基于BIM的電力盾構隧道地層損失量實時監測

拾 峰，高 飛，于 唯，洪 強，郭 堯，孫軍強

(1.國網江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 211000；2.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210009)

0 引言

近年來，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技術快速發展，被認為是未來建筑行業的第二次革命。由于地下工程施工的特殊性，BIM技術在地下工程領域的發展比較滯后。相對建筑、公路、橋梁等工程而言，地下工程建設難度更大、施工風險更大、安全隱患更多，而且一旦出現質量問題，修復難度較大，所以在地下工程施工過程中要執行嚴格的實時監測與控制規程。

以南京秋藤—山江220 kV線路工程為例，基于BIM技術對地層損失量進行實時監測研究，從而為盾構參數提供實時數據支撐。

1 工程概況

1.1 項目簡介

南京秋藤—山江220 kV線路工程(電纜段)盾構區間，起點為山江變電站頂管段末端(珍珠泉旅游度假區)，終點為珍珠街，接南京秋藤—山江220 kV線路。該電纜為盾構段(埋深6～17 m)，盾構隧道段共設置3座盾構井，盾構始發井、盾構過渡井及盾構接收井各一座。區間總長約2 325 m，隧道最小轉彎半徑為200 m，最大坡度3.5 %，隧道內徑為3 000 mm，外徑為3 500 mm。

1.2 工程難點

本區間隧道從粉質黏土及基巖中通過，隧道圍巖接觸界面多變，有軟斷面、上軟下硬及全斷面硬巖等不同形式，盾構姿態不易控制，對刀盤切削能力要求較高，且局部巖層破碎、裂隙發育處可能存在豐富的基巖裂隙水、土倉壓力不穩定，易造成地表塌陷，以及隧道涌水、涌砂。

2 BIM技術應用

2.1 地層損失量計算

在隧道盾構施工中，由于管片的拼裝是在盾構機的外邊鋼殼內進行的，當盾構機向前推進時，外邊鋼殼跟隨盾構機前進，在盾構機內部拼裝的管片脫出盾構機，由于盾構機的外邊鋼殼比管片的外徑要大，在管片和土體之間必然會形成較大的空隙，這時管片后的土體在自重作用下也會發生位移，從而引起隧道上方的地層移動，部分區域甚至會產生較大的瞬時沉降。

地層的變化情況按應變—變形—位移—地面沉降的過程逐步表現出來。地層損失是按照理論計算得出的土體與實際施工中開挖出的土體的體積差。

不計實際施工中的土體損失，盾構機開挖出的土體體積V0為：

式中：r0為盾構外徑；L為推進長度。

盾構機每推進1 m所產生的地層損失為：

式中Vs為地層損失率，%。以Peck公式的假設為基礎，即假定施工引起的地面沉降是在不排水的情況下發生的，則認為沉降槽體積等于地層損失的體積，且地層損失在隧道長度上均勻分布，也就是地層損失率等于同一斷面沉降槽截面積S1與盾構外徑面積S2的百分比V實。

式中：S1為實測沉降面積，mm2；S2為盾構外徑面積，mm2，為定值；盾構外徑均為3.5 m；V實為實測地層損失率，%。

2.2 技術原理

本次要解決的技術問題是克服現有技術的不足并提出一種基于BIM的隧道地層損失量監測裝置及方法，同時考慮機頭沉降的影響，能夠直接準確實時測量盾構過程中的地層損失，從而避免依據地表沉降分析引起的滯后。

該隧道地層損失量監測裝置由盾構機姿態和沉降監控設備、隧道沉降監控設備、無線傳輸設備和BIM平臺構成。

(1) 盾構機姿態和沉降監控設備安裝于盾構機尾部，用于監測盾構機的傾角和沉降并將盾構機機頭的傾角和因機頭重量引起的沉降量L0經無線傳輸設備輸出至BIM平臺。

(2) 隧道沉降監控設備安裝在已掘進的沿線隧道襯墊內側，用于監測已掘進隧道的沉降并將已掘進隧道沉降量L1經無線傳輸設備輸出至BIM平臺。

(3) BIM平臺上設有無線信號接收設備，接收盾構工作井上無線信號設備發出的信號，對接收的盾構機機頭的傾角、L0及L1進行處理得到地層損失量。

2.3 模型優化與應用

對隧道地層損失量監測裝置進一步優化，在隧道內安裝多個沉降監控設備，每隔5～50 m在隧道頂部布設一個。

該裝置是考慮沉降條件的隧道地層損失量計算模型，其使用方法包括以下幾步驟。

(1) 基于BIM技術和盾構機頭行進坐標，建立盾構機行進過程的三維模型。

(2) 基于步驟1中BIM行進過程的三維模型和隧道沉降監控設備監測結果，采用樣條曲線對已掘進隧道的沉降量沿行進里程進行插值，建立具備時空效應的三維隧道變形模型。

(3) 基于BIM的三維模型技術，獲取由非線性引起的盾構機切向旋轉占用體積和隧道的等效開挖半徑。

(4) 基于步驟1的盾構機行進過程的三維模型、步驟2的三維隧道變形模型、隧道沉降監控設備監測結果及步驟3中隧道的等效開挖半徑，計算地層損失量Vj及已掘進隧道地層損失量V'j公式為：

式中：Vj為因隧道開挖造成的計算地層損失量；為已掘進隧道地層損失量；R為隧道的等效開挖半徑，隧道直線開挖則等于開挖半徑，隧道存在旋轉半徑開挖則根據BIM模型中占用體積計算等效半徑；r為隧道管片的外圍尺寸半徑；L為盾構機的沉降量；L0為盾構機機頭重量引起的沉降量；D為盾構機頭的長度；θ為盾構機機頭傾角；為已掘進隧道的沉降量，即因盾構機機頭重量引起的沉降量L0與已掘進隧道的沉降量L1之和，其計算模型如圖1所示。

圖1 考慮沉降條件的隧道地層損失量計算模型

3 結束語

這種基于BIM的隧道地層損失量監測裝置和使用方法能夠直接準確實時測量盾構施工過程中的地層損失，避免依據沉降分析引起的滯后性，為施工管理提供了更為直接的引起地表變形的物理指標，是開展進一步管控措施的依據，為隧道建設周邊安全提供了直接保障。