郑万高铁苏家岩隧道项目BIM应用案例赏析

新建郑万高铁北起河南郑州，途径湖北襄阳，到达重庆万州。线路全长818公里，设计时速350KM，是中国八横八纵铁路网重要组成部分。由中铁十八局集团有限公司承建的郑万高铁湖北段六标线路全长35.634Km，总投资29.1亿元，合同工期66个月。

郑万高铁苏家岩隧道项目

郑万高铁湖北段ZWZQ-6标苏家岩隧道全长5360m，地处荆山山脉，为双线越岭隧道，最大埋深约439m，隧道进口采用机械化大断面钻爆开挖方式，承担正洞2595m施工，为郑万高铁湖北段工期控制性工程。

苏家岩隧道地质条件复杂，岩体破碎，节理裂隙发育，施工难度大，安全风险高；隧道单向掘进距离长，施工组织复杂，整体进度制约性大；山岭地区上场策划受环境影响因素大，且交通运输不便，为项目前期施工重难点。

苏家岩隧道地质条件一览

苏家岩隧道是国内为数不多的采用加强型机械化配套施工隧道，为我集团隧道机械化配套施工示范工程。首创高速铁路软弱围岩大型机械化配套大断面施工工艺，攻克了隧道施工智能化快速建造等诸多技术难题。

隧道机械化配套一览

（1）以BIM+隧道机械化为依托，总结隧道快速施工修建关键技术，形成“一洞九线”数字化建造流水作业生产线；

（2）建立隧道机械化施工BIM模型库、可视化工艺库，提高现场技术水平和隧道机械化技术人员培养速度；

（3）探索利用BIM技术优化施工工序、提高生产效率；

（4）挖掘BIM技术在隧道机械化配套施工和管理过程的重要作用，为川藏铁路建设“开山铺路”。

组织架构图

软硬件配置表

为确保隧道工程BIM技术应用实施过程中，项目团队所交付的铁路工程信息模型几何精度和信息深度科学合理、满足实际工程需求。参考《铁路工程信息模型分类与编码标准》等前提下，编制隧道工程BIM应用指南。同时自定义工作空间，以及 “隧道项目”工作集，统一工作环境。

隧道工程BIM应用指南

以隧道机械化施工阶段数字化建造为基础，建立服务于项目实施重要环节的规章管理制度，明确主要人员职责与配合部门职责，做到统一验收标准、统一数据、统一文件，实现工程主体、数字模型两个维度的协调统一。

为保障隧道机械化BIM技术力量可持续发展，在项目启动前期，以集团数字建造中心BIM工程师为主，对子公司开展团队孵化，通过基础培训、专题培训等形式共完成5期集中培训，共计80余人次，遴选7人组成项目BIM工作组，储备人员5人，具备隧道独立建模、应用等技术能力。

BIM人员培训过程图

➤ 项目前期策划应用

项目临建三维规划

（1）地形分析与初步规划

施工阶段项目上场前期，对原始场地进行分析和研究，快速准确的获取场地高程、坡度、位置等数据信息。

地形分析图

无人机倾斜摄影实景建模技术获取现场高精度地形信息，临建红线范围内采用高精度且优于3cm，边缘轮廓精度5cm—8cm ，在满足BIM应用要求前提下，提高航测作业效率，降低数据处理工作量。

无人机倾斜摄影实景建模

（2）场坪设计及便道设计

基于实景地形进行场地方案策划，依据标准化设计规范，结合现场地形地貌和现有临时生活、生产设施，充分利用原有道路，遵循“挖填平衡”原则，在地形模型中进行便道设计。进行挖填方工程量对比，选择最优方案。

地形模型中进行便道设计

（3）场地功能分区

根据实景模型规划场地区域后，综合考虑现场实际情况，进行三维建模。依据业主项目建家建线规范要求，参照项目施工组织资源配置情况，规划项目整体临建功能分区，快速搭建多种场地布置方案，并对初步方案进行比选。根据最终方案，建立临建标准化模型库。

三维模拟与方案比选

拌合站三维立体规划成果展示

参照施工组织资源配置要求，创建相应生产临建构件，规划拌合站分区。避免因材料乱堆放、机械设备安放位置影响施工生产的正常进行，为施工生产提供便利；减少场地狭小等原因二次倒运而产生的费用。

隧道洞口三维立体规划成果展示

针对苏家岩隧道进口加强型机械化配置特殊需要，参照施工组织资源配置要求，规划洞口场地功能分区。新增大型机械维护保养区、停放区、设备组装区、二次倒渣区，为苏家岩隧道进口加强型机械化施工提供后勤保障。

场地布置分区

（4）成本测算及确定整体规划

以三维可视化为手段，成本控制为主线，通过BIM技术应用达到降本增效目的，从技术、组织、交通以及施工各阶段需求等多方面进行对比，选择最终策划方案。

三维成本测算与方案策划

以设计方交桩点为相对坐标控制原点，在各场地布置模型中选取拼装定位关键点，将各功能区模型与地形进行融合，完成项目模型总装。

三维场布与拼装定位

➤ 隧道主体模型建立与优化

（1）对隧道结构单元进行划分，创建隧道参数化构件库，在BIM协同建模中统一模型单元及属性信息。

① 参数化构件库

参数化构件库

②  大型机械设备模型库

大型机械设备模型库

（2）隧道主体模型

根据隧道主体结构组成及《铁路工程实体结构分解指南》，对隧道结构单元进行划分，创建施工阶段BIM精细化隧道模型。

隧道主体模型

隧道结构单元解构

（3）隧道钢构件3D设计及优化

① 原图纸钢架设计优化

利用BIM技术三维设计的优势，对现有图纸钢架弧形连接处进行优化设计。如仰拱钢架拱脚连接处优化设计、附属洞室与正洞钢架的优化设计、不同工法下钢架的优化设计等。利用MicroStation输出3D PDF图纸，施工人员可量取任意构件三维尺寸，为提高生产效率，减少因返工造成材料浪费。

原图纸钢架设计优化

② 异形钢拱架三维设计

隧道变截面处、横通道、洞门等特殊位置处，需采用异形钢支撑进行支护。以往采用CAD画出多视图各个角度标注钢架尺寸，施工人员无法直观读取钢架尺寸等信息。

通过BIM软件三维设计，实现钢拱架尺寸的线性变化且满足净空及支护要求。确定加工尺寸及数量，并进行模型预拼装模拟，指导加工厂下料加工。

异形钢拱架三维设计

（4）工程量输出

根据BIM模型输出主体结构精细化材料用量，为后续施工组织、成本归集、分析提供可靠依据。

隧道主体模型

钢架精细化工程量统计   钢筋精细化工程量统计

➤  施工组织模拟

（1）长大隧道施工面临多个辅助坑道、多工作面同步、交叉施工等工期编制难题，施工工期计划排布较为复杂，采用4D工期模拟可实现以下几个方面：

① 实现全隧整体施工流程的进度模拟，优化现有的工期进度计划。

② 结合可视化工期分析，得出材料需求量月峰值，从而计算出钢筋加工厂、混凝土搅拌站的生产效率等，分析得出项目生产所需最优资源配置；

③ 与实际的进度情况进行匹配，施工过程中同步优化。综合对比分析进度滞后原因，为下一步施工安排提供指导。

施工流程进度模拟

（2）针对不同工法的施工特点，制定各机械设备合理的施工空间。根据隧道长度、工期要求、围岩地质条件、断面大小、辅助坑道设置、环境及场地条件等综合因素进行机械配套方案设计，使之与施工方法相配套，与施工工期相适应，最大限度发挥机械设备总体效率，并根据地质条件变化及时调整。

全断面施工

微台阶施工

 ➤ 施工方案、工艺模拟

通过对隧道机械化施工关键性施工方案、工艺进行模拟，有利于现场施工技术人员更好掌控施工方案和施工工艺技术要点，验证各项施工方案和工艺可行性并对其进行优化，实现超前模拟指导施工；

通过项目积累形成隧道机械化施工BIM工艺库，作为隧道项目新上岗技术、施工人员快速学习、掌握成套隧道施工技术的教材。

三维施工方案和工艺模拟

 ➤ BIM创新应用

与人工分部开挖法相比，机械化全断面法施工质量高、开挖次数少、对围岩扰动小、初期支护封闭及时， 更有利于控制围岩的稳定性。而目前所采用的支护结构参数、施工工艺、管理措施大多是基于人工分部法的研究成果和经验，已难以适应机械化全断面法，因此依托于BIM技术解决以下挑战。

（1）隧道软弱围岩大断面机械化开挖施工工法可行性论证

掌子面稳定性控制：

同传统软弱围岩人工分部开挖法相比，机械化大断面开挖面积大，围岩由此引发掌子面位移较大，当位移值达到安全阈值时，开挖工作面即出现失稳，甚至塌方现象发生，对隧道整体稳定性产生较大影响。

因此保障开挖面稳定性至关重要，需对传统超前支护进行调整。

剪切隧道主体与之相同里程相应的地质模型，采用Plaxis进行超前预加固施工方案论证，分析经不同超前预加固施工后深埋隧道围岩形变压力数值模拟、虚拟验算。选出最优超前预加固施工方案，结合施工现场应力应变实测反馈数据，论证超前预加固实施效果。

围岩形变压力数值模拟 

围岩形变压力数值模拟—位移随掘进过程的发展

围岩形变压力数值模拟—超前预加固后围岩压力

现场实测围岩压力时程曲线

结果表明采用9mφ76中管棚+掌子面玻璃纤维锚杆+高压霹雳注浆超前预加固施工方案，对掌子面稳定性控制可达到最佳实施效果，证明经超前预加固施工后可进行软弱围岩大断面带仰拱开挖施工。

（2）支护结构参数优化调整

采用Plaxis进行隧道软弱围岩多支护结构调整方案数值模拟，对支护结构进行优化。结合施工现场大量支护结构应力应变、位移测试数据反馈，结果表明经优化调整后，围岩压力小于规范值，支护结构整体处于安全状态。

支护结构数值模拟

支护结构数值模拟——支护完成后衬砌平均应力

现场数据采集 现场实测钢架内力时程曲线

现场实测喷射混凝土时程曲线  现场实测锚杆轴力时程曲线

通过对监测数据和围岩收敛变形量测数据的对比分析，大断面施工的优势较为明显，各项受力及变形数值均优于台阶法施工。

① 全断面工法开挖导致围岩塑性区范围有一定程度的增大，但总体差异不大；

② 全断面工法开挖引起隧道拱顶下沉变形小于三台阶法开挖；

③ 全断面工法开挖引起支护结构最大主应力、最小主应力均小于三台阶法开挖。

通过本项目BIM技术在隧道软弱围岩大型机械化配套施工中的应用，采用数字化协同设计将隧道机械化作业线进行优化提升，施工现场在保障施工质量的前提下提高了施工效率，与II型机械化相比，将单循环时间(IVk2/3.6m)提升至25.47h；基于SYNCHRO 4D 施工模拟，制定了合理的施工计划，有序安排施工顺序，发挥更高的施工效率，建设工期减少了5个月，取得了一定的经济效益。

本项目以“隧道机械化施工+BIM”为切入点，探索BIM技术在隧道机械化配套施工管理过程中发挥优化施工工艺、提质增效等重要作用。

首创了基于BIM技术高速铁路软弱围岩大型机械化配套大断面施工新工艺，制定了隧道机械化施工标准BIM模型库、积累软弱围岩大断面机械化开挖工法“3D”知识成果库。

针对隧道机械化施工工艺参数、工效指标、工序衔接、配置标准及成本测算等方面及时进行总结并形成系统性成果，为隧道机械化施工技术推广奠定基础。

为进一步攻克隧道钻爆法智能化快速建造技术难题提供了新的解决思路，一定程度上实现行业内隧道工程数字化施工建设新突破，获得业内多家铁路相关单位的一致好评。

在隧道工程中，利用BIM技术深入研究软弱围岩大断面机械化配套施工工法，推进隧道机械化、信息化、智能化装备应用，建立科学、有效的数字化项目管理平台，达到施工信息可视化集成，实现铁路隧道智能化施工。

方向1：基于 BIM 技术的钻爆法全工序机械化流水线研究，对各工艺环节、以及各环节之间的衔接进行参数化模拟，探索隧道钻爆法施工数字工厂模式。

方向2：特殊地质段虚拟施工技术，采用BIM技术对真实环境下的现场重建、安全分析、潜在灾害识别进行虚拟仿真，编制可视化专项施工方案和应急救援方案。

方向3：基于GIS+BIM的多维工程信息融合应用技术，形成可视、可量测、可分析、可计算的隧道全空间实景三维场景，在此基础上实现集成管理，支撑现场智能管控与智能建造。

郑万高铁苏家岩隧道项目