鑽石舞台

點擊上方藍字，關注廣聯達新建造！

文| 中國建築業BIM應用分析報告

來源 | 廣聯達新建造（ID：Glodon-NB）

轉載請聯繫授權（微信ID：691710565）

本文詳細介紹鄭萬高鐵蘇家岩隧道項目BIM應用的全過程方案，文章乾貨滿滿，值得收藏學習。

新建鄭萬高鐵北起河南鄭州，途徑湖北襄陽，到達重慶萬州。線路全長818公里，設計時速350KM，是中國八橫八縱鐵路網重要組成部分。由中鐵十八局集團有限公司承建的鄭萬高鐵湖北段六標線路全長35.634Km，總投資29.1億元，合同工期66個月。

鄭萬高鐵蘇家岩隧道項目

鄭萬高鐵湖北段ZWZQ-6標蘇家岩隧道全長5360m，地處荊山山脈，為雙線越嶺隧道，最大埋深約439m，隧道進口採用機械化大斷面鑽爆開挖方式，承擔正洞2595m施工，為鄭萬高鐵湖北段工期控制性工程。

蘇家岩隧道地質條件複雜，岩體破碎，節理裂隙發育，施工難度大，安全風險高；隧道單向掘進距離長，施工組織複雜，整體進度制約性大；山嶺地區上場策劃受環境影響因素大，且交通運輸不便，為項目前期施工重難點。

蘇家岩隧道地質條件一覽

蘇家岩隧道是國內為數不多的採用加強型機械化配套施工隧道，為我集團隧道機械化配套施工示範工程。首創高速鐵路軟弱圍岩大型機械化配套大斷面施工工藝，攻克了隧道施工智能化快速建造等諸多技術難題。

隧道機械化配套一覽

（1）以BIM+隧道機械化為依託，總結隧道快速施工修建關鍵技術，形成「一洞九線」數字化建造流水作業生產線；

（2）建立隧道機械化施工BIM模型庫、可視化工藝庫，提高現場技術水平和隧道機械化技術人員培養速度；

（3）探索利用BIM技術優化施工工序、提高生產效率；

（4）挖掘BIM技術在隧道機械化配套施工和管理過程的重要作用，為川藏鐵路建設「開山鋪路」。

組織架構圖

軟硬件配置表

為確保隧道工程BIM技術應用實施過程中，項目團隊所交付的鐵路工程信息模型幾何精度和信息深度科學合理、滿足實際工程需求。參考《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》等前提下，編制隧道工程BIM應用指南。同時自定義工作空間，以及 「隧道項目」工作集，統一工作環境。

隧道工程BIM應用指南

以隧道機械化施工階段數字化建造為基礎，建立服務於項目實施重要環節的規章管理制度，明確主要人員職責與配合部門職責，做到統一驗收標準、統一數據、統一文件，實現工程主體、數字模型兩個維度的協調統一。

為保障隧道機械化BIM技術力量可持續發展，在項目啟動前期，以集團數字建造中心BIM工程師為主，對子公司開展團隊孵化，通過基礎培訓、專題培訓等形式共完成5期集中培訓，共計80餘人次，遴選7人組成項目BIM工作組，儲備人員5人，具備隧道獨立建模、應用等技術能力。

BIM人員培訓過程圖

➤ 項目前期策劃應用

項目臨建三維規劃

（1）地形分析與初步規劃

施工階段項目上場前期，對原始場地進行分析和研究，快速準確的獲取場地高程、坡度、位置等數據信息。

地形分析圖

無人機傾斜攝影實景建模技術獲取現場高精度地形信息，臨建紅線範圍內採用高精度且優於3cm，邊緣輪廓精度5cm—8cm ，在滿足BIM應用要求前提下，提高航測作業效率，降低數據處理工作量。

無人機傾斜攝影實景建模

（2）場坪設計及便道設計

基於實景地形進行場地方案策劃，依據標準化設計規範，結合現場地形地貌和現有臨時生活、生產設施，充分利用原有道路，遵循「挖填平衡」原則，在地形模型中進行便道設計。進行挖填方工程量對比，選擇最優方案。

地形模型中進行便道設計

（3）場地功能分區

根據實景模型規劃場地區域後，綜合考慮現場實際情況，進行三維建模。依據業主項目建家建線規範要求，參照項目施工組織資源配置情況，規劃項目整體臨建功能分區，快速搭建多種場地布置方案，並對初步方案進行比選。根據最終方案，建立臨建標準化模型庫。

三維模擬與方案比選

拌合站三維立體規劃成果展示

參照施工組織資源配置要求，創建相應生產臨建構件，規劃拌合站分區。避免因材料亂堆放、機械設備安放位置影響施工生產的正常進行，為施工生產提供便利；減少場地狹小等原因二次倒運而產生的費用。

隧道洞口三維立體規劃成果展示

針對蘇家岩隧道進口加強型機械化配置特殊需要，參照施工組織資源配置要求，規劃洞口場地功能分區。新增大型機械維護保養區、停放區、設備組裝區、二次倒渣區，為蘇家岩隧道進口加強型機械化施工提供後勤保障。

場地布置分區

（4）成本測算及確定整體規劃

以三維可視化為手段，成本控制為主線，通過BIM技術應用達到降本增效目的，從技術、組織、交通以及施工各階段需求等多方面進行對比，選擇最終策劃方案。

三維成本測算與方案策劃

以設計方交樁點為相對坐標控制原點，在各場地布置模型中選取拼裝定位關鍵點，將各功能區模型與地形進行融合，完成項目模型總裝。

三維場布與拼裝定位

➤隧道主體模型建立與優化

（1）對隧道結構單元進行劃分，創建隧道參數化構件庫，在BIM協同建模中統一模型單元及屬性信息。

① 參數化構件庫

參數化構件庫

②大型機械設備模型庫

大型機械設備模型庫

（2）隧道主體模型

根據隧道主體結構組成及《鐵路工程實體結構分解指南》，對隧道結構單元進行劃分，創建施工階段BIM精細化隧道模型。

隧道主體模型

隧道結構單元解構

（3）隧道鋼構件3D設計及優化

① 原圖紙鋼架設計優化

利用BIM技術三維設計的優勢，對現有圖紙鋼架弧形連接處進行優化設計。如仰拱鋼架拱腳連接處優化設計、附屬洞室與正洞鋼架的優化設計、不同工法下鋼架的優化設計等。利用MicroStation輸出3D PDF圖紙，施工人員可量取任意構件三維尺寸，為提高生產效率，減少因返工造成材料浪費。

原圖紙鋼架設計優化

② 異形鋼拱架三維設計

隧道變截面處、橫通道、洞門等特殊位置處，需採用異形鋼支撐進行支護。以往採用CAD畫出多視圖各個角度標註鋼架尺寸，施工人員無法直觀讀取鋼架尺寸等信息。

通過BIM軟件三維設計，實現鋼拱架尺寸的線性變化且滿足淨空及支護要求。確定加工尺寸及數量，並進行模型預拼裝模擬，指導加工廠下料加工。

異形鋼拱架三維設計

（4）工程量輸出

根據BIM模型輸出主體結構精細化材料用量，為後續施工組織、成本歸集、分析提供可靠依據。

隧道主體模型

鋼架精細化工程量統計 鋼筋精細化工程量統計

➤施工組織模擬

（1）長大隧道施工面臨多個輔助坑道、多工作面同步、交叉施工等工期編制難題，施工工期計劃排布較為複雜，採用4D工期模擬可實現以下幾個方面：

①實現全隧整體施工流程的進度模擬，優化現有的工期進度計劃。

② 結合可視化工期分析，得出材料需求量月峰值，從而計算出鋼筋加工廠、混凝土攪拌站的生產效率等，分析得出項目生產所需最優資源配置；

③ 與實際的進度情況進行匹配，施工過程中同步優化。綜合對比分析進度滯後原因，為下一步施工安排提供指導。

施工流程進度模擬

（2）針對不同工法的施工特點，制定各機械設備合理的施工空間。根據隧道長度、工期要求、圍岩地質條件、斷面大小、輔助坑道設置、環境及場地條件等綜合因素進行機械配套方案設計，使之與施工方法相配套，與施工工期相適應，最大限度發揮機械設備總體效率，並根據地質條件變化及時調整。

全斷面施工

微台階施工

➤ 施工方案、工藝模擬

通過對隧道機械化施工關鍵性施工方案、工藝進行模擬，有利於現場施工技術人員更好掌控施工方案和施工工藝技術要點，驗證各項施工方案和工藝可行性並對其進行優化，實現超前模擬指導施工；

通過項目積累形成隧道機械化施工BIM工藝庫，作為隧道項目新上崗技術、施工人員快速學習、掌握成套隧道施工技術的教材。

三維施工方案和工藝模擬

➤BIM創新應用

與人工分部開挖法相比，機械化全斷面法施工質量高、開挖次數少、對圍岩擾動小、初期支護封閉及時， 更有利於控制圍岩的穩定性。而目前所採用的支護結構參數、施工工藝、管理措施大多是基於人工分部法的研究成果和經驗，已難以適應機械化全斷面法，因此依託於BIM技術解決以下挑戰。

（1）隧道軟弱圍岩大斷面機械化開挖施工工法可行性論證

掌子面穩定性控制：

同傳統軟弱圍岩人工分部開挖法相比，機械化大斷面開挖面積大，圍岩由此引發掌子面位移較大，當位移值達到安全閾值時，開挖工作面即出現失穩，甚至塌方現象發生，對隧道整體穩定性產生較大影響。

因此保障開挖面穩定性至關重要，需對傳統超前支護進行調整。

剪切隧道主體與之相同里程相應的地質模型，採用Plaxis進行超前預加固施工方案論證，分析經不同超前預加固施工後深埋隧道圍岩形變壓力數值模擬、虛擬驗算。選出最優超前預加固施工方案，結合施工現場應力應變實測反饋數據，論證超前預加固實施效果。

圍岩形變壓力數值模擬

圍岩形變壓力數值模擬—位移隨掘進過程的發展

圍岩形變壓力數值模擬—超前預加固後圍岩壓力

現場實測圍岩壓力時程曲線

結果表明採用9mφ76中管棚+掌子面玻璃纖維錨杆+高壓霹靂注漿超前預加固施工方案，對掌子面穩定性控制可達到最佳實施效果，證明經超前預加固施工後可進行軟弱圍岩大斷面帶仰拱開挖施工。

（2）支護結構參數優化調整

採用Plaxis進行隧道軟弱圍岩多支護結構調整方案數值模擬，對支護結構進行優化。結合施工現場大量支護結構應力應變、位移測試數據反饋，結果表明經優化調整後，圍岩壓力小於規範值，支護結構整體處於安全狀態。

支護結構數值模擬

支護結構數值模擬——支護完成後襯砌平均應力

現場數據採集現場實測鋼架內力時程曲線

現場實測噴射混凝土時程曲線 現場實測錨杆軸力時程曲線

通過對監測數據和圍岩收斂變形量測數據的對比分析，大斷面施工的優勢較為明顯，各項受力及變形數值均優於台階法施工。

① 全斷面工法開挖導致圍岩塑性區範圍有一定程度的增大，但總體差異不大；

② 全斷面工法開挖引起隧道拱頂下沉變形小於三台階法開挖；

③ 全斷面工法開挖引起支護結構最大主應力、最小主應力均小於三台階法開挖。

通過本項目BIM技術在隧道軟弱圍岩大型機械化配套施工中的應用，採用數字化協同設計將隧道機械化作業線進行優化提升，施工現場在保障施工質量的前提下提高了施工效率，與II型機械化相比，將單循環時間(IVk2/3.6m)提升至25.47h；基於SYNCHRO 4D 施工模擬，制定了合理的施工計劃，有序安排施工順序，發揮更高的施工效率，建設工期減少了5個月，取得了一定的經濟效益。

本項目以「隧道機械化施工+BIM」為切入點，探索BIM技術在隧道機械化配套施工管理過程中發揮優化施工工藝、提質增效等重要作用。

首創了基於BIM技術高速鐵路軟弱圍岩大型機械化配套大斷面施工新工藝，制定了隧道機械化施工標準BIM模型庫、積累軟弱圍岩大斷面機械化開挖工法「3D」知識成果庫。

針對隧道機械化施工工藝參數、工效指標、工序銜接、配置標準及成本測算等方面及時進行總結並形成系統性成果，為隧道機械化施工技術推廣奠定基礎。

為進一步攻克隧道鑽爆法智能化快速建造技術難題提供了新的解決思路，一定程度上實現行業內隧道工程數字化施工建設新突破，獲得業內多家鐵路相關單位的一致好評。

在隧道工程中，利用BIM技術深入研究軟弱圍岩大斷面機械化配套施工工法，推進隧道機械化、信息化、智能化裝備應用，建立科學、有效的數字化項目管理平台，達到施工信息可視化集成，實現鐵路隧道智能化施工。

方向1：基於 BIM 技術的鑽爆法全工序機械化流水線研究，對各工藝環節、以及各環節之間的銜接進行參數化模擬，探索隧道鑽爆法施工數字工廠模式。

方向2：特殊地質段虛擬施工技術，採用BIM技術對真實環境下的現場重建、安全分析、潛在災害識別進行虛擬仿真，編制可視化專項施工方案和應急救援方案。

方向3：基於GIS+BIM的多維工程信息融合應用技術，形成可視、可量測、可分析、可計算的隧道全空間實景三維場景，在此基礎上實現集成管理，支撐現場智能管控與智能建造。

鄭萬高鐵蘇家岩隧道項目

-END-

喜歡這篇文章的話，就點個「在看」吧