暗涵交叉的部分既有管线需进行改造。

湛南暗涵顶管段长4127m，顶管段设计污水管道采用F型顶管专用钢筋混凝土钢承口管，混凝土强等级不低于C50，抗渗等级不低于S8。管道传力面上用胶粘剂粘环形木垫圈，橡胶圈柔性接口，钢承口接头的钢套管与混凝土的接缝采用聚硫密封膏勾缝。顶管段污水管设计直径为DN2200mm、DN2400，其中DN2200共计2531m，DN2400共计1596m。平均埋深7m，最小埋深4.2m，最大埋深12.5m，最小顶进距离160m，最大顶进距离240m。采用圆形工作井及接收井进行施工。工程完成后将解决在不破坏原有环境的情况下平顶山市湛南区污水排放问题。其工作井顶进施工图如下：

图1 顶管工作井顶进剖面图（Navisworks渲染）

2、施工难点及BIM技术实施背景

平顶山湛河治理工程项目包含四个分部工程湛北暗涵改造工程、乌江河北干管、湛南暗涵工程、河道治理工程。其中湛南暗涵大管径顶管施工又是我交通公司第一个大管径顶管施工项目。湛南顶管施工场地规划建设是模型建立的第一步，也是施工的第一个重难点。顶管工作井位于河坡坡内，工作井施工场地狭小，平台两侧河坡陡峭，周边树木繁多，大型机械不便进场施工；工作井采用悬挂竖井进行施工，施工难度大，井室高度不一致，井壁截面变化较大；顶进长度达，危险性大，技术要求高；井位多，施工工期短。为满足施工进度及施工质量控制，我项目引入Autodesk Revit软件对该项目进行建模指导大管径顶管施工作业。

3、BIM技术具体实施

3.1、工作场地的建设

结合顶进方法的选择泥土压平衡顶进，土压平衡顶进地面设备需要：工作井、龙门吊或吊车、装载机（装载土方）、自卸车（外运土方）、现场办公室及工人宿舍、材料堆放场地。经计算，工作场地只需要30m×30m即可（如图1）。我項目战线较长，工作场地布置主要分为三种形式：一、工作井在河堤顶部公园内（如图2）；作井场地模型的建立减少了征地面积，同时节约了工期及项目预算。

图1 设备场地Revit模型 图2 河堤顶部公园内工作井场地布置

3.2、工作井模型建立

3.2.1、顶进方式的选择

湛南顶管拟采用土压平衡方式进行顶管作业施工。土压平衡式顶管作业通过螺旋出料器将刀盘切削的土体排至后方小车，然后人工推送小车利用汽车吊或龙门吊出土，出土阶段不能顶进，无法连续作业，但顶进进度除了受顶进方法影响外，还受施工条件、周边环境、施工辅助材料供应等诸多因素的控制。

3.2.2、工作井设计

工作井尺寸应便于顶管施工需要，并参照《顶管施工技术规范》进行计算及施工经验进行选定，依据湛南顶管施工特性，为来了保证井体受力稳定，本工程工作井和接收井均采用圆形井进行施工。工作井、接收井为逆做明挖施工，施工前应做好降水与支护工作，保证工作井正常施工；逆做井每向下开挖1m，浇筑井体混凝土，强度达到设计强度70%后，进行下阶段开挖；工作井应进行防水处理，防止地下水渗漏和顶管掘进机出洞时漏水，并确保压注的触变泥浆不流失。圆形井工作井半径R=4.5m，顶部设置40cm×100cm钢筋混凝土冠梁。工作井护壁每间隔4米变截面一次，高度4米以内壁厚取45cm，4～8米壁厚取60cm，8～设计深度段壁厚取80cm，底板800mm。接收井尺寸为R=2.55m，上部每间隔4米变截面一次，高度4米以内壁厚取40cm，4～8米壁厚取50cm，8～12米取60cm，底板600mm，工作井、接收井开挖施工前沿护壁轴线布设必要支护结构，作为工作井、接收井开挖施工期间、底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的主要支撑（另一部分支撑靠竖井本身同周围地质的摩擦力解决）。支护结构优先采用I22工字钢，工作井净空直径9m，采用8根工字钢对称布置。接收井净空直径5.1m，尺寸较小，采用6根工字钢对称布置，以便避开洞口加固区。

图6 工字钢支护及工作井配筋Revit模型图 7 工作井井体及防护围栏设置（Navisworks渲染）

3.3、顶管内部设备安装

工作井完成后开始井内部设备安装，顶进基于工作井内部空间有限，在合理利用空间的前提下安装满足顶进需求的设备，首先开始安装导轨，安放前先校核管道中心位置，顶进过程中经常观测调整，确保顶进轴线的精度。湛南工程顶进钢筋混凝土管时，两轨道间距按照 {式中：L-导轨间距（m）；R1-管材外圆半径（m）；R-管材外圆内径（m）}进行计算，轨道间距计算完后，按照管道轴线、高程、纵坡进行轨道安装、加固。后背墙采用装配式的预制后背墙，先于施工场地内进行预制。使用时，直接吊放至井内安装。后背墙与井壁之间空隙采用水泥砂浆填充，但后背墙外壁包裹一层塑料布使其与水泥砂浆隔离，便于后期拆卸。然后安装环形顶铁，安装完毕后，再安装千斤顶，并根据环形顶铁的位置和尺寸调整千斤顶位置，保证千斤顶顶力作用于顶铁截面中部。顶进过程中采用U形顶铁紧贴环形顶铁方式进行顶进。

3.4顶进过程控制

工作井、接收井施工完毕，相关设备安装调试合格后方可进行顶进施工。顶管工作原理：顶管施工是以顶管工作井为起始点，在工作井内安装千斤顶系统提供水平推力，将安装在导轨上的顶管机头从前墙预留的出洞口破封门推入土中，由机头导向，然后将钢筋混

凝土管跟随机头一节一节地推向前顶进。与此同时，机头挖掘的泥土被不断排出，经水平运输至工作井 图11 工作井设备安装Revit模型

再经垂直运输至地面外运弃土。采用24小时连续施工，直至机头进入接收井回收，完成该次顶管管道铺设。

顶进前检查，顶进施工全部设备经过检查并试运转合格；机头于导轨上的中心线、坡度和高程应符合规定要求；止水封门止水性能良好，且制定了防止机头进洞时流动土或地下水涌入工作井的防止措施；工作井处于不稳定地层进行顶进时，封门拆除后立即将机头顶入土层。

出洞控制，由于顶进机头自重30～40t，利用120t吊车或龙门吊将其吊至井内，平稳放置于导轨上，保证管外皮与导轨之间接触严实，并使其靠近洞口。机头安装完毕、降水满足安全要求后，拆除砖封门进行机头顶进出洞。将掘进机推进到洞口内时，洞口止水圈已能发挥作用；然后快速顶进机头入土实现安全出洞。

当顶进阻力即顶管掘进迎面阻力和管壁周围摩擦阻力之和超过主千斤顶的容许总顶力或管节容许的极限压力或工作井后背极限反推力，无法一次达到顶进距离要求时，应采用中继接力顶进技术，实行分段使实施每段管道的顶力降低到允许顶力范围内。采湛南暗涵顶进部分检查井段距离达到240m，需要设置中继间，采取接力顶进。中继间按50%顶力、70%顶力进行设置。中继间主要由壳体（钢板制）与千斤顶组成，千斤顶分布固定在壳体上，安装独立的电、油路系统，壳体结构强度应符合实际頂力要求。周边千斤顶分布应下半部间距小，上班不间距大，中继间与前后管的连接缝不得大于1.0cm。

4、 结束语

BIM技术是对建筑工程体的数字表达，是建筑信息在模型中的真实体现，是我国未来建筑设计的方向。BIM技术在前期设计，中期施工，后期维护方面具有其他软件不能比拟的优势，应用BIM技术可以进行设计优化，进行施工模拟，以动画形式辅助进行技术交底，有利于指导及规范化施工，节约项目成本，缩短施工工期。是提高施工质量、优化施工方案的重要手段。

参考文献：

【1】《给排水工程顶管技术规程》（CECS246：2008）；

【2】《给排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）；

【3】《检查井盖》（GB/T23858-2009）；

【4】《给水排水构筑物工程施工及验收规范》（GB50141-2008）；

【5】《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T 11836-2009）；

【6】《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T 640-2010）；

【7】《F型钢承口钢筋混凝土排水管（顶管）》（Q/ASZ02-2003）；

【8】《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）；

【9】《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-2004）；

【10】《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46-2005）；

【11】住建部[2009]87号文；