沙特NEOM隧道項目BIM與GIS關鍵技術研究*

王朝語

(中國鐵建國際集團有限公司,北京 100039)

0 引言

NEOM是沙特阿拉伯的一座全新未來城市,位于紅海沿岸,計劃打造成為世界領先的智能城市。為連接NEOM與鄰近城市塔布克的干線基礎設施通路,需修筑大型隧道穿越塔布克西南山區。本項目即為該主隧道工程提供施工條件的施工通道,施工支洞、洞口結構及相關附屬設施。

項目設計階段,利用模擬與分析計算軟件,將涉及工程質量和安全施工的關鍵施工工藝、工法和施工組織安排進行模擬與分析,科學模擬施工方案和施工組織設計,可以提高材料的合理利用程度,保障人員、設備的安全組織,加強業主的成本控制。同時提升了總承包單位的設計管理水平,體現以設計為龍頭引領項目實施的先進理念。

項目實施階段,為滿足業主較高的進度與質量管理要求,提升總承包方的項目管理水平,本項目在策劃和實施階段采用了BIM技術,用以保障施工進度、提高工程質量、同時做好總承包方的投資管理,規避虧損風險。

在BIM的基礎上加入時間維度,并與建筑構件的計劃與實際進度發生關聯,即BIM4D管理。BIM4D不僅能提供可視化三維環境,便于管理者了解工程進度與資源配置,還為項目各參與方搭建了一個公開、透明的信息交互平臺。BIM的可視化特征,意味著“所見即所得”,也是虛擬設計與虛擬建造概念的可實現路徑。

1 數字模擬與分析

1.1 利用數字技術對特殊地質結構進行爆破模擬分析

在礦山法施工作業中,特殊地質結構的存在可能對爆破過程產生重要影響,因此進行爆破分析顯得尤為重要。特殊地質結構包括斷層、節理、溶洞等,具有較強的非均質性和不規則性,對巖體的穩定性和爆破效果都會帶來挑戰。

采用仿真模擬方法對特殊地質結構進行爆破分析具有顯著的優勢。通過建立準確的地質模型,并根據實際情況設定合理的參數,可以模擬爆炸荷載在特殊地質結構上的傳播和作用過程。這種模擬分析方法可以提供詳細的爆破效果預測和巖體響應評估,幫助工程師更好地理解和控制施工過程中的風險。

常用的仿真模擬方法包括有限元分析、離散元方法和計算流體動力學等。這些方法基于數學模型和物理原理,結合地質參數和爆破荷載數據,如圖1所示,通過計算和模擬得出爆破效果、巖體應力、變形和破裂等信息,評估巖體損傷情況。通過對不同爆破方案和參數的模擬比較,可以評估不同方案的可行性和效果,為工程決策提供科學依據。

圖1 爆破方案損傷程度分析Fig.1 Analysis of damage degree of blasting plan

1.2 基于BIM技術的爆破工藝優化

傳統隧道爆破的炮孔布置針對小斷面巷道設計,炮孔數量較多,特別是工作面中心炮孔密集,現場工人難以完成如此密集的炮孔布置。為了提高隧道施工效率和降低成本,實際工程中采用少鉆多裝藥的方法來加快爆破開挖速度。然而,這種做法可能導致保留巖體的損壞、嚴重的超挖問題以及初始混凝土的高消耗。

通過理論分析、數值模擬和現場試驗相結合,提出了大斷面隧道大孔距設計的理論方法,最大限度地向外推動楔形切槽孔,解放中央工作面。根據留存巖體損傷判定標準,確定最佳切孔角度和最佳布置位置。引入大孔距、小排距的設計理念,突破了傳統炮孔網布置的限制。這樣既能更有效地控制隧道斷面和保留巖體的損傷,又能減少鉆孔數量和相關成本,提高大斷面隧道爆破的掘進效率。

利用ANSYS LS-DYNA軟件進行大斷面隧道大孔距設計的仿真模擬可以提供詳細的爆破效果和巖體響應分析。根據實際隧道的幾何形狀和結構特征,在ANSYS LS-DYNA中創建隧道的三維幾何模型,包括洞口、工作面和周圍巖體。

在建立模型的基礎上,為隧道及周圍的巖體定義材料特性,如密度、彈性模量、抗拉強度和壓縮強度等。根據試驗數據或文獻資料提供的參數,考慮巖石的非線性行為,如損傷、破裂和變形。

確定爆炸荷載的位置、類型和大小,通常位于隧道工作面中心或其他關鍵位置。同時,設置邊界條件,模擬實際約束和支撐結構,如錨桿和噴射混凝土。通過數值模擬,運行LS-DYNA軟件進行爆破仿真。根據設定的荷載、材料特性和邊界條件,計算隧道在爆破荷載下的動態響應,包括巖體破裂、塌陷、振動和應力分布等。

對最終生成的模擬結果進行分析,評估隧道在爆破荷載下的安全性和穩定性。通過查看位移、應力、應變和損傷等數據,了解巖體的響應情況,并評估設計的有效性。

2 基于BIM技術的地質管理

2.1 基于BIM技術的隧道地質體聯動

在施工作業前,導入三維地質模型和DWG格式地質圖,模擬二維、三維路線聯動,可以建立真實準確的地質模擬場景。對比剖切地質體,查看地質報告與三維地質體差異,評估地質模型與實際地質體之間的差異,及時掌握地質信息的準確性和可靠性,深入了解地質情況并發現潛在的地質災害隱患。有效暴露地質災害預警分級信息,指導隧道施工,避免重大安全事故。

通過模擬二維、三維路線的聯動,可以對比剖切地質體,按里程樁號實時查詢地質體產狀及地質風險信息,根據圍巖等級對施工方案進行分析,得出施工建議,輔助施工決策。

借助實時查詢結果,可以對圍巖等級進行分析,并針對不同等級的圍巖提出相應的施工方案。通過對圍巖等級的評估,可以識別出潛在的地質風險點,進而制定相應的施工策略和安全措施。在高風險地段,可以考慮加強支護、減少裝藥量等措施以降低施工風險。

基于對地質體產狀及地質風險信息的實時查詢和分析,可以得出針對具體隧道段落的施工建議。這些建議將作為輔助施工決策的重要依據,有助于優化施工方案和確保施工的安全性和有效性。

2.2 基于GIS+BIM技術的地質超前預報與風險源管理

基于GIS+BIM技術的地質超前預報與風險源管理,是將項目的BIM模型與GIS系統相結合,實現對地質風險源的全面管理和控制。將二維、三維復核后的風險源信息與項目進度緊密關聯,利用信息化平臺和人工智能技術的結合,實現隧道掌子面的實時展示和穿越風險源的智能提醒。

通過將項目的BIM模型接入GIS數據,可以將地質超前預報的信息與項目進度進行動態關聯。管理者可以實時查看隧道掌子面地質情況,并及時發現與項目進度相關的風險源,采取相應的風險管控措施。

在對三維地質模型的分析過程中,通過地質模型可基于多種線框和渲染模式對任意曲線進行剖切顯示(見圖2),容易獲得各層地質界面信息,從而進行超前地質預報。配合實際的超前地質預報、鉆孔數據進行綜合分析,全面指導施工,確保安全和質量可控,隧道進尺有據可依。

圖2 地質分層信息Fig.2 Geological stratification information

3 BIM4D的進度與協同管理

3.1 基于BIM4D的施工計劃與進度管理

基于BIM4D的施工計劃與進度管理可以直觀、高效地幫助項目加快進度,優化資源配置,如圖3所示。通過BIM模型的可視化展示,項目團隊可以直觀地了解隧道施工的整體計劃和進度安排,不僅使項目參與者更易于理解和溝通,還能夠幫助他們更好地協調資源和組織工作。

圖3 基于BIM4D的計劃與進度管理Fig.3 Plan and progress management based on BIM4D

在基于BIM4D的計劃與進度管理中,合理的資源配置和組織是關鍵因素之一。利用BIM4D模擬,可以對施工所需的各種資源進行準確預測和規劃,如勞務、材料和施工機械等。項目團隊可以根據計劃和進度要求,對資源進行合理的配置和調度,確保施工順利進行,最大限度地提高資源利用效率,避免資源短缺或閑置導致的延遲和浪費。

在施工過程中,由于現場實際情況的變化,可能需要對資源進行調整和重新配置。BIM4D模擬可以幫助項目團隊根據實際情況對設計圖紙、施工方案、施工隊伍、管理人員、施工材料和施工設備等資源進行靈活調整,進行相應的資源調配,以保持施工的穩定性和高效性。

3.2 基于BIM4D技術的可視化協同管理

BIM4D技術可以將隧道施工進度以可視化的方式呈現,通過動態模擬和仿真,展示隧道施工在不同時間點的狀態和進展。這種可視化的展示方式有助于施工管理者和利益相關者更好地理解和評估施工進度,及時發現潛在的沖突和延遲,并進行相應的調整。此外,BIM4D模型還可以與其他相關信息進行集成,如材料供應鏈、設備調度等,以提高施工的協調性和整體效率。

4 結語

1)對于特殊地質結構,利用數字手段采用仿真模擬方法進行爆破分析,可以提供詳細的爆破效果預測和巖體響應評估,幫助項目組織者和技術人員更好地理解和控制施工過程中的風險。通過仿真分析施工過程中的不安全因素,合理調整設計方案和施工方案。

2)基于BIM技術的隧道二維、三維地質體聯動,可以評估地質模型與實際地質體之間的差異,及時掌握地質信息的準確性和可靠性,深入了解地質情況并發現潛在的地質災害隱患,指導隧道施工,避免重大安全事故。

3)基于GIS+BIM技術的地質超前預報與風險源管理,是將項目的BIM模型與GIS系統相結合,實現對地質風險源的全面控制和管理。

4)基于BIM4D技術的進度與協同管理,可以在充分利用3D模型的基礎上,將項目的資源計劃、進度管理串聯起來。利用可視化手段,打破項目各參與方的信息差,達到數字賦能工程建設的目的。