基于BIM 5D 技術的板巖隧道超欠挖控制施工技術研究

范云博，謝明康，王興光，石邱饒，晏克珍，張 彬

（中國建筑第四工程局有限公司，廣東廣州 510000）

0 前言

目前隧道開挖主要存在鉆爆前難以控制炮眼間距，鉆爆后垂直板巖圍巖節理部位易欠挖，欠挖造成增加的工作量占隧道總工期的13%，而平行板巖圍巖節理部位易嚴重超挖，超挖造成的混凝土超方量在50%。超欠挖對成本影響波動大，噴射混凝土超方量在52%左右（含回彈值），占隧道總成本10%左右。欠挖引起的返工和超挖增加的工作量，占隧道總工期的19%。以上問題嚴重制約了隧道施工技術發展，采用傳統的施工控制措施效果不明顯。

1 工程實例

貴州省雷山至榕江高速公路建設項目第一分部K0+000-K10+560 段，道路起點順接雷山縣凱里至雷山高速公路終點處，途經雷山縣大塘鎮雄水、烏秀沖、雄散、南亮村、小河村、終點至雷公山，全長10.492km；道路設計速度80km/h，路基寬度為24.5m，采用雙向四車道高速公路標準建設。

雷公山隧道為分離式特長隧道，右幅隧道起訖樁號為：YK8+175～YK12+875，長度為4700m，最大埋深約為677m。左幅隧道起訖樁號為：ZK8+175～ZK12+915，長度為4740m，最大埋深約為681m。隧道全斷面位于IV、V 級圍巖中，巖層節理發育且下伏基巖為強、中風化層。施工難度及風險比較大。

2 技術特點

在板巖隧道循環進尺施工前，根據設計圖紙、地勘資料基于BIM 技術建立每一循環進尺的隧道BIM 三維模型，對預計爆破出渣量、初噴混凝土量以及工期進度進行量化，形成控制性數據，本數據用于衡量鉆爆后的各項工序的實施效果。采用BIM 三維模型+工作量+進度時間管控平臺，形成BIM 5D 技術在板巖隧道施工中的應用。

（1）根據設計圖紙，利用BIM 5D 技術按照每一循環進尺構建三維模型，對爆破出渣量、初噴混凝土量進行量化，理論誤差控制在1%以內，模型誤差控制在±1mm 內，形成控制性數據作為控制對比基礎。

（2）采用地質雷達對掌子面進行掃描，精度控制在±0.2h（h為探測深度），根據掃描的板巖層理結構和巖層產狀調整每一循環爆破周邊炮眼間距，并將BIM 模型導入ANSYS 軟件進行爆破模擬，建立爆破輪廓邊界，進而控制垂直板巖圍巖節理部位欠挖及平行板巖圍巖節理部位超挖的現象，總體誤差控制在10%。

（3）每一循環爆破后采用3D 掃描儀及測量機器人對爆破后的輪廓線進行數據采集并無線傳輸至超欠挖控制平臺，精度控制在±3mm 以內，將結果與BIM 模型輪廓邊界進行對比，根據對比結果控制下一循環掘進施工的掏槽眼、輔助眼、裝藥量、跑眼間距等各項參數，從而將誤差控制在12%內。

3 工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程圖（見圖1）

3.2 工藝操作要點

（1）根據地質資料，建立三維地質模型。通過地勘真實的數據載入，從更多的方面來評價地質數據性能，從而使后續隧道開挖施工可以更加科學快速展開。

圖4 各區域循環施工段超欠挖體積

圖1 工藝流程

圖2 三維地質模型建立

（2）根據施工圖，將隧道按其結構劃分成基本構件，利用revit進行建模，將這些構件制作成三維數字模型并匯總到模型庫。根據隧道施工橫截面施工圖進行三維模型的建立，再將每一個施工段拼成完整的隧道模型。

由于隧道施工圖是二維圖紙，且設計圖表達方式不統一，CAD 圖紙中可能包含大量無用信息的圖元，在建模時，要從圖紙中剔除掉無用的信息，保證三維建模的高效性。

圖3 隧道模型

（3）將revit 模型進行數據格式裝換，導入到廣聯達BIM 5D中[1]。可進行：

①可以讓項目管理人員從模型中快速地進行施工進度計劃編排，主要的施工方法遴選確定，總體計劃等，從而更好地對現場施工進行科學管理。

②精準計算出隧道開挖工程量及隧道主體施工工程量，進行合理的施工管控。

③可以讓項目管理人員在施工之前提前推演隧道建造過程中關鍵節點的施工現場布置、機械及措施布置方案，還可以預測每個月、每一周所需的資金、材料、勞動力情況，提前發現問題并進行優化。

（4）根據掃描的板巖節理結構和巖層狀態結合類似項目經驗進行爆破周邊炮眼間距，每一個循環爆破后采用3D 掃描儀及測量機器人對爆破后的輪廓線進行數據采集并無線傳輸至超欠挖控制平臺，將結果與BIM 模型輪廓邊界進行對比。采用BIM 三維模型+工作量+進度時間管控平臺，利用BIM 5D 技術是使板巖隧道施工更加科學合理，見圖4。

4 總結

與傳統板巖隧道開挖工藝相比，綜合來看，此施工技術有明顯優勢。

（1）可精準計算出開挖方量，控制開挖用藥量，降低隧道開挖成本，保護施工環境，增加施工安全系數。

（2）精準控制隧道開挖，避免由于超挖或欠挖引起的修復或二次施工，合理安排施工順序，最大化優化工期。

（3）極大地避免了二次施工和超挖后的浪費混凝土，減少了隧道開挖施工中的成本支出。