BIM技術在高速鐵路隧道工程機械化智能建造的應用

李福林

（中鐵十二局集團第三工程有限公司）

1 BIM模型設計

1.1 建立隧道模型

在傳統的二維圖紙設計中，發現有不合理不協調的狀況很難進行修改，對工程整體施工進度產生影響。隨著BIM技術的普及，在隧道工程設計中實現了設計的可視化，在對隧道工程進行整體施工建造前，建造一個模型，直觀展示工程中的過軌管分布、接觸網槽道預埋、鋼筋安裝等施工工作。采用CSD軟件分段建立隧道BIM設計模型，再按施工要求對設計模型自動切分、自動生成和綁定編碼，最終形成隧道施工BIM模型（見圖1）。

1.2 BIM可視化管理

三維模型精細呈現設計細節。通過三維建模首先使技術人員在建模過程中更加深刻理解工程內容，通過三維模型進行技術交流和探討。基于BIM模型的成果和設計數據，通過基于GIS的管理平臺，全面整合各項數據，如里程樁號、地形地貌、環水保線、穿既有線等各種場景的信息，以更加清晰逼真的形式體現工程實景。同時，通過三維展示方式可以任意角度查看，在主體模型與既有地形模型相結合后，方便施工方案的制定和審核[1]。

2 協同管理

BIM管理體系以BIM模型為管理載體，將BIM技術與信息化管理緊密結合起來，通過對工程項目三維可視化、信息化、精細化的綜合管理，打通各個業務、各個參與單位之間的數據聯系，搭建“數字工地”。

圖1 整體隧道BIM模型圖

全員參與，建立起項目的高效協同。以BIM技術搭建的三維模型為基礎，以協同管理為手段，在施工過程的管理中建立全員參與的協同管理體系，實現各項信息共享，按照不同的權限、角色建立起職責履行清單。

以工序為紐帶加強現場把控，實現建造過程痕跡保留，建立以工序過程為核心的過程控制體系。工序作為施工過程的重要環節，實現了基于工序的自動關聯進度。工序開始，反映到模型上：顯示結構物正在施工，進行到關鍵工序時自動關聯檢、驗、批，必須驗收合格以后才允許進入下道工序。同時，基于工序建造過程的時間節點、責任人、現場影像資料同步自動生成，形成了完整的建造過程的痕跡保留。

基于BIM技術，推動標準化、規范化、精細化的管理體系。BIM技術的本質是以信息化為驅動。在建設BIM體系的過程中要求管理體系標準化，同時結合規范化的措施和精細化的管理要求，確保所有信息有序流動，最終關聯到模型。在檢、驗、批現場填報，現場確認時，結合手機端GPS定位，實時現場確認，落實規范標準的管理體系。

3 隧道智能化施工設備

3.1 ZYS113全智能三臂鑿巖臺車

3.1.1 超前地質預報的應用

采用ZYS113全智能三臂鑿巖臺車進行超前地質預報，結合超前鉆孔及加深炮孔法等方法，實現快速預報。鉆孔時，鉆孔深度30m～50m，實時監測推進速度、沖擊壓力、推進壓力、回轉壓力、水壓力和水流量等參數，并通過MWD軟件分析復原地質情況，形成地質報告。對掌子面前方情況進行綜合分析，科學判定前方地質情況；對掌子面穩定性做出分類，為現場施工提供準確的依據，并基于此在BIM模型上建立隧道大數據地質庫，指導現場施工。

3.1.2 鉆爆開挖及初期支護智能化建造的應用

導入作業面爆破設計圖，與隧道坐標結合，在鑿巖臺車電腦上生成開挖循環的隧道輪廓與爆破圖，不需要測量人員標注隧道輪廓和鉆孔孔位，將斷面圖及炮孔圖顯示在鑿巖臺車電腦上，操作人員完全按照電腦顯示，控制炮孔的角度和深度，根據電腦指示擺臂架的角度。系統錨桿施工前，臺車預先輸入錨桿設計參數以及斷面數據，進而確定錨桿位置信息，臺車依據系統預設實現自動移臂對孔定位、自動鉆孔。

3.2 SCDZ133智能型多功能作業臺車

SCDZ133智能型多功能作業臺車配套設施有底盤行走系統、發動機系統、臂架系統、定位系統、掃描系統、智能控制系統、電氣控制系統等。

①智能型多功能作業臺車裝有定位系統，通過系統換算將大地2000坐標系轉換為系統內部可識別坐標，實現臺車在隧道坐標系下的精準定位。

②臺車車前裝有掃描系統，對斷面進行掃描，同時采集數據，車內設有設備對采集數據進行處理，形成三維隧道斷面點云模型，通過與BIM模型相連，在模型上與設計斷面對比分析出隧道超欠挖情況。

③改變傳統拱架安裝方式，在臺車上安裝有智能控制系統，在地面鏈接中間3節拱架，舉升至拱頂，再抓取左右兩側拱架，舉升至安裝位置，安裝連接螺栓，調整拱架姿態，焊接網片與連接筋，掃描拱架安裝位置尺寸，并實時采集數據上傳至BIM模型，將其與設計位置進行對比，實現按照設計數據進行拱架自動安裝作業。

3.3 HPSZ3016S濕噴臺車

HPSZ3016S濕噴臺車是在HPS3016S的基礎上進行智能化升級改造的產品，其配套設施有底盤行走系統、發動機系統、臂架系統、泵送系統、定位系統、掃描系統、智能控制系統、電氣控制系統等。

①濕噴臺車車前安裝掃描系統，對斷面進行掃描采集數據，車內設有設備對數據進行處理，形成三維隧道斷面點云模型，自動精確計算各處超欠挖值。通過對隧道輪廓的三維建模與計算，施工中指導噴射方式并評估噴射質量。電腦圖像實時指示各區域噴射厚度，對噴射厚度進行精準量化控制。通過三維掃描提前預估噴射方量，噴射完成后計算實噴方量、回彈率，評估噴射質量。

②濕噴臺車安裝有智能控制系統，通過對隧道輪廓的三維建模與計算，進行設計噴射數據處理，控制臂架系統、泵送系統、掃描系統進行自動噴射。

3.4 數字化襯砌臺車

數字化襯砌臺車配套裝置有滑移軌道系統、發動機系統、雙灌注系統、電氣控制系統、高頻氣動振動系統、軟搭接系統、定位系統、壓力傳感系統、參數觀測系統、實時監控系統、全自動打磨涂脫模劑系統、信息化系統等。

①襯砌臺車裝有定位系統，通過前端架設掃描儀，后端架設全站儀，分別對隧道內的三個激光靶標進行半自動和自動照準；獲取的臺車中軸定位坐標，可通過臺車控制系統與油缸自動調節至與隧道中軸線重合，實現臺車自動定位功能。

②襯砌臺車具備參數觀測系統，可進行混凝土灌注方量測量、灌注壓力監測、拱頂飽滿度測量、入模溫度記錄等功能。對實時灌注流量及總量，通過混凝土流量計進行測量統計，混凝土的預澆筑方量可通過車載式3D自動掃描儀或激光斷面儀測量。

③改變傳統振搗方式，在臺車模板上加裝高頻氣動振動系統引進歐洲臺車的主流振動技術，減少拱頂局部堵塞，解決混凝土密實問題。

④采用雙灌注系統，下灌注系統采用機械手分窗分層自然流下澆筑，上灌注系統采用“拱頂部水平壓入澆筑工法”實現帶壓澆筑。提高了混凝土質量，減少氣泡產生。

⑤混凝土澆筑過程中，通過實時采集數據，關聯至BIM模型，展示出混凝土的狀態，可及時檢查襯砌混凝土是否飽滿、混凝土入模溫度能否達到要求、振搗是否到位等問題。

4 結語

文章從BIM模型設計、協同管理和智能化施工設備三方面，開展了高速鐵路隧道工程機械化智能建造的應用研究，可為相關技術人員提供參考，從而加快鐵路隧道施工效率，提升施工質量。