聯絡通道BIM 4D施工模擬與凍結溫度場數值分析

才士武， 周曉敏*， 張立剛

(1.北京科技大學土木與資源工程學院， 城市地下空間工程北京市重點實驗室， 北京 100083； 2.中煤邯鄲特殊鑿井有限公司， 邯鄲 056003)

隨著城市規模化的迅速發展，軌道交通也逐漸向地下方向拓展應用。借助建筑信息模型(building information modeling, BIM)信息化技術對地下工程項目進行專項施工應用，加快建筑業變革式發展。地鐵聯絡通道一般埋深較大，易受周圍環境影響，施工風險較高。而人工地層凍結法能有效加固地層，進行地下水封堵控制，且對地質和環境條件適應性強。在大數據智能應用的潮流下，信息化建筑理念重視程度大幅提高。凍結工法工藝流程較為復雜[1]，在工程項目實踐中進行信息化應用能有效提高工程施工效率，凍結溫度場的變化規律對凍結效果的判斷至關重要，直接影響凍結工程的施工質量。

地下工程BIM應用取得了一定的成果，但在地下工程的各個領域BIM應用仍處于初級的階段。彭文俊等[2]分析了聯絡通道施工存在的問題，并通過BIM技術進行施工技術交底、調整凍結管偏斜角度及檢驗凍結效果等五大應用，達到過程安全可控、提高質量的效果。戴林發寶[3]對隧道工程BIM應用進行分析，闡述了地鐵區間隧道BIM實施遇到的問題和阻礙，并提出解決對策，同時證明BIM技術能較好地完成工程設計和施工。Zhang等[4]基于施工實時模擬和BIM 4D施工管理對工程項目進行安全性分析，提出了解決施工過程沖突的分析方法，對于有效提高施工質量安全水平具有現實意義。針對工程凍結溫度場的研究中，Yu等[5]通過數值模擬復雜水平凍結工程中溫度場的發展過程。以地鐵聯絡通道凍結工程為依托分析了凍結溫度場的發展特征，結果與實測數據吻合較好。李曉娜等[6]對凍結溫度場變化發展規律進行研究，驗證數值模擬溫度場的可行性。陳軍浩等[7]利用ANSYS有限元分析軟件對聯絡通道雙側凍結溫度場的發展規律進行研究，證明凍結方案的可行性以及數值分析的可靠性。

研究表明，BIM技術在地鐵工程聯絡通道工程具有發展潛力，迫切需要其對專項施工進行精準化應用。根據地下工程特點，凍結施工BIM應用具有切實可行性。數值模擬對凍結溫度場發展規律的分析，對預測凍結帷幕發展，驗證凍結效果具有技術優越性。為此，根據北京地鐵17號線聯絡通道凍結工程特點，結合BIM技術與數值模擬分析，檢測凍結方案的可施工性以及凍結效果的達標性，進而達到提高工程施工質量的目標，同時為其他類似工程提供參考案例。

1 工程概況

根據勘察資料，北京地鐵17號線未來科技城南區站至北區站區間，線路呈南北走向，位于北京市昌平區魯疃西路西側，隧道拱頂覆土厚度為12.7～22.7 m，區間圓形隧道結構斷面直徑為6.4 m，聯絡通道右線里程YK48+364.719。1#聯絡通道地質依次穿越砂質粉土黏質粉土層、粉細砂層、砂質粉土黏質粉土層、粉質黏土層。地層以粉質黏土層為主，邊墻圍巖土體自穩能力差，易產生坍塌和局部涌砂、流砂等現象。聯絡通道埋深較大且土層有承壓水，采用人工凍結法封堵地下水，形成凍結壁加固土層，以確保聯絡通道工程順利施工。

2 凍結方案設計

依據凍結帷幕設計以及結合聯絡通道結構情況，凍結孔按上仰、水平和下俯3種方式共布置74個。其中凍結站側隧道布置13排(48個)，對側隧道布置4排(25個)，總造孔工程量428.61 m。凍結管布置參數如表1所示，凍結施工參數如表2所示，聯絡通道凍結孔位布置圖如圖1所示。布置測溫孔9個，即在凍結站側布設測溫孔2個，對側7個。以便掌握土體溫度，監測凍結壁厚度及平均溫度，凍結壁與隧道管片界面溫度和開挖區附近地層凍結情況[8]。

豎向標注均為垂高；A1～A13、D1～D16、M1～M15、B1～B6、N1～N15均為凍結孔；C1～C9為測溫孔

表1 聯絡通道凍結管布置參數

表2 聯絡通道凍結施工主要技術參數

3 基于BIM技術的聯絡通道凍結施工分析

3.1 BIM三維可視化設計

聯絡通道凍結施工要求嚴格，涉及參與專業復雜，基于BIM平臺對聯絡通道進行三維可視化建模，可以直觀反映凍結施工特性，及時發現問題，保證施工安全高效。聯絡通道BIM 3D三維可視化模型如圖2所示。BIM技術以信息化數字表達的方式為參建各方提供一個可視化的交流平臺，能有效解決各專業溝通不協調的問題，利于設計各方檢測設計施工的可行性，及時發現問題及安全隱患，達到提高工程質量的目標[9]。從模型建立到集成應用的過程應遵循一定的三維校審的流程，以確保項目模型的完整性和合理性。通過BIM技術校審內容，其面向對象是三維模型，根據不同階段的任務成果進行相對應的內容審核。重點放在專業內部和專業之間的內在邏輯的一致性，同時提出問題和審查修改意見，進一步完善BIM模型，優化達到預定的設計精度。本次聯絡通道凍結工程在全過程均記錄存檔，狀態過程具有可追溯性[10]，明確問題，后續核對鑒定，清晰責任人及任務解決情況。

圖2 BIM3D可視化模型

基于BIM技術模擬施工人員到建筑施工模型中，將模型導入Fuzor或者Lumio等軟件中也可以進行更好地渲染以及漫游預覽，模型漫游預覽圖如圖3所示，可以提前規劃漫游路徑，以第三人稱視角檢查整個工程項目的所有部位，檢查關鍵工序的完成情況，發現問題及時保存視點[11]，便于下次查驗，同時進一步確定聯絡通道凍結工程施工的完整性和精確性。直觀清晰地看到設計施工的細節偏差，加速設計與施工方的交流、簡化溝通流程，使得設計的交底更順利的完成。

圖3 模型漫游預覽圖

3.2 BIM4D實時施工模擬

BIM信息化模型隨著設計和施工的進行而實時添加項目信息，能真實反映聯絡通道凍結施工各階段的真實情況。BIM的能高效協同設計、施工進度與工程監測之間的工作，將各方信息集成到BIM模型[12]。通過施工模擬和實時進度管理可以有效降低施工質量風險，做好進度精細化管理，保證凍結施工順利完成，達到聯絡通道開挖條件。圖4為聯絡通道凍結工程中各個施工工序的施工對象動畫。“Animator”動畫制作模塊可以對各個工序構件組創建相應的動畫集與場景，并通過“Timeliner”時間軸將建筑施工進度的各種工作與BIM 3D模型相鏈接，實現BIM 4D施工動態化模擬項目施工全過程，施工模擬工藝動畫如圖5所示，形象直觀地反映工程施工的進度變化。同時管理人員可通過自行更改設置時間，方便查看任意日期狀態下工程的進度和完成情況[13]。凍結工程施工方及時錄入工程質量檢測和安全數據，基于BIM平臺將現場監測數據反饋到BIM 4D信息模型，方便實時查詢任意施工階段及構件的安全質量問題[14]。

循環播放是指當動畫結束時，它將重置到開頭并再次運行；P.P.是使用往復播放模式，當動畫結束時，它將反向運行，直至到達開頭

圖5 施工工藝動畫

4 現場監測結果分析

4.1 鹽水溫度監測分析

在凍結前期，北京17號線聯絡通道凍結工程鹽水溫度變化較為明顯，說明在凍結初期，與周圍土體迅速進行熱交換，凍結效率高。隨著凍結時間變化，凍結逐漸穩定，去路和回路的鹽水溫度趨于一致，兩者之間的溫度差值基本恒定為1.8 ℃，變化率接近0。維護凍結時期，去、回路鹽水溫度差值基本穩定。至凍結40 d時，去路鹽水溫度保持在-30.4 ℃左右，回路鹽水溫度保持在-28.6 ℃左右。地鐵聯絡通道凍結工程冷量傳遞效果滿足預期目標。鹽水溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 鹽水溫度變化曲線

4.2 測溫孔溫度監測分析

通過整理聯絡通道凍結工程溫度場的現場實測數據，可獲得在各地層不同深度下的地層溫度變化曲線。選擇不同測點水平深度C1～C9測溫孔，實測溫度曲線如圖7所示。

圖7 各測溫孔溫度變化曲線

選取測溫孔具有代表性的C4、水平深度1.5 m為例進行分析。迅速凍結期為7 d，土體溫度由初始地溫13.18 ℃下降到2.31 ℃，平均速率達到1.55 ℃/d；凍結第11天，土體溫度降到0 ℃以下，自由水不結冰，出現過冷現象；潛熱釋放期為5 d，土體溫度由2.31 ℃下降到-1.31 ℃，平均速率達到0.72 ℃/d。部分孔隙水凍結釋放潛熱，降溫速率明顯下降；持續降溫13 d，土體溫度由-1.31 ℃下降到-12 ℃，平均速率達到0.82 ℃/d。潛熱釋放完畢后，土體溫度下降速率上升；維護凍結期間，土體溫度基本穩定在-15.68 ℃，凍結壁厚度保持穩定范圍，土體溫度也基本達到穩定狀態。

水平深度0.5、1.5 m不同測點溫度變化曲線如圖8所示，測溫孔C1、C5的降溫速率分別對應低于測溫孔C2、C4的速率，數據匯總分析如表3所示。以水平0.5 m處為例，C1、C2、C4、C5測溫孔下降到0 ℃分別需要19、13、15、22 d，測溫孔距離最近的凍結管分別為660、613、783、894 mm，可推算出凍結帷幕發展到4個測溫孔的速度分別為34.74、47.15、52.20、40.64 mm/d。C1和C5靠近凍結壁外壁與凍結區外側的土體接觸，凍結區外的土體也會分走部分冷量，冷量向外擴散造成冷量損失，所以導致速率降低。

圖8 不同測點溫度變化曲線

表3 測溫數據匯總分析

4.3 凍結帷幕厚度分析

根據9個測溫孔監測分析，凍結平均發展速度外側平均為34 mm/d，內側為60 mm/d。根據凍結孔實際偏斜，按凍土平均發展速度34 mm/d，凍結40 d，做B-B切面進行交圈圖分析。聯絡通道凍結情況切面索引圖如圖9所示。根據9個測溫孔所顯示數據、凍結天數等情況初步分析計算，B-B切面凍結壁有效區最大孔間距1 455 mm，在N1和D16之間。凍土平均發展速度按34 mm/d計算，凍結40 d預想交圈圖如圖10所示，B-B切面最小凍結壁厚度為2 519 mm，在D12和D14之間。

R為半徑

圖10 凍結40 d預想交圈圖(B-B切面)

5 聯絡通道凍結溫度場數值模擬

5.1 數值模擬模型及基本假定

5.1.1 數值模擬模型

因為三維數值模擬模型較為復雜，凍結管布置近似水平插入土層，實際凍結鉆孔軌跡需要依據現場實測數據。而BIM技術最大的特點是數據信息的高度集成，且可視化作為BIM最突出的優勢，可直觀體現構件間的互動性和反饋性。BIM信息模型隨著工程推進不斷細化，利用信息集成達到對項目目標的主動控制和實時優化[15]。利用BIM建模軟件Revit建立數值模擬模型，模型尺寸為長40 m、高40 m、寬20 m，凍結管布置近似水平插入土層，再導入ABAQUS進行有限元模擬。數值模擬三維BIM模型如圖11所示。內部隧道與凍結管模型如圖12所示。

圖11 數值模擬三維BIM模型

圖12 凍結管模型

5.1.2 基本假定

為了簡化計算，對計算模型定義了如下假設條件：①假設土體各土層均質，各向同性；②假設土體具有均勻的初始溫度，經現場測試取地溫平均溫度20 ℃作為土體原始地溫；③不考慮地下水滲流對溫度場的影響；④聯絡通道大部分處于粉質黏土層，且考慮最不利傳熱土層，模型土層取粉質黏土。

5.2 材料參數

每個土層選取兩個樣本進行土壤密度測定試驗，試驗測得的平均值作為ABAQUS數值模擬土層密度的參數。其中粉質黏土密度取平均值1.93 g/cm3。設置材料參數中定義土體屬性時，主要考慮凍結管與土體的熱傳導。由于土中水凍結結冰時會發生水-冰相變，同時釋放潛熱對凍結壁的形成造成影響，所以需要定義土體的潛熱大小以及凍結溫度區間。根據凍結溫度實驗可得粉質黏土的溫度凍結區間為[-0.56 ℃,0 ℃]，潛熱取46.5 kJ/kg。根據現場土體勘察取樣試驗，可得各土層物理力學參數。取最不利影響因素粉質黏土為例，具體參數如表4所示。

表4 土層熱物理力學參數(粉質黏土)

5.3 數值模擬計算結果分析

5.3.1 凍結溫度場結果分析

數值模擬溫度場分布云圖如圖13所示。可以看出，積極凍結初期1～10 d時，冷凍站制備低溫鹽水通過凍結管將土體熱量帶出，隨著凍結時間發展，凍結圓柱直徑以凍結管中心向外不斷擴大并于其他凍結圓柱已開始相交形成凍結壁，但尚未完全交圈完畢。聯絡通道上下層凍結管布置的是多層，而左右兩側僅布置單層，可以看出凍結管布置越密集，溫度場發展得越快，且所形成的凍結壁越厚。凍結15 d后，鹽水溫度穩定不再降低，所以凍結壁厚度發展緩慢，逐漸形成封閉凍結帷幕。凍結30 d后，凍結速率很低，凍結壁厚度緩慢增長。凍結40 d時，在開挖面一側施工1個探孔，探孔距離凍結孔向中心方向1 200 mm，實測土層溫度-5.1 ℃。根據監測結果，積極凍結40 d后凍結壁厚度2.5 m，已達到設計值2.3 m以上，滿足聯絡通道凍結開挖條件，證明凍結管布置合理，基于BIM技術的凍結鉆孔質量控制效果較好。

圖13 溫度場分布云圖

5.3.2 現場實測與數值模擬溫度曲線對比

凍結過程中，聯絡通道布置了9個測溫孔。數值模擬取測溫孔C4、水平深度1.5 m為例分析，現場按工程實際測溫點位記錄溫度變化值。測溫孔的現場實測溫度曲線與數值模擬溫度曲線如圖14所示，從溫度曲線分析可以看出，現場實測溫度略高于數值模擬溫度。聯絡通道頂板距離公園湖底約16.5 m，擬建聯絡通道埋深較大，隧道頂板以上主要為土砂層，考慮到是由于實際工程凍土帷幕熱交換受地下水等諸多因素影響，會分走部分冷量，而數值模擬模型在保證試驗精確度的前提下進行了簡化處理。綜上，測溫點數值模擬溫度曲線與實測溫度曲線基本一致，數值模擬得到的瞬態凍結溫度場能有效反映真實工況，并實時掌握凍結情況。

圖14 測點C4、水平深度1.5 m現場實測與數值模擬溫度曲線對比

6 結論

(1)基于BIM技術的地鐵聯絡通道凍結施工應用，可以提高參與方溝通效率，減少設計變更，能有效提升工程質量和整體施工水平。在鏈接時間進度信息基礎上建立BIM 4D模型，實時模擬施工過程，實現凍結工程工期精細化、進度可視化效果。基于BIM技術對凍結工程施工進度動態管控，合理控制施工進度，優化施工方案。

(2)數值模擬與實測溫度曲線基本一致，數值模擬凍結溫度場能反映凍結施工實際工況。證明數值模擬計算對凍結溫度場分析的可行性，能有效預測凍結壁交圈時間和厚度。

(3)凍結40 d后凍結壁厚度2.5 m，凍結壁強度滿足要求，凍結效果良好，采用凍結法施工達到聯絡通道開挖條件。本工程采取的水平凍結施工方案和數值模擬分析可為其他類似工程提供借鑒和參考。