铁路隧道工程机械化建造BIM技术应用

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【摘要】文章从BIM模型设计、协同管理和智能化施工设备三方面介绍了BIM技术在高速铁路隧道工程机械化智能建造方面的应用。该技术对于加强工程的管控、优化施工工序具有重要意义。

【关键词】铁路隧道；协同管理；智能化设备

1bim模型设计

1.1建立隧道模型

在传统的二维图纸设计中，发现有不合理不协调的状况很难进行修改，对工程整体施工进度产生影响。随着BIM技术的普及，在隧道工程设计中实现了设计的可视化，在对隧道工程进行整体施工建造前，建造一个模型，直观展示工程中的过轨管分布、接触网槽道预埋、钢筋安装等施工工作。采用CSD软件分段建立隧道BIM设计模型，再按施工要求对设计模型自动切分、自动生成和绑定编码，最终形成隧道施工BIM模型（见图1）。

1.2BIM可视化管理

三维模型精细呈现设计细节。通过三维建模首先使技术人员在建模过程中更加深刻理解工程内容，通过三维模型进行技术交流和探讨。基于BIM模型的成果和设计数据，通过基于GIS的管理平台，全面整合各项数据，如里程桩号、地形地貌、环水保线、穿既有线等各种场景的信息，以更加清晰逼真的形式体现工程实景。同时，通过三维展示方式可以任意角度查看，在主体模型与既有地形模型相结合后，方便施工方案的制定和审核[1]。

2协同管理

BIM管理体系以BIM模型为管理载体，将BIM技术与信息化管理紧密结合起来，通过对工程项目三维可视化、信息化、精细化的综合管理，打通各个业务、各个参与单位之间的数据联系，搭建“数字工地”。全员参与，建立起项目的高效协同。以BIM技术搭建的三维模型为基础，以协同管理为手段，在施工过程的管理中建立全员参与的协同管理体系，实现各项信息共享，按照不同的权限、角色建立起职责履行清单。以工序为纽带加强现场把控，实现建造过程痕迹保留，建立以工序过程为核心的过程控制体系。工序作为施工过程的重要环节，实现了基于工序的自动关联进度。工序开始，反映到模型上：显示结构物正在施工，进行到关键工序时自动关联检、验、批，必须验收合格以后才允许进入下道工序。同时，基于工序建造过程的时间节点、责任人、现场影像资料同步自动生成，形成了完整的建造过程的痕迹保留。基于BIM技术，推动标准化、规范化、精细化的管理体系。BIM技术的本质是以信息化为驱动。在建设BIM体系的过程中要求管理体系标准化，同时结合规范化的措施和精细化的管理要求，确保所有信息有序流动，最终关联到模型。在检、验、批现场填报，现场确认时，结合手机端GPS定位，实时现场确认，落实规范标准的管理体系。

3隧道智能化施工设备

3.1ZYS113全智能三臂凿岩台车

3.1.1超前地质预报的应用采用ZYS113全智能三臂凿岩台车进行超前地质预报，结合超前钻孔及加深炮孔法等方法，实现快速预报。钻孔时，钻孔深度30m～50m，实时监测推进速度、冲击压力、推进压力、回转压力、水压力和水流量等参数，并通过MWD软件分析复原地质情况，形成地质报告。对掌子面前方情况进行综合分析，科学判定前方地质情况；对掌子面稳定性做出分类，为现场施工提供准确的依据，并基于此在BIM模型上建立隧道大数据地质库，指导现场施工。

3.1.2钻爆开挖及初期支护智能化建造的应用导入作业面爆破设计图，与隧道坐标结合，在凿岩台车电脑上生成开挖循环的隧道轮廓与爆破图，不需要测量人员标注隧道轮廓和钻孔孔位，将断面图及炮孔图显示在凿岩台车电脑上，操作人员完全按照电脑显示，控制炮孔的角度和深度，根据电脑指示摆臂架的角度。系统锚杆施工前，台车预先输入锚杆设计参数以及断面数据，进而确定锚杆位置信息，台车依据系统预设实现自动移臂对孔定位、自动钻孔。

3.2SCDZ133智能型多功能作业台车

SCDZ133智能型多功能作业台车配套设施有底盘行走系统、发动机系统、臂架系统、定位系统、扫描系统、智能控制系统、电气控制系统等。①智能型多功能作业台车装有定位系统，通过系统换算将大地2000坐标系转换为系统内部可识别坐标，实现台车在隧道坐标系下的精准定位。②台车车前装有扫描系统，对断面进行扫描，同时采集数据，车内设有设备对采集数据进行处理，形成三维隧道断面点云模型，通过与BIM模型相连，在模型上与设计断面对比分析出隧道超欠挖情况。③改变传统拱架安装方式，在台车上安装有智能控制系统，在地面链接中间3节拱架，举升至拱顶，再抓取左右两侧拱架，举升至安装位置，安装连接螺栓，调整拱架姿态，焊接网片与连接筋，扫描拱架安装位置尺寸，并实时采集数据上传至BIM模型，将其与设计位置进行对比，实现按照设计数据进行拱架自动安装作业。

3.3HPSZ3016S湿喷台车

HPSZ3016S湿喷台车是在HPS3016S的基础上进行智能化升级改造的产品，其配套设施有底盘行走系统、发动机系统、臂架系统、泵送系统、定位系统、扫描系统、智能控制系统、电气控制系统等。①湿喷台车车前安装扫描系统，对断面进行扫描采集数据，车内设有设备对数据进行处理，形成三维隧道断面点云模型，自动精确计算各处超欠挖值。通过对隧道轮廓的三维建模与计算，施工中指导喷射方式并评估喷射质量。电脑图像实时指示各区域喷射厚度，对喷射厚度进行精准量化控制。通过三维扫描提前预估喷射方量，喷射完成后计算实喷方量、回弹率，评估喷射质量。②湿喷台车安装有智能控制系统，通过对隧道轮廓的三维建模与计算，进行设计喷射数据处理，控制臂架系统、泵送系统、扫描系统进行自动喷射。

3.4数字化衬砌台车

数字化衬砌台车配套装置有滑移轨道系统、发动机系统、双灌注系统、电气控制系统、高频气动振动系统、软搭接系统、定位系统、压力传感系统、参数观测系统、实时监控系统、全自动打磨涂脱模剂系统、信息化系统等。①衬砌台车装有定位系统，通过前端架设扫描仪，后端架设全站仪，分别对隧道内的三个激光靶标进行半自动和自动照准；获取的台车中轴定位坐标，可通过台车控制系统与油缸自动调节至与隧道中轴线重合，实现台车自动定位功能。②衬砌台车具备参数观测系统，可进行混凝土灌注方量测量、灌注压力监测、拱顶饱满度测量、入模温度记录等功能。对实时灌注流量及总量，通过混凝土流量计进行测量统计，混凝土的预浇筑方量可通过车载式3D自动扫描仪或激光断面仪测量。③改变传统振捣方式，在台车模板上加装高频气动振动系统引进欧洲台车的主流振动技术，减少拱顶局部堵塞，解决混凝土密实问题。④采用双灌注系统，下灌注系统采用机械手分窗分层自然流下浇筑，上灌注系统采用“拱顶部水平压入浇筑工法”实现带压浇筑。提高了混凝土质量，减少气泡产生。⑤混凝土浇筑过程中，通过实时采集数据，关联至BIM模型，展示出混凝土的状态，可及时检查衬砌混凝土是否饱满、混凝土入模温度能否达到要求、振捣是否到位等问题。

4结语

文章从BIM模型设计、协同管理和智能化施工设备三方面，开展了高速铁路隧道工程机械化智能建造的应用研究，可为相关技术人员提供参考，从而加快铁路隧道施工效率，提升施工质量。

参考文献

[1]解亚龙，王万齐，杨斌.智能建造技术在京雄城际铁路的应用[J].铁道建筑，2020（8）：161-165.

作者：李福林 单位：中铁十二局集团第三工程有限公司