BIM技术在电力隧道盾构施工风险源可视化应用

刘英城，岳 川，梁景智

（1、广州供电局有限公司 广州510620；2、广州轨道交通建设监理有限公司 广州510010）

0 引言

近年来迅速发展起来的建筑信息模型（Buiding Information Modeling）被广泛认为是未来建筑行业的第二次革命[1]，将会为建筑行业提供新的建筑理念和技术变革。目前国内外各类的工程项目都广泛的将BIM 技术应用到建筑工程的全生命周期中来，实现了离散建筑资源信息的整合，显著的提高了工作效率。

由于地下隧道工程本身的一些特点，相较于房建工程、公路工程、桥梁工程等工程项目，其建设难度更大。地下工程施工风险大，安全隐患多，容易发生安全事故[2]；地下工程建设过程是一个不可逆的过程，项目工程质量问题修复难度大，因此对施工过程的需要进行严格的检测控制。BIM 的可视化特性使这类无法用肉眼观察的地下空间工程得到了更有效的管理[3]。

1 工程概况

220kV 石井～环西电力隧道是为解决220kV 石井～环西电缆线路工程配套建设项目。工程从石沙的石井～凯旋电力隧道接出，沿石槎、西槎路一直向南，至环西出站段西线电力隧道，隧道线路总长约为6 780 m。本工程为土建工程施工2 标，包括4#、5#、6#工作井、1#逃生井及区间隧道、区间端头加固、区间溶洞及土洞处理、工作井及隧道内电缆支架等土建工程。盾构隧道区间长度为2 212.3 m，隧洞埋深7.5～17.4 m，平面最小曲线半径约为150 m，最小竖曲半径为1 000 m，最大坡度为58‰。隧洞衬砌为钢筋混凝土管片，管片外径4.1 m，管片内径3.6 m，管片厚度250 mm，管片宽度1.0 m。工程线路从4#工作井兼始发井引出，沿西槎路地下向北，下穿地铁八号线上步站出口，之后上跨地铁八号线地铁隧道，下穿地铁聚龙站风亭及出入口，经过5#工作井，下穿地铁平沙站出入口到达6#工作井吊出。

2 盾构风险源分析[4，5]

2.1 工程地质风险

本工程位于广花盆地，上部为第四系沉积物，下部基岩是石炭系灰岩，灰岩中溶洞发育。4#工作井“一槽两钻”28 个地质补勘孔中有9 个钻孔发现溶洞，见洞率达30%。6#工作井“一槽两钻”20 个地质补勘孔中有2 个钻孔发现溶洞，见洞率达10%。基坑开挖过程中存在地面塌陷、基坑涌水风险。

2.2 工程自身风险

4#工作井围护结构采用800 mm 厚地下连续墙，工作井结构尺寸25.6 m×10.8 m，开挖深度18.4 m，基底大部分位于砂层及粘土层，存在基底的涌水、涌砂等风险；6#工作井围护结构采用800 mm 厚地下连续墙，工作井结构尺寸15.6 m×10.8 m，开挖深度17.8 m，基底大部分位于炭质石灰岩，存在基底的涌水等风险。

2.3 工程周边风险

2.3.1 周边建筑物

本标段隧道长2.2 km，沿线建（构）筑物繁多，影响较大的房屋达26 处，最小距离仅2.63 m；与路面最小垂直距离4.59 m；与地铁八号线北延段隧道并排敷设，最小近距1.2 m。盾构掘进过程中可能对隧道周边建筑物破坏，造成财产损失，严重时可能造成人员伤亡，甚至引发严重的群体性社会事件。

2.3.2 穿越施工地铁区间

电力隧道两次上跨八号线北延段区间隧道，第一次上跨聚龙站至上步站区间，两隧道的最小净距为3.34 m；第二次上跨平沙站至聚龙站区间，两隧道的最小净距为1.29 m。如掘进过程中出现超挖、扰动地层、注浆不饱满或注浆压力过大将导致隧道沉降或上浮，影响区间运营，造成严重的社会影响。

2.3.3 地下管线

在CK4+314.453-CK4+464.373 里程范围，隧道覆土厚度最小为7 m，主要管线有2.5 m×1.8 m 污水箱涵，埋深3.49 m，在隧道上方净距1.12 m；φ600 污水管，埋深3.6m，在隧道上方净距1.16 m。如掘进过程中出现超挖、扰动地层、注浆不饱满或注浆压力过大将导致管线沉降或上浮，甚至造成交通拥堵，造成严重的社会影响。

3 BIM组织与实施

3.1 BIM组织

确定BIM实施使用软件采用Revit 为基本建模软件，采用Navisworks 作为碰撞检查软件和模型轻量化浏览软件[6]。根据本项目的需求情况编制《广州电力隧道建模标准》和《基于BIM技术的电力隧道建设应用管理办法》。

按照以上的建模标准和管理办法开展BIM实施工作。

3.2 BIM模型创建

3.2.1 电力隧道工作井

创建高精度电力隧道模型。电力隧道模型按照单位工程进行拆分，依据施工蓝图分别创建4#、5#、6#工作井的围护结构模型、主体结构及主体建筑模型。本部分模型构件包含构件名称、构件编码、构件中心点等信息（见图1）。

图1 地铁出入口与电力隧道检查井合建模型Fig.1 Model of Subway Entrance and Exit and Power Tunnel Inspection Well

3.2.2 电力隧道

依据施工蓝图分别创建4-5 区间、5-6 区间电力隧道中心线模型，电力隧道管片模型（见图2）。本部分模型构件包含构件名称、构件编号、构件中心点、管片厚度、管片外径、混凝土强度等级、抗渗等级、楔形量、管片环宽、管片环号、管片类型等信息[7]。

图2 地铁隧道盾构管片模型Fig.2 Metro Tunnel Shield Segment Model

3.2.3 风险源模型

⑴周边地下管线

依据管线调查报告，创建临近电力隧道各专业地下管线，包含窨井构件等细节，用不同颜色区分各类管线类型。本部分模型构件包含构件名称、构件编码、构件中心点、专业、起点终点标高、内径、外径、长度等信息（见图3）。

图3 地铁周边地下模型Fig.3 Underground Model around the Subway

⑵周边建构筑物

依据周边建构筑物调查报告结果，创建电力隧道周边建筑模型。本部分模型构件包含构件名称、构件编码、构件中心点、与隧道位置关系、地址位置、地下室层数、基础类型、建筑年代、建筑物名称、结构形式等信息（见图4）。

⑶周边地质

图4 地铁周边建筑物模型Fig.4 Model of the Building around the Subway

依据地质勘探报告和地质补勘报告，创建水文、地质、地形模型。本部分模型构件主要包含地下水文特性、溶土洞分部、砂层液化区域、断裂带、孤石等特殊的复合地层情况及地质物理力学性质参数等信息。

4 BIM技术对风险源可视化应用

集成电力隧道模型及各风险源模型到平台中来[8]，实现场景漫游、模型剖切、两点间距、构件间距、构件半透明、构件隐藏、施工模拟等功能。电力隧道模型和周边环境模型（见图5）之间的空间关系分析和施工模拟分析，根据BIM模型分析结构，调整完善重大安全风险评审报告。

图5 隧道主体结构与周边环境模型Fig.5 Tunnel Main Structure and Surrounding Environment Model

位置关系更加直观，并能够查看周边模型的构件属性信息（见图6），例如地下管线专业、材质信息，地质岩石物理力学性质信息，周边建筑物名称、楼层数、结构形式、地基基础信息等。

图6 各类模型构建的信息查询Fig.6 Information Query for Each Model Construction

根据施工现场施工进度情况周边环境情况，集成周边检测点的实时监测数据，并对监测数据进行分析解读，根据不同的环境的保护要求设置监测预警值（见表1），从而实现盾构周边环境变化情况实时监控。

盾构监控可视化平台（见图7）能够将盾构机掘进数据直接集成到平台中来，实时监控盾构机的主机、刀盘、导向、推进油缸、拼装机、盾尾、注浆管路、进浆泵、排井泵、人闸数据，实现盾构机的全方位监控[9]。

表1 监测数据预警值设置Tab.1 Monitoring Data Table

图7 盾构机运行参数监控Fig.7 Shield Machine Operating Parameter Monitoring

盾构监控可视化平台能够对掘进过程中出现报警的数据进行分析（见图8），总结之前的盾构施工经验，为后来的盾构施工提供数据参考。

图8 监测数据分析Fig.8 Monitoring Data Analysis

根据工程重大安全风险评审报告（见表2），确定不同等级的风险源识别区域。在盾构施工过程中实时密切关注周边监测点位的监测数据，及时分析，并根据数据分析结果发出不同等级的预警信息[10]。本系统用不同的颜色来表示风险源识别区域当前所处的状态（见图9）。具体风险源状态所对应的颜色如下：

⑴绿色表示无风险（未施工到风险源区域或已经安全通过风险源区域）。

图9 风险源预警区域标识Fig.9 Risk Source Warning Area Identification

表2 风险清单控制表Tab.2 Risk List Control Table

⑵黄色表示盾构机正在该风险源区域内掘进，监测数据正常。

⑶红色表示盾构机正在该风险源区域内掘进，监测数据异常，发出警报。

盾构施工管理人员能够非常直观的监控当前盾构施工所处的风险状态，协助盾构施工管理人员及时做出决策，从而降低施工安全施工发生的概率。

5 总结与展望

5.1 总结

在220 kV 石井～环西电力隧道项目中，基于BIM技术的盾构监控可视化平台发挥了非常显著的作用。通过在本项目中使用基于BIM技术的盾构监控系统，有效地降低了盾构施工安全事故发生的概率。相较于传统的盾构监控，可视化平台较好地做到了以下三点：

⑴将传统的文字展示、二维图像展示改为三维展示，使得盾构风险源更为直观。

⑵可以盾构监控可视化平台中直接查看周边模型的构件属性信息，例如地下管线专业、材质信息，地质岩石物理力学性质信息，周边建筑物名称、楼层数、结构形式、地基基础信息等，能够使施工人员、施工管理人员更加了解盾构现场周边情况。

⑶在盾构监控可视化平台还能对监测数据进行处理分析，使监测数据能够得到充分解析，更加真实客观的反应因盾构施工导致的周边环境变化情况。

盾构监控可视化平台还有需要改进的地方：

⑴模型轻量化，优化平台的后台和前端，使平台运行更加流畅。

⑵开发移动端接口，方便施工中的更多角色都参与进来。

⑶可以将项目中的监测数据建立大数据库，为以后的同类型类似项目提供盾构施工参考。

5.2 展望

BIM技术在盾构监控可视化平台的使用，使盾构监控能够更为直观生动，使施工管理人员、现场施工人员做到心中有数，为盾构安全施工提供了有力的保障。在本项目中的使用非常成功，可以向其他项目进行推广。随着BIM技术在建筑工程各行业的深入使用，进一步的和工程实际相结合，还将为我们带来更多的便利。