王江,董耀武,戶若琪,許三喜,劉國濤
(1.中鐵北京工程局集團第一工程有限公司,西安710100;2.西安建筑科技大學陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室,西安710055)
Chuck Eastman 教授于1975 年創(chuàng)立了BIM 概念,使建筑工程的施工過程可視化,從而提高了項目的工作效率。BIM 技術具有可視化、協(xié)調性、仿真性和優(yōu)化性等特征。 但是現(xiàn)階段BIM 大多用在房建方面,隧道方面運用還不是很多。到目前為止,工程項目進度管理的技術手段還比較落后,不能全面、真實地反映工程項目的運行狀況, 難以精確地描述多個項目的施工動態(tài)過程[1]。BIM 技術是以三維可視化數(shù)字信息模型為基礎,在模型中附加構件的信息,并利用這些信息(如進度、材料、體量)來控制施工的[2]。
由于BIM 首先被用在建筑方向, 為了更好地利用BIM,要分清楚在設計上BIM 與CAD 的不同[3-5]。首先,剛接觸BIM的時候不要選擇過于煩瑣的項目從而導致自己喪失信心,不便于以后對BIM 的應用,應該由簡到難循序漸進,對BIM 有了信心后期跟進就比較容易;其次,新軟件初期總會出現(xiàn)大大小小的接口連接問題,應該根據(jù)不同的階段,不同的需求,采用不同的應用方法。
中國鐵路公司于2013 年積極推進BIM 技術在鐵路項目建設中的應用,啟動了鐵路施工信息化的關鍵技術研究,以及BIM 技術的應用及相關標準的制定[6-8]。 根據(jù)隧道項目側重點的不同,BIM 的應用也有些許差別, 設計方開展鐵路設計,BIM 提供各方面的綜合服務、結構分析、模型總量的概算;業(yè)主方可以利用BIM 功能了解施工方動向, 合理安排資金,或者需要更改施工方案時, 通過BIM 技術及時調整工程造價;施工方更可以利用3D、4D 技術對工程進項施工模擬,更好地把握施工周期,并且能起到一定的宣傳推廣作用。
隧道災害主要指在施工過程中跟隧道運營期間, 因為地質或者人為因素導致隧道變形或塌陷而帶來的一種災害,它影響甚至威脅人民的生命財產(chǎn)安全。 其表現(xiàn)形態(tài)主要分為地面塌陷、地面凍結、地下滲水導致施工無法繼續(xù)、高溫熱害、凍融、山體落石、雷電地震災害等。 根據(jù)相關文獻[9]和文獻[10]的記錄,在1970—2015 年期間,國內外共發(fā)生83 例鐵路隧道運營事故,其中火災是各類災害中的最主要災害。 由于上述施工事故的發(fā)生,人們對隧道施工中的風險管理及控制密切關注。
隧道監(jiān)控系統(tǒng)首先被用于國外。 與國外相比我國雖然起步比較晚,但是我國起步后通過大量的實踐項目,獲取了大量的經(jīng)驗,也取得了巨大的技術進展。 為了保證隧道在生命周期內安全可靠運行,必須對其進行安全監(jiān)測、健康評估、隱患排查和采取相應的治理措施[11]。
監(jiān)控量測作為新奧法的3 大主要特點之一, 監(jiān)控量測的作用主要有[12-13]:(1)為選擇合適的支護時間提供依據(jù);(2)掌握圍巖動態(tài), 利用監(jiān)測結果修改設計方案, 預測圍巖穩(wěn)定時間,指導施工;(3)通過圍巖變化可預測隧道內部災害的發(fā)生,以便及時采取措施, 防患于未然。 監(jiān)測前首先得進行洞內觀察,有些問題可以用肉眼觀察出來,比如圍巖的支護情況、噴層有無開裂、隧道內裂隙水的變化等,并對照設計說明跟地質勘察報告,有問題及時指出;另外,監(jiān)測人員應及時與隧道施工人員進行溝通,以便提供更方便快捷的信息。 隨著隧道建設的不斷發(fā)展,對隧道工程質量的要求也越來越高,對其進行監(jiān)測已經(jīng)成為必要的工作[14]。
3.3.1 監(jiān)測點的設置
首先,采集隧道圍巖信息,根據(jù)初次設計將圍巖分為5 種不同的圍巖級別(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ),在每個典型的圍巖類別中選擇若干個具有代表性的監(jiān)測點, 監(jiān)測點應盡可能靠近掌子面[15],這樣才能更好地監(jiān)測掌子面情況,這段時間內測得值最具有參考價值。 為了有效性更強,最好把點布在同一個斷面上,由于開挖過程中地質、圍巖會一直變化,因此,要根據(jù)圍巖的不同,對監(jiān)測點的間距進行適當調整。 另外,施工初期階段由于圍巖還不穩(wěn)定,加上對洞內情況還不了解,監(jiān)測點分布應該更密集,待圍巖穩(wěn)定、進洞后適當縮小監(jiān)測點距離。 收斂變形的現(xiàn)場監(jiān)測方案, 應視隧洞跨度、 圍巖級別和施工情況而定,監(jiān)測點一般為三角形或水平線等布置[16]。
3.3.2 傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析
傳統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析都是把數(shù)據(jù)測好之后輸入Excel 表格中,在表格中反映圍巖變化情況,建立回歸曲線,從而分析圍巖支護情況及其規(guī)律,更能有利于施工。 很多專家都在這方面做了大量的研究,根據(jù)徐兮等[17]對隧道監(jiān)測的發(fā)展總結,將隧道拱部沉降的變化規(guī)律總結成相應的數(shù)據(jù)直觀圖, 較好地指導了施工;王國博等[18]對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了數(shù)學回歸,發(fā)現(xiàn)由于開挖方式、支護方式等因素的差異,需要用不同的回歸方程進行分析;在對復雜隧道圍巖受力進行有限元分析的基礎上,林敏[19]利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡技術建立了預測模型,實現(xiàn)了對隧道內部圍巖變形趨勢的預測;王丹微等[20]運用SPSS 統(tǒng)計軟件對隧道圍巖監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了系統(tǒng)性的回歸分析研究;喻偉[21]將監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的結果進行對比分析, 總結出了施工過程中初期支護的變形規(guī)律。
3.3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理
根據(jù)李秀芳等[22]監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究,回歸分析是重要的分析手段,可根據(jù)圖形的變化能夠預測隧道內部圍巖變形情況,來智能化地評價圍巖的穩(wěn)定性,并能更好地指導施工。 李曉虹[23]利用信息技術,在計算機網(wǎng)絡、單機環(huán)境下,設計了鐵路隧道動態(tài)設計系統(tǒng)軟件。 肖明等[24]對監(jiān)測點的數(shù)據(jù)預處理的方法進行研究,對于隧道開挖反饋,他提出了優(yōu)化粒子群算法。
隧道在修建與運營期間, 由于長期受荷載或者其他突發(fā)應力的作用,慢慢累計情況下難免會發(fā)生變形,再加上隧道屬于偏遠地區(qū),管理還是不太方便,一旦隧道發(fā)生破壞,修整不及時會造成隧道停運, 同時也會對人們的生命財產(chǎn)造成很大的損害,所以必須要建設好隧道監(jiān)測系統(tǒng)。 隧道監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有:信息采集、信息供應、信息處理、實時控制、自診斷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能[25]。冉光明[26]指出信息化技術在中國發(fā)展緩慢的原因:(1)對信息化技術認識不足;(2)信息化資金投入有限;(3)對信息化技術的重視力度不夠。 文獻[1]中提出BIM 建模與隧道可視化相結合,利用BIM 3D 建模跟4D 虛擬模擬施工流程,以及BIM 模型自動合成各階段工程量。 當發(fā)現(xiàn)問題一定要及時預報,安全預警在隧道監(jiān)控中也很重要,隧道監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)控中心要跟服務終端聯(lián)動起來,通過電話、信息彈出窗口等形式進行報警。
監(jiān)控系統(tǒng)要對收集到的數(shù)據(jù)進行分析, 由于隧道結構比較復雜,沒有任何一種形式能全面地作出診斷,監(jiān)測到的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的方式進行整理統(tǒng)計,得到趨勢圖,運用不同的算法進行計算然后取綜合值。
經(jīng)過多年來的發(fā)展,基于不同的情況和研究目的,圍巖量測在隧道方面已經(jīng)慢慢成型,雖然現(xiàn)在技術成熟,但還需要人來檢測,雖然有專家已提出無人自動化監(jiān)測,但目前還沒有大面積實現(xiàn)。 綜合運用多種監(jiān)控技術和預測技術,將信息技術、數(shù)據(jù)庫技術、網(wǎng)絡技術和虛擬現(xiàn)實技術相結合,預測標準的制定、 廣泛的應用范圍和精度的提高是主要的隧道監(jiān)控系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢[27]。 現(xiàn)如今,BIM 在隧道領域已經(jīng)大面積應用,但是BIM 與現(xiàn)在隧道信息化的利用還不是很好,尤其是監(jiān)控方面,但BIM 現(xiàn)在火速發(fā)展再加上BIM 建模的優(yōu)勢,隧道無人化監(jiān)測會利用BIM 而迅速發(fā)展。 另外,目前用的監(jiān)測系統(tǒng)還都五花八門,沒有一個統(tǒng)一的標準,有必要對預報標準進行綜合分析,利用BIM 發(fā)展監(jiān)控平臺。