基于BIM的电力盾构隧道地层损失量实时监测

拾 峰，高 飞，于 唯，洪 强，郭 尧，孙军强

(1.国网江苏省电力工程咨询有限公司，江苏 南京 211000；2.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210009)

0 引言

近年来，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术快速发展，被认为是未来建筑行业的第二次革命。由于地下工程施工的特殊性，BIM技术在地下工程领域的发展比较滞后。相对建筑、公路、桥梁等工程而言，地下工程建设难度更大、施工风险更大、安全隐患更多，而且一旦出现质量问题，修复难度较大，所以在地下工程施工过程中要执行严格的实时监测与控制规程。

以南京秋藤—山江220 kV线路工程为例，基于BIM技术对地层损失量进行实时监测研究，从而为盾构参数提供实时数据支撑。

1 工程概况

1.1 项目简介

南京秋藤—山江220 kV线路工程(电缆段)盾构区间，起点为山江变电站顶管段末端(珍珠泉旅游度假区)，终点为珍珠街，接南京秋藤—山江220 kV线路。该电缆为盾构段(埋深6～17 m)，盾构隧道段共设置3座盾构井，盾构始发井、盾构过渡井及盾构接收井各一座。区间总长约2 325 m，隧道最小转弯半径为200 m，最大坡度3.5 %，隧道内径为3 000 mm，外径为3 500 mm。

1.2 工程难点

本区间隧道从粉质黏土及基岩中通过，隧道围岩接触界面多变，有软断面、上软下硬及全断面硬岩等不同形式，盾构姿态不易控制，对刀盘切削能力要求较高，且局部岩层破碎、裂隙发育处可能存在丰富的基岩裂隙水、土仓压力不稳定，易造成地表塌陷，以及隧道涌水、涌砂。

2 BIM技术应用

2.1 地层损失量计算

在隧道盾构施工中，由于管片的拼装是在盾构机的外边钢壳内进行的，当盾构机向前推进时，外边钢壳跟随盾构机前进，在盾构机内部拼装的管片脱出盾构机，由于盾构机的外边钢壳比管片的外径要大，在管片和土体之间必然会形成较大的空隙，这时管片后的土体在自重作用下也会发生位移，从而引起隧道上方的地层移动，部分区域甚至会产生较大的瞬时沉降。

地层的变化情况按应变—变形—位移—地面沉降的过程逐步表现出来。地层损失是按照理论计算得出的土体与实际施工中开挖出的土体的体积差。

不计实际施工中的土体损失，盾构机开挖出的土体体积V0为：

式中：r0为盾构外径；L为推进长度。

盾构机每推进1 m所产生的地层损失为：

式中Vs为地层损失率，%。以Peck公式的假设为基础，即假定施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，则认为沉降槽体积等于地层损失的体积，且地层损失在隧道长度上均匀分布，也就是地层损失率等于同一断面沉降槽截面积S1与盾构外径面积S2的百分比V实。

式中：S1为实测沉降面积，mm2；S2为盾构外径面积，mm2，为定值；盾构外径均为3.5 m；V实为实测地层损失率，%。

2.2 技术原理

本次要解决的技术问题是克服现有技术的不足并提出一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置及方法，同时考虑机头沉降的影响，能够直接准确实时测量盾构过程中的地层损失，从而避免依据地表沉降分析引起的滞后。

该隧道地层损失量监测装置由盾构机姿态和沉降监控设备、隧道沉降监控设备、无线传输设备和BIM平台构成。

(1) 盾构机姿态和沉降监控设备安装于盾构机尾部，用于监测盾构机的倾角和沉降并将盾构机机头的倾角和因机头重量引起的沉降量L0经无线传输设备输出至BIM平台。

(2) 隧道沉降监控设备安装在已掘进的沿线隧道衬垫内侧，用于监测已掘进隧道的沉降并将已掘进隧道沉降量L1经无线传输设备输出至BIM平台。

(3) BIM平台上设有无线信号接收设备，接收盾构工作井上无线信号设备发出的信号，对接收的盾构机机头的倾角、L0及L1进行处理得到地层损失量。

2.3 模型优化与应用

对隧道地层损失量监测装置进一步优化，在隧道内安装多个沉降监控设备，每隔5～50 m在隧道顶部布设一个。

该装置是考虑沉降条件的隧道地层损失量计算模型，其使用方法包括以下几步骤。

(1) 基于BIM技术和盾构机头行进坐标，建立盾构机行进过程的三维模型。

(2) 基于步骤1中BIM行进过程的三维模型和隧道沉降监控设备监测结果，采用样条曲线对已掘进隧道的沉降量沿行进里程进行插值，建立具备时空效应的三维隧道变形模型。

(3) 基于BIM的三维模型技术，获取由非线性引起的盾构机切向旋转占用体积和隧道的等效开挖半径。

(4) 基于步骤1的盾构机行进过程的三维模型、步骤2的三维隧道变形模型、隧道沉降监控设备监测结果及步骤3中隧道的等效开挖半径，计算地层损失量Vj及已掘进隧道地层损失量V'j公式为：

式中：Vj为因隧道开挖造成的计算地层损失量；为已掘进隧道地层损失量；R为隧道的等效开挖半径，隧道直线开挖则等于开挖半径，隧道存在旋转半径开挖则根据BIM模型中占用体积计算等效半径；r为隧道管片的外围尺寸半径；L为盾构机的沉降量；L0为盾构机机头重量引起的沉降量；D为盾构机头的长度；θ为盾构机机头倾角；为已掘进隧道的沉降量，即因盾构机机头重量引起的沉降量L0与已掘进隧道的沉降量L1之和，其计算模型如图1所示。

图1 考虑沉降条件的隧道地层损失量计算模型

3 结束语

这种基于BIM的隧道地层损失量监测装置和使用方法能够直接准确实时测量盾构施工过程中的地层损失，避免依据沉降分析引起的滞后性，为施工管理提供了更为直接的引起地表变形的物理指标，是开展进一步管控措施的依据，为隧道建设周边安全提供了直接保障。