摘要 某山區(qū)高速公路的橋隧比達(dá)到60%，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。為了降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提高工程質(zhì)量、加快項(xiàng)目進(jìn)度，施工單位建立了BIM+GIS智慧建設(shè)管理平臺(tái)，運(yùn)用信息化技術(shù)強(qiáng)化管理水平。該研究過(guò)程利用Revit軟件和Dynamo軟件建立隧道模型，介紹了相關(guān)的建模流程和技術(shù)要點(diǎn)，再通過(guò)有限元法模擬隧道開(kāi)挖階段的拱頂豎向位移，為支護(hù)方案的評(píng)估提供了量化的依據(jù)。

關(guān)鍵詞 信息技術(shù)；高速公路；BIM建模；有限元模擬

中圖分類號(hào) U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0163-03

0 引言

高速公路工程的作業(yè)內(nèi)容涵蓋路基、路面、橋梁、隧道、邊坡、排水等，受到復(fù)雜地質(zhì)條件和工況的影響，施工方案設(shè)計(jì)、材料管理、資料收集、質(zhì)量控制、安全防護(hù)都具有較大的難度。為了改善管理水平，可引入信息化技術(shù)，如BIM、智慧化平臺(tái)、監(jiān)測(cè)傳感器，研究相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用方法具有重要的工程價(jià)值。

1 工程概況

某山區(qū)高速公路全長(zhǎng)118.62 km，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，橋隧比達(dá)到60%。該項(xiàng)目概算總金額為214.4億元，截至2023年12月底，路基工程完成87%，橋涵工程完成82%，隧道工程完成84%。全線橋梁數(shù)量為85座，已架通65座，全線隧道工程為21座，已貫通17座。為了提高項(xiàng)目管理水平，施工單位運(yùn)用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)構(gòu)建信息化平臺(tái)，輔助完成各項(xiàng)管理工作，該文重點(diǎn)分析信息化技術(shù)在項(xiàng)目隧道施工中的應(yīng)用要點(diǎn)。

2 高速公路工程信息化管理平臺(tái)建設(shè)

該項(xiàng)目工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，橋梁和隧道工程占比達(dá)到60%，增加了施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)。在施工管理過(guò)程中，總承包單位基于BIM技術(shù)、GIS技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了高速公路BIM+GIS智慧建設(shè)管理平臺(tái)。

2.1 BIM管理

項(xiàng)目中的橋梁、隧道施工具有較大的設(shè)計(jì)難度。以隧道工程為例，作業(yè)區(qū)巴東組地層存在大量的石膏，此類物質(zhì)具有膨脹性和腐蝕性，當(dāng)石膏與混凝土發(fā)生反應(yīng)時(shí)，可生成鈣礬石，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)疏松，并且鈣礬石的膨脹性可引起隧道拱底變形[1]。另外，隧道圍巖風(fēng)化程度較高，遇水膨脹、易破碎、地下水滲漏對(duì)施工質(zhì)量和安全造成了較大的影響。為了提高施工方案的設(shè)計(jì)水平，施工單位廣泛應(yīng)用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)，進(jìn)行模型構(gòu)建、施工過(guò)程數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)管理、進(jìn)度管理以及工程計(jì)量管理。

2.2 智慧平臺(tái)管理

依托智慧建設(shè)管理平臺(tái)，施工單位實(shí)現(xiàn)了信息化的人員考勤、設(shè)備監(jiān)測(cè)、物料監(jiān)測(cè)、路基監(jiān)測(cè)、路面監(jiān)測(cè)、橋涵監(jiān)測(cè)、梁場(chǎng)監(jiān)測(cè)、隧道監(jiān)測(cè)、邊坡監(jiān)測(cè)，在質(zhì)量、安全、檔案、環(huán)保、計(jì)量支付等各個(gè)方面達(dá)到了智慧化管理水平。以混凝土拌和施工為例，在管理階段引入“智砼道合”拌和站管理系統(tǒng)，支持PC端、手機(jī)端和智慧大屏，為項(xiàng)目部、施工單位公司級(jí)管理、建設(shè)單位設(shè)置了專門的管理入口。

3 信息化技術(shù)在高速公路隧道施工中的應(yīng)用分析

項(xiàng)目中的巴東組地質(zhì)隧道受到地下水、破碎圍巖、石膏腐蝕等因素的綜合影響，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。該文主要介紹信息化技術(shù)在隧道施工方案設(shè)計(jì)、施工模擬和施工監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用方法。

3.1 公路隧道施工方案設(shè)計(jì)

3.1.1 公路隧道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)巴東組地層巖體破碎、遇水易膨脹變形的問(wèn)題，初期支護(hù)擬定采取H16工字鋼，間距設(shè)計(jì)為0.8 m，二次襯砌全環(huán)配筋。由于石膏具有腐蝕性，初期支護(hù)和二次襯砌均采用防腐混凝土，分別為硫酸巖C25防腐混凝土和硫酸鹽C45防腐混凝土[2]。整體的支護(hù)方案見(jiàn)表1。在襯砌施工階段，圍巖拱墻和仰拱均設(shè)計(jì)為C45防腐鋼筋混凝土，Ⅳ級(jí)圍巖的襯砌厚度設(shè)計(jì)為40 cm，V級(jí)圍巖的襯砌厚度設(shè)計(jì)為60 cm。

3.1.2 基于BIM技術(shù)的公路隧道建模

（1）建模流程

施工單位利用Revit軟件和Dynamo軟件構(gòu)建隧道模型。Revit軟件用于幾何模型和各類構(gòu)件的設(shè)計(jì)，包括隧道洞口、隧道洞身、防排水結(jié)構(gòu)、隧道內(nèi)置路面，隧道施工的建筑構(gòu)件涵蓋洞門、環(huán)框、頂帽、系統(tǒng)錨桿、拱墻、仰拱以及其他，在Revit軟件中生成構(gòu)件族。在隧道建模時(shí)，需要優(yōu)化隧道的幾何參數(shù)，Dynamo是一款可視化的編程軟件，可用于設(shè)計(jì)隧道曲線、設(shè)置基本參數(shù)、創(chuàng)建三維曲線[3]。對(duì)Revit的建模結(jié)果和Dynamo的建模結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)拼接，即可得到完整的隧道結(jié)構(gòu)模型。

（2）模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

隧道建模的難點(diǎn)為中心線，該中心線通常設(shè)計(jì)為三維空間曲線，Revit軟件不能直接繪制出此類曲線。Dynamo軟件具備編程功能，建模時(shí)利用該軟件的曲線創(chuàng)建函數(shù)完成三維空間曲線設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的函數(shù)工具為CentralCurve.ByData。在給定的空間內(nèi)，設(shè)置三維曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)里程，再結(jié)合平曲線、縱曲線要素，利用軟件工具生成相應(yīng)的三維空間曲線[4]。以線元法為例，項(xiàng)目隧道曲線要素的設(shè)計(jì)樣表如表2所示。

3.2 信息化技術(shù)在公路隧道施工中的應(yīng)用

3.2.1 隧道開(kāi)挖過(guò)程有限元模擬

（1）隧道地質(zhì)條件

在施工之前，廣泛應(yīng)用信息化技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，以評(píng)估支護(hù)體系的有效性。選取一段隧道，對(duì)初期支護(hù)的受力情況進(jìn)行分析。該段隧道屬于Ⅳ級(jí)圍巖，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，0～15.4 m深度內(nèi)均為碎石土，15.4～67.8 m深度內(nèi)主要為安山巖，并且?guī)r石的破碎程度較高。安山巖的顆粒密度為2.43 g/cm3，吸水率為0.55%，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為92.4、5.9 MPa，黏聚力為600 kPa，摩擦角為40?。

（2）有限元模型設(shè)計(jì)

隧道模型的x、y、z方向分別代表寬度、深度和長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)的取值為100、118、60 m。利用ANSYS軟件建立有限元模型，采用三維有限元地層結(jié)構(gòu)連續(xù)介質(zhì)，圍巖設(shè)置為等參實(shí)體單元，每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為8個(gè)[5]。將模型劃分為10 580個(gè)實(shí)體單元，初期的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為殼體。

（3）模型參數(shù)設(shè)計(jì)

在有限元數(shù)值模擬中，需設(shè)置上部圍巖、二次襯砌和圍巖加固區(qū)的物理參數(shù)，包括彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，參數(shù)類型和參數(shù)取值見(jiàn)表3。

（4）隧道拱頂沉降數(shù)值模擬

隧道模型的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為60 m，沿著開(kāi)挖方向，采用全斷面一次開(kāi)挖，共分為20步，每一步的開(kāi)挖長(zhǎng)度保持一致，均為3.0 m。在距離初始開(kāi)挖點(diǎn)11 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，拱頂布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。隨著開(kāi)挖深度的增加，模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向位移，數(shù)值模擬的結(jié)果見(jiàn)表4。從模擬數(shù)據(jù)可知，隨著隧道開(kāi)挖，監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移量呈遞增趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)20步開(kāi)挖后，監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量分別為14.40 mm、12.22 mm、10.09 mm、7.83 mm、7.29 mm，5個(gè)測(cè)點(diǎn)和隧道洞頂?shù)木嚯x分別為31 m、33 m、36 m、41 m、61 m。從數(shù)據(jù)可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)和洞頂距離越小時(shí)，累計(jì)沉降量越大，符合工程規(guī)律。

（5）隧道邊墻、拱腳和底部變形數(shù)值模擬

除了分析隧道拱頂沉降情況，在開(kāi)挖之前，還應(yīng)預(yù)測(cè)邊墻、拱腳和隧道底部的變形數(shù)據(jù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道開(kāi)挖施工的隱患。在數(shù)值模擬階段，選取該隧道工程石膏圍巖段的一個(gè)典型斷面，在設(shè)置二次襯砌的條件下，模擬隧道邊墻、拱腳、底部的水平位移和豎直位移。隧道左右兩側(cè)邊墻各設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為B1、B2。隧道兩側(cè)拱腳各設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為G1、G2。隧道斷面底部幾何中心設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為D0。

在全斷面一次開(kāi)挖過(guò)程中，B1點(diǎn)的累計(jì)水平位移為?2.6 mm，B2點(diǎn)的累計(jì)水平位移為2.5 mm，均朝向隧道內(nèi)側(cè)。G1點(diǎn)的累計(jì)水平位移為?1.2 mm，G2點(diǎn)的累計(jì)水平位移為1.2mm，均朝向隧道內(nèi)側(cè)。D0點(diǎn)水平位移為0。B1和B2點(diǎn)的累計(jì)豎向位移均為0.7 mm，G1和G2點(diǎn)的累計(jì)豎向位移均為3.0 mm，D0點(diǎn)的累計(jì)豎向位移為2.5 mm。

從數(shù)據(jù)可知，隧道邊墻的水平位移大于拱腳，而豎向位移小于拱腳。隧道底部未出現(xiàn)水平位移，但存在小幅隆起。整體而言，隧道邊墻、拱腳和底部的變形量較小，說(shuō)明此次設(shè)計(jì)的支護(hù)體系具有較高的可靠性。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

將有限元模擬的結(jié)果作為理論參考依據(jù)，按照相同的方式在隧道開(kāi)挖斷面上覆層設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元模擬數(shù)據(jù)。表5為監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)豎向累計(jì)位移和模擬豎向累計(jì)位移數(shù)據(jù)對(duì)比。從數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)值和模擬值的變化趨勢(shì)基本一致，累計(jì)位移的數(shù)值偏差整體較小，說(shuō)明基于有限元分析的信息化技術(shù)具有較高的參考價(jià)值，能夠反映出隧道施工的真實(shí)特點(diǎn)。

4 結(jié)果討論

（1）某山區(qū)高速公路在施工管理過(guò)程中，利用BIM技術(shù)、GIS技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建專門的智慧建設(shè)管理平臺(tái)。在各類信息化技術(shù)的支撐下，設(shè)計(jì)施工方案、模擬施工過(guò)程。該平臺(tái)可用于質(zhì)量監(jiān)測(cè)、工程算量、資料管理以及其他，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和監(jiān)控大屏訪問(wèn)相關(guān)數(shù)據(jù)。

（2）研究過(guò)程著重分析了信息化技術(shù)在公路隧道施工管理中的應(yīng)用方法，利用Revit和Dynamo軟件構(gòu)建隧道模型，輔助完成支護(hù)方案設(shè)計(jì)。在施工模擬階段，利用Ansys軟件對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)行有限元分析，重點(diǎn)模擬上覆層豎向沉降、邊墻變形、拱腳變形、底部變形，為支護(hù)方案評(píng)價(jià)提供量化依據(jù)。對(duì)比數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)沉降量的變化趨勢(shì)基本一致，進(jìn)一步印證了信息化技術(shù)在隧道變形預(yù)測(cè)方面的有效性。

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