基于BIM的地鐵橫通道內盾構主機平移技術

蔡志勇 吳華州 鄭愛元

1.北京市政建設集團有限責任公司，北京100089；2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；3.深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳518026

盾構法施工由于具有對周圍環境影響小、施工效率高、安全等優點，在我國城市地鐵工程修建中被大量應用。隨著我國城市軌道交通建設日益完善，城市中可為盾構始發提供的場地越來越少，盾構需要平移通過一定長度的暗挖橫通道才能到達指定的始發位置。本文運用BIM 技術對暗挖橫通道內盾構主機平移進行模擬，將平移過程可視化，針對平移中可能出現的問題進行改進，最終選用合理的平移方案。

李震［1］介紹了一種盾構機分體平移過站的施工技術，保證了盾構機在場地受限條件下的順利始發。李艷輝［2］采用盾構空推技術和盾構曲線始發技術解決了無盾構始發場地的難題。張士民［3］介紹了盾構在弧形導臺上和平面軌道上空推技術，以及鋼板接觸移動法和滾珠轉盤移動法平移施工技術。常建軍［4］采用BIM技術對天津地鐵6號線某盾構區間施工進行了仿真模擬，提前發現并解決了施工中出現的問題。劉一鳴、廖志剛等［5-6］介紹了BIM 技術在基坑工程設計和監測管理中的應用。陳卓等［7］針對成都地鐵某工程運用了BIM 技術，通過構建施工模型和運用基于BIM 的施工管理程序，提高了項目管理能力。李海生等［8］依托昌平線地鐵南延工程，將BIM 技術應用于施工現場的布置、進度管理、三維技術交底等方面，實現了BIM 在大型地鐵施工中的應用。

本文依托北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區間左線盾構施工，應用BIM 技術分析暗挖橫通道內盾構主機平移問題，尋求合理的平移方案。

1 工程概況

北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區間位于北京市朝陽區朝陽公園南路及姚家園路，線路西端緊鄰朝陽公園南門，中部下穿兩湖連通渠及東四環朝陽公園橋，東端為泛海國際居住區及石佛營西里小區。地表環境以道路為主，線路兩側還分布有麗水嘉園小區、公園大道小區、郡王府、樂視大廈、觀湖國際大廈等。地面標高34.86～36.94 m，地勢較平坦，人口和建筑物均相對密集，地表交通流量很大，地下市政管線密集。擬建工程位置如圖1所示。

圖1 擬建工程位置示意

本區間采用盾構法施工，由于受始發場地限制，盾構主機需要平移通過暗挖橫通道進行分體始發。盾構始發橫通道平面如圖2所示。施工中采用中交天和機械設備制造有限公司制造的土壓平衡盾構機，刀盤直徑為6.56 m，盾構主機長9.42 m，后配套臺車最長為7.5 m。盾構主機以始發基座為平移平臺，將盾構主機與始發基座焊接為一個整體，使用千斤頂作為縱向和橫向的頂推裝置，在暗挖橫通道內通過盾構滑軌將盾構主機空推至盾構始發段隧道的始發位置，后配套臺車借助電瓶車通過鋪設的臺車軌道整體拖運至暗挖橫通道的始發位置，盾構主機與后配套臺車之間通過加長管線連接來進行分體始發。其中難點在于盾構主機如何從暗挖橫通道轉向始發段隧道。

圖2 盾構始發橫通道平面示意（單位：mm）

2 方案設計

首先根據CAD 圖紙通過Revit 軟件創建暗挖橫通道模型（圖3）和盾構機模型，在CAD 軟件中通過幾何分析確定盾構主機的移動軌跡，然后通過Naviswork軟件進行模擬。

圖3 暗挖橫通道Revit模型

盾構機的移動軌跡通過盾構主機形心的移動軌跡確定，本文重點研究盾構主機如何從橫通道轉向盾構始發段隧道。盾構主機轉彎處軌跡如圖4所示。其中黃色陰影部分為盾構主機的移動軌跡；L1為盾構主機形心與橫通道軸線的間距；L2為盾構主機形心與始發段隧道軸線的間距；R為盾構主機在轉彎處的轉彎半徑；D1、D2、D3分別為盾構主機尾部、中部、頭部與隧道襯砌的最小間距，是方案中應控制的三個關鍵點。

圖4 盾構主機轉彎處軌跡示意

方案主要考慮了L1、L2、R三個參數。其中L1取 0、100、200 mm 分別對應水平 1、2、3；L2取 0、100、200、300、400 mm分別對應水平1、2、3、4、5；R取10.0、9.5、9.0、8.5、8.0、7.5、7.0、6.5、6.0、5.5 m 分別對應水平1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。

3 討論與分析

本文討論了150種方案，見表1。定義盾構機與隧道襯砌不發生碰撞為可行方案；盾構機與隧道襯砌的間距都大于100 mm 為合理方案。盾構機與隧道襯砌發生碰撞為不可行方案。在150 種方案中，可行的方案有93 種，其中有48 種合理方案；不可行方案有57種。通過分析，最終選用L1= 200 mm，L2= 200 mm，R=8.0 m 的方案作為暗挖橫通道內盾構主機平移的施工方案。

表1 方案結果匯總

3.1 可行方案

分析可行方案中一種合理的情況：L1= 200 mm，L2= 200 mm，R= 8.0 m。該情況下，盾構主機與橫通道襯砌的間距上側為505 mm，下側為905 mm，與始發段隧道襯砌的間距左側為1 305 mm，右側為905 mm。盾構主機轉動12°21′尾部與橫通道襯砌的最小間距為161 mm；轉動19°40′中部與橫通道襯砌的最小間距為245 mm；轉動47°34′頭部與橫通道襯砌的最小間距為158 mm。在Naviswork 中模擬施工，盾構主機尾部、中部、頭部與橫通道襯砌的間距如圖5 所示。綜合分析表明該方案是可行并且合理的。

圖5 盾構主機間距示意

3.2 不可行方案

3.2.1 盾構主機頭部與橫通道襯砌發生碰撞

盾構主機頭部與橫通道襯砌發生碰撞的情況共有13 種，現分析其中一種：L1=200 mm，L2= 400 mm，R=9.5 m。該情況下，盾構主機與橫通道襯砌的間距上側為505 mm，下側為905 mm，與始發段隧道襯砌的間距左側為1 505 mm，右側為705 mm。盾構主機轉動13°38′尾部與橫通道襯砌的最小間距為156 mm；轉動20°33′中部與橫通道襯砌的最小間距為118 mm；轉動44°49′頭部與橫通道襯砌開始碰撞；轉動47°50′頭部與橫通道襯砌結束碰撞，最深碰撞長度上側為697 mm，下側為88 mm。在Naviswork 中模擬施工盾構主機頭部與橫通道襯砌碰撞，見圖6。

圖6 盾構主機頭部碰撞示意

3.2.2 盾構主機中部與橫通道襯砌發生碰撞

盾構主機中部與橫通道襯砌發生碰撞的情況共有7種，現分析其中一種：L1=200 mm，L2=100 mm，R=10.0 m。該情況下，盾構主機與橫通道襯砌的間距上側為505 mm，下側為905 mm，與始發段隧道襯砌的間距左側為1 205 mm，右側為1 005 mm。盾構主機轉動15°43′時尾部與橫通道襯砌的最小間距為127 mm；轉動14°57′時中部與橫通道襯砌開始碰撞；轉動33°18′中部與橫通道襯砌結束碰撞，最深碰撞長度左側為211 mm，右側為147 mm；轉動44°53′頭部與橫通道襯砌的最小間距為237 mm。在Naviswork 中模擬施工盾構主機中部與橫通道襯砌碰撞，見圖7。

圖7 盾構主機中部碰撞示意

3.2.3 盾構主機尾部與橫通道襯砌發生碰撞

盾構主機尾部與橫通道襯砌發生碰撞的情況共有27 種，現分析其中一種：L1= 0 mm，L2= 0 mm，R=8.0 m。該情況下，盾構主機與橫通道襯砌的間距上側為705 mm，下側為705 mm，與始發段隧道襯砌的間距左側為1 105 mm，右側為1 105 mm。盾構主機轉動11°20′時尾部與橫通道襯砌開始碰撞；轉動13°59′時尾部與橫通道襯砌結束碰撞，最深碰撞長度上側為534 mm，下側為95 mm；轉動24°47′中部與橫通道襯砌的最小間距為299 mm；轉動48°56′頭部與橫通道襯砌的最小間距為420 mm。在Naviswork 中模擬施工盾構主機尾部與橫通道襯砌碰撞，見圖8。

圖8 盾構主機尾部碰撞示意

3.2.4 盾構主機尾部、頭部與橫通道襯砌發生碰撞

盾構主機尾部、頭部與橫通道襯砌發生碰撞的情況共有5 種，分析其中一種：L1= 0 mm，L2= 400 mm，R=9.0 m。該情況下，盾構主機與橫通道襯砌的間距上側為705 mm，下側為705 mm；與始發段隧道襯砌的間距左側為1 505 mm，右側為705 mm。盾構主機轉動11°51′時尾部與橫通道襯砌開始碰撞；轉動13°22′時尾部與橫通道襯砌結束碰撞，最深碰撞長度上側為335 mm，下側為49 mm；轉動21°26′中部與橫通道襯砌的最小間距為333 mm；轉動46°32′頭部與橫通道襯砌開始碰撞，轉動48°9′結束碰撞，最深碰撞長度上側為354 mm，下側為56 mm。

3.2.5 盾構主機中部、尾部與橫通道襯砌發生碰撞

盾構主機中部、尾部與橫通道襯砌發生碰撞的情況只有1種：L1=0 mm，L2=0 mm，R=10.0 m。該情況下，盾構主機與橫通道襯砌的間距上側為705 mm，下側為705 mm，與始發段隧道襯砌的間距左側為1 105 mm，右側為1 105 mm。盾構主機轉動12°31′時尾部與橫通道襯砌開始碰撞；轉動16°43′時尾部與橫通道襯砌結束碰撞，最深長度上側為1 003 mm，下側為87 mm；轉動24°33′中部與橫通道襯砌開始碰撞；轉動28°37′中部與橫通道襯砌結束碰撞，最深碰撞長度左側為9 mm，右側為8 mm；轉動45°59′頭部與橫通道襯砌的最小間距為362 mm。

4 結語

本文依托北京地鐵3號線朝陽公園站—石佛營站區間工程，應用BIM 技術對暗挖橫通道內盾構主機平移進行模擬，充分發揮BIM 技術的可視化特性，進行施工碰撞檢查，采取針對性的改進措施。最終選用的施工方案中，盾構主機形心與橫通道軸線的間距為200 mm，盾構主機形心與始發段隧道軸線的間距為200 mm，盾構主機在轉彎處的轉彎半徑為8.0 m。該方案在保證盾構平移安全的情況下提高了效率。