基于BIM的清华园隧道施工管理关键技术案例分享

2021年3月30日
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基于BIM的清华园隧道施工管理关键技术案例分享

依托京张高铁清华园隧道,通过研究参数化建模、多源异构数据集成和统一建模编码体系等关键技术,研发集进度、质量、安全风险管控、施工参数分析和施工辅助决策于一体的铁路盾构隧道施工BIM管理系统,逐步实现数字隧道,精品工程的目标,朝着铁路工程智能化建设管理的发展方向迈进

    工程概况

清华园隧道是新建北京至张家口高速铁路的重点控制性工程,主要包括盾构段和明挖段隧道。

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其中,盾构段隧道系国内首条穿越北京主城区单洞双线、大直径、高风险的铁路盾构隧道,全长5330m,在学院南路北侧入地,并行城铁13号线,依次下穿北三环路(上穿在建地铁12号线)、知春路、地铁10号线、北四环路、成府路、双清路、上穿地铁15号线后出地面。该地段地质复杂、环境风险高、施工难度大,长距离穿越卵石土地层,对刀盘刀具磨损大,不利于盾构连续掘进施工。下穿的地铁线路承担着巨大的客流输送任务,施工过程中必须严格控制地表不均匀沉降;下穿的建筑物部分较为老旧,地面风险源及管线极多,穿越过程中如何保证敏感建筑安全,是盾构掘进控制的重点。隧道全线均在北京主城区内,沿线商业区分布较多,人员密集,文明施工和环境保护要求极高,施工中需采取各种措施减少环境破坏,保护周边环境,要体现环保意识,树立良好形象。同时各种电力设施、地下管线、通信线路密布,掘进过程中如何确保道路结构及管线安全,是本工程盾构施工控制的难点。

明挖区间共2段,每段均由明洞段隧道和工作竖井组成,起止里程分别为:DK14+090—DK14+289和DK18+200—DK19+420,总长1419m。

明挖区间围护结构为钻孔灌注桩+高压旋喷桩。1号竖井深20m、3号竖井深22.6m,2号竖井深31~37m。1号、3号竖井采用钻孔灌注桩+旋喷桩围护结构,钢支撑支护体系;2号竖井采用地下连续墙围护结构,钢支撑支护体系。采用局部钢筋混凝土支撑+钢支撑支护体系。竖井深度大,地层稳定性差,容易失稳变形,并造成周边沉降,是工程控制的重点。

    关键技术

    参数化建模

清华园隧道BIM模型主要分为4类:地质模型、结构模型、周边环境模型和盾构机模型。

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盾构隧道BlM建模要求说明

    地质模型

三维地质模型包含地层模型、断层、钻孔等地质工程勘察信息,考虑地质专业建模的特殊性,本次地质建模精度高于初步设计精度,以保证在后续深化过程中地质专业不再重新建立模型。地质模型在地质勘探点处的几何精度为1mm,位置精度为10mm。地质专业涉及的地层岩性多,采用了统一的地质材质标准、颜色标准、属性标准、图层标准等。按照统一标准完成的地质模型,整体更具有统一性。

    结构模型

清华园隧道盾构段采用预制管片及轨下全预制构件拼装创新技术,用拼装的模式代替现浇法工艺,更符合盾构法隧道发挥对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等优点。每环由9块管片组成,包括1块封顶块、2块临接块和6块标准块;轨下全预制结构采取中间预制“口”字件(中箱涵)+两侧预制边箱涵的结构形式。在建模过程中,将结构划分为基本零件,形成构件库,并能根据设计图从构件库中调取模型生成隧道结构BIM模型。

    周边环境模型

隧道下穿北京核心城区,穿越市政管线、道路和建筑物多达上百处。根据实地考察和设计文件,创建26处风险构筑物、88条重要市政管线及10号、12号、13号与15号地铁线,北三环、成府路等多条重要市政道路在内的BIM模型,为隧道施工系统开展实时可视化监控风险变化工作提供了位置关系、风险说明、应急方案等辅助决策信息。

    盾构机模型

清华园隧道采用外径12.2m的大直径泥水平衡盾构机施工。盾构机建模主要包括刀盘、盾体、推进油缸、输送机、管片拼装机、拖车等主要零部件。盾构机模型的建立一方面能够查看盾构机所在位置的地层地质情况,另一方面可与施工参数结合,实现设备状态的可视化监测。

    基于BlM的多源异构信息集成

清华园隧道数据信息来源于盾构机、RFID射频标签、图纸、视频、文字记录等多种渠道,有效地组织处理数据成为平台底层数据结构的关键。因此,有必要对形式复杂、格式不一、来源多样的数据进行统一规划。

研究数模分离技术,形成以BIM模型为核心,与施工数据、结构数据、监测数据、风险数据、人员数据相互映射的数据架构。通过数据调用技术、数据流接口技术、控制模式技术的研发,实现多源异构数据集中运行应用管理。

    统一建模编码体系

依据铁路BIM联盟《铁路工程实体结构分解指南(1.0)》《铁路工程信息模型分类和编码标准(1.0)》《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0)》等相关标准,结合清华园隧道轨下全预制拼装结构的特点,研究盾构隧道工程实体结构分解方式及专业构件编码规则,通过附加IFD类型码、EBS实体码及风险监测测点编码等统一标准编码,实现数据信息的灵活性、传递性和共享性,也补充完善了铁路BIM联盟相关标准。

铁路工程建设管理中隧道结构EBS编码如下图所示。

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在建设基于BIM的隧道施工管理系统过程中,应遵循以下原则。

工点编码,由铁路工程管理平台统一编码下发,前6位表示项目编码,第7、8位为专业代号,第9、10、11、12位为工点顺序号

结构类别码,第13、14位为结构类别位,如地基加固与处理DJ,初期支护CZ,衬砌CJ

结构部位标识码,第15、16位是结构部位标识位,单洞单线隧道为00,单洞双线或多线隧道时,结构部位标识位应由小里程向大里程方向,从左到右依次是01、02…

结构部位顺序码,第17、18、19、20位为结构部位顺序位

构件类别码,第21、22、23、24位为构件类别位,如管片0304、箱涵0313

构件标识码,第25、26位为构件标识位,若只存在唯一构件则为00,若存在多个构件,应由小里程向大里程方向,从左到右依次是01、02…

构件顺序码,第27、28、29、30、31位为构件顺序位

示例:XPBZ01040010.CJ.01.0001.0313.00.00001,解释为新建北京至张家口铁路清华园隧道1号盾构段左线1号节段第一块箱涵预制构件。

    基于BlM的隧道施工管理系统构建

    系统架构设计

系统整体架构由网页端和手持应用终端组成。服务器端配置由SQLServer服务器、防火墙和路由器组成,负责提供数据存储、访问和管理服务。通过BIM模型轻量化处理发布、调用,实现设计与施工阶段数据无缝衔接,并为后期的运营维护提供数据信息。手持应用终端采用响应速度较快、安全性较高的C/S架构,保证施工数据获取的时效性。

基于BIM的隧道施工管理系统分为5层架构,包括设备层、数据层、模型层、功能层和应用层。

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系统架构

设备层包括监控监测传感器、视频监视器、射频识别芯片(RFID)和手持终端。在竖井、建筑物、道路、盾构顶层地面等关键位置布设检测传感器,动态采集沉降、倾斜、应力等监测数据。通过RFID芯片和手持终端采集管片拼装质量数据,固定式RFID读写器获取门禁、盾构机、人员定位等动态数据。获取的多源数据通过网络统一回传至中心服务器进行数据处理分析。

数据层包括预制构件生产、质量追溯、监控监测、人员定位等数据库,将预制构件生产过程数据、盾构拼装质量数据、风险监测数据、人员定位数据通过异构多源数据融合机制集成到BIM模型和中心数据库。

模型层包括地层地质模型、周边环境模型、隧道结构模型和盾构机模型。模型层以设计院提供的BIM模型为源头,通过轻量化处理、数模分离,提取几何信息和非几何信息,形成设计阶段属性数据库,并与建造数据互通。

功能层是通过自主研发WebGL的CarsView图形引擎对各类BIM模型统一集成管理,包括施工质量追溯、进度跟踪、安全风险监控、人员轨迹分析、施工参数挖掘、盾构工效分析等服务,实现各参建方数据共享与应用。

应用层是为各参建方提供包括Web、手持终端和调度中心的应用服务,满足人机交互需求。

    基于BlM隧道施工管理系统实施流程

依托铁路总公司重点科研课题,重点研究参数化建模、多源异构数据集成、统一建模编码体系等关键技术。并结合清华园隧道工程特点、管理要求、施工难点等进行施工系统需求分析,形成系统架构设计、功能设计和网络安全设计技术方案。对设计院提供的不同深度模型轻量化处理,将施工组织信息、人员组织结构信息、技术方案信息和管理信息与BIM模型融合,通过WebGL图形引擎研发基于BIM的清华园隧道施工管理系统,通过功能测试、性能测试与安全测试后部署在铁路工程管理云平台上,组织系统使用人员培训,并建立消息日志与容灾备份等运维保障机制。

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    应用实践

    预制件管理

清华园隧道预制构件供应商为中铁十四局房山桥梁厂,研发的手持终端设备具备钢筋加工、钢筋安装、模具检查、浇筑、蒸汽养护、脱模、喷码、洒水养护等构件制造全过程数据采集功能,并在堆场和出场过程中粘贴二维码,保证构件制造信息流转到施工拼装阶段,与拼装质量数据融合,实现信息传递和共享。

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    进度管理

将盾构机掘进施工时间、持续时长和里程位置等进度数据通过抽取算法与进度判定算法分析,结合施工计划与BIM模型,实时判别进度超前或滞后,形成计划与实际进度三维可视化对比分析,并将实时分析的结果反馈到项目管理人员,提高进管控时效性,辅助施工方案调整与决策。

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施工进度模拟

    质量追溯

通过安装在管片上的RFID标签,动态采集隧道拼装质量、结构健康状态、跟踪修复结果等数据信息,并分析隧道轴线偏差、管片椭圆度、错台、渗漏、破损等工程质量数据。

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管片拼装质量

可点击平面示意图和三维BIM模型查询实体结构的拼装时间、注浆量、二次注浆量、外观质量信息,形象直观快速地为相关质量监督人员指明问题所在,同时保证隧道质量具有可追溯性。

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施工质量追溯

    风险监控

通过对隧道线路走向及周边范围内风险源梳理,建立包括地面风险构筑物、地下复杂管线、临近地铁线、既有铁路线以及成型隧道结构的监控监测预警体系,与盾构掘进拼装进度密切关联,提前对盾构机即将穿越的风险源发出警示提醒;并采用Revit和MicroStation建模软件创建所有的风险源、地层地质及监测点BIM模型,提供隧道与风险源空间位置关系;结合地层地质中的属性参数信息,自动检索匹配数据库中的工程地质参数,判定相应的地质风险因素,提供专项应急处理方案便于用户查询。在盾构施工远程调度中心大屏上实时关注监控量测数据、盾构机施工数据与人员定位信息,切实可行组织落实风险预警管控措施。

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风险源监测

    盾构远程监控

将盾构掘进姿态、刀盘扭矩、同步注浆、泥水循环和盾尾油脂等施工数据引入地面调度监控中心,便于实时掌握地下盾构机运行状态,并将数据信息与盾构机BIM模型关联,有助于动态模拟优化盾构施工实施方案。对盾构隧道单环管片的掘进、拼装、施工3种状态所需时间数据结构化存储和工效分析,有助于项目管理人员掌握盾构机施工规律,辅助施工组织优化,并为日常盾构机养护、资源动态优化调整等提供依据。

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    信息总览

综合展示清华园隧道工程形象进度、管片拼装质量、安全风险监控、盾构机掘进姿态以及成型隧道质量等信息,以三维可视化漫游方式便于快速了解隧道施工进展。

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    系统特点

基于BIM技术的清华园隧道施工管理系统具备以下技术特点。

(1)标准化:根据《铁路工程实体结构分解指南(1.0)》《铁路工程信息模型分类和编码标准(1.0)》《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0)》等BIM相关技术标准,建立并丰富铁路盾构隧道工程实体结构分解与编码规则,补充完善铁路BIM联盟标准,并为其他在建隧道提供建模编码范例。

(2)全寿命:以二维码和RFID射频电子标签为信息载体,便于施工过程数据采集与查询,并与建造期数据融合,形成类似装配式的隧道生产、运输、拼装以及后期运营健康数据信息的全寿命质量追溯体系。

(3)可视化:自主研发WebGL为浏览器展示层技术的CarsView图形引擎,建立实时数据驱动的盾构隧道形象进度与安全风险管控体系,形成基于BIM的盾构隧道施工可视化管理模式。

结合穿越核心主城区大直径铁路盾构隧道关键施工难点问题,重点突破参数化建模、多源异构数据融合和统一建模编码体系等关键技术,研发各方参与、信息共享、可扩展应用的铁路隧道BIM施工管理系统,有效解决了盾构隧道施工中遇到的进度卡控、资源平衡配置、质量病害追溯、环境风险监测、盾构远程监控等重难点问题,并在京张高铁清华园隧道中成功应用,提升了盾构隧道施工数字化、信息化与精益化管理水平,取得了良好应用效果。通过基于BIM的铁路隧道施工管理系统收集了勘察设计与建造等数据,为探索建维一体化技术路线,打造工程建设全生命周期数据链条奠定了基础。同时,依托铁路工程管理平台,可形成全路隧道远程监控平台,实现向项目群信息化管理方式的转变。

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