盾构法隧道施工对地面扰动小、施工速度快, 已经成为城市隧道建设中首选的隧道施工方法^[1], 采用预制管片作为隧道主体支撑结构, 分为普通管片和通用管片2类, 通用管片只需采用一种管片就能适用于同一条隧道直线、左转曲线、右转曲线等工况条件^[2,3], 逐渐广泛应用于隧道施工。隧道盾构技术不断完善, 但通用管片拼装过程中仍会遇到通缝和点位不合适等问题。建筑信息模型 (building information modeling, BIM) 技术是继CAD技术后出现的多维模型信息集成技术, 强大的信息化、可视化功能使其具有广阔的应用前景^[4,5]。如何更好地将BIM技术与盾构隧道通用管片拼装工作结合, 指导管片顺利拼装, 成为当前BIM技术应用研究的重点。通用管片中不同管片块结构尺寸差异明显, 应用BIM技术建模工作量大、工序复杂, 管片拼装信息化水平低。

针对以上问题, 国内外学者已对盾构管片信息化建模及排版问题展开研究。S.Swartz等^[6]对双面楔形管片进行了研究, 根据工程经验得出了隧道曲线段管片环选择标准。N.Yabuki等^[7]研究了基于IFC标准的盾构隧道在实际工程中的应用, 实现了隧道模型数据的互操作性。欧阳业伟等^[8]研究了BIM建模的过程, 提出BIM模型需求分析方法, 并给出了基于BIM的建模流程及应用要点。王晓东等^[9]基于Revit参数化技术研究了普通管片参数化建模的方法并提出了先建模后出图的概念。钟宇等^[10]研究了基于IFC标准的盾构隧道数据模型, 提出单个管片块建模方法并形成了基于BIM技术的盾构隧道结构信息模型建模方法。张志华等^[11]通过选择适当的管片排版方案, 实现盾构隧道的实际轴线对于设计轴线的拟合。除此之外, 文献[12,13,14,15]对盾构隧道排版以及BIM技术在装配式建筑、桥梁施工中的应用进行了研究。以上研究主要集中在管片排版方法的理论计算和普通管片的建模方法, 少有借助BIM模型信息化手段开展通用管片方面的研究, 建立的管片模型精细化程度低, 不能满足施工应用要求。

因此, 本文针对通用管片精细化建模及应用进行研究, 利用Civil 3D软件创建隧道设计轴线 (DTA) , 并建立参数化通用管片模型, 沿隧道设计轴线按计算点位对盾构隧道通用管片进行模拟拼装, 实现任意环号管片拼装点位查询, 并对不符合要求的管片环进行快速修改替换, 利用参数化盾构隧道管片模型为管片拼装施工提供指导。

郑州市民文化服务区地下交通工程土建施工B合同段市民大道站—市委党校站区间左线长862.127m, 右线长864.352m, 盾构隧道穿越土层主要以粉质黏土、黏质粉土为主, 施工中使用1台直径6.41m土压平衡盾构机掘进施工。该区间正线左线设置2处平曲线, 曲线半径分别为800m和1 000m;区间正线右线设置2处平曲线, 曲线半径均为800m。线路纵坡设计为单坡, 坡度范围2.000‰～5.272‰, 区间结构顶部覆土厚13.4～21.3m。采用双面楔形通用管片作为隧道衬砌结构, 管片拼装形式为错缝拼装。

盾构区间隧道使用的通用管片外径为6 200mm, 内径为5 500mm, 管片中部宽1 500mm, 厚度为350mm。通用管片混凝土强度等级C50、抗渗等级P12, 采用M30螺栓连接, 管片构造如图1所示。每环管片由6块预制钢筋混凝土管片块拼装而成, 封顶块K圆心角21.5°, 邻接块B1, B2圆心角68°, 标准块A1, A2, A3圆心角67.5°。

项目中采用双面楔形通用管片, 通过不同排版方式完成隧道转弯和纠偏。从图1a可以看出, 管片楔形量为40mm, 计算得出楔形角22'10.74″。根据管片外径和管片宽度计算出轴线最小半径为232.5m, 满足盾构隧道设计轴线曲线曲线半径800m要求。

通用管片每环16个安装点位, 相邻点位旋转角度为22.5°, 不同点位楔形量也不同。其中K块点位决定了整个通用环管片姿态, 以K块在上部时的管片状态为标准, 顶部定为1号点位, 顺时针方向转动22.5°为2号点位, 剩余3～16号点位依次排列。不同点位管片超差和轴线偏差计算值如表1所示。根据防水规范要求封顶块禁止拼装在8, 9, 10号点位。

Civil 3D是一款基于AutoCAD平台的具有强大路线设计功能的软件, 可以根据路线的平面线形和纵断面图快速、准确生成对应三维路线。路线的平面线形即道路路线在水平面上的投影, 通常由直线、圆曲线和缓和曲线构成, Civil 3D通过这几种线形组合可创建任意平曲线。DTA是一条空间三维曲线, 由路线平面线形和纵断面图结合完整表达空间位置和立体线形, 结合路线设计精确、高效的要求, 建模时决定应用Civil 3D制作隧道设计轴线。

在Civil 3D中新建DWG文件, 拾取盾构区间平面图中隧道设计轴线, 轴线由多段不连续曲线组成, 用合并多段线进行合并处理。再根据多段线创建有向路线, 方向由小里程指向大里程, 并设置起始桩号值, 根据路线和起始桩号计算出终点桩号和线路里程数。选择路线创建纵断面图, 使用纵断面创建工具插入变坡点, 系统根据变坡点高程计算出线路坡度值。在三维状态下选择“块参照”路线进行2次分解, 得到带高程的三维多段线, 再用“PE”命令设置为样条曲线。最后, 以该样条曲线为对象进行线路拟合, 得到盾构区间三维隧道设计轴线。

Revit系列软件作为当前主流BIM核心建模软件, 操作简单易掌握, 可根据需要创建多类型构件族。模型创建过程中通过调整已输入参数修改模型信息, 大大提高模型生成和修改速度。应用Revit进行盾构隧道通用管片建模, 建模中的曲面、复杂孔洞问题可以得到有效解决;参数化管片模型族适用性强, 可用于不同尺寸隧道的建模。

盾构区间隧道结构主体是由双面楔形通用管片块按计算点位错缝拼装而成, 与普通管片相比, 双面楔形管片块结构尺寸更加复杂。先建立不同类型管片块模型再对管片块拼装成环, 会产生很大工作量且无法保证模型精度。因此采用先整体后局部的建模方法进行通用管片环建模, 建模方法如下。

1) 建立管片环整体模型选择公制体量族样板新建族文件, 导入管片正视图, 根据管片轮廓尺寸和位置设置参照平面。标准块形状规整, 根据管片尺寸大小使用模型线工具绘制标准块侧面轮廓, 然后创建实心形状, 在管片环径向方向拉伸1 500mm生成标准块实体模型。邻接块和封顶块形状不规整, 拉伸命令不能直接生成管片模型, 采用模型线工具绘制两侧不同形状, 使用创建实心形状工具生成管片块模型。封顶块两侧止水带有倾斜角, 采用相同方法生成模型。

2) 管片模型细化项目中使用的是双面楔形通用管片, 将创建好的管片环实体模型两侧分别拉伸10mm, 创建空心形状进行切割, 保证封顶块顶部宽度为1 480mm, 标准块最宽处1 520mm。还需对管片上的注浆孔、螺栓孔等孔洞进行设置, 使用模型线工具绘制孔洞形状并利用空心形状命令建立空心模型, 选择参照平面放置空心模型进行管片挖孔。每环管片有56个螺栓孔, 定位挖孔位置和深度, 可以采用镜像方法快速挖孔。细化后的通用管片封顶块、邻接块和标准块模型如图2所示。

参数化是指对象与对象间的关系, 当其中一个对象的参数发生改变时, 与之关联的对象也会发生相应改变。通过参数化手段对通用管片的变量参数进行处理, 有效解决通用管片控制参数多、变量参数高度相似的问题。通过参数值的改变实现快速构建新的管片模型, 有效增强管片模型的适用性, 管片只需进行特定参数的修改即可获得不同项目所需的管片模型。族类型参数设置将管片模型材质设定为高性能混凝土, 止水带模型材质设定为橡胶弹性密封垫。并对管片环内径、外径、管片厚度、圆心角以及各孔洞尺寸等变量参数进行参数化处理。完成建模的单环管片组合模型如图3所示。

盾构隧道管片排布可以通过内建模型命令, 用自由曲线绘出隧道设计轴线, 再通过拉伸、放样等命令生成参照模型, 最后按顺序放置管片单元族。但该方法管片放置偏差大, 曲线段处管片需要旋转一定角度, 修正较麻烦。为得到精确的隧道管片模型, 采用建立自适应参数化族的方法, 通过设置关联公式限制管片模型在16个点位旋转切换, 根据各环管片封顶块计算点位进行拼接放置, 按照实际施工的排版要求完成隧道管片拼装。

选择自适应公制常规模型族样板, 在Revit中新建自适应族。在参照标高平面创建2个参照点, 单击“使自适应”命令使2个参照点转化为自适应点1和点2。通过自适应点可根据需要任意确定构件基于主体的形状和位置, 并可通过捕捉这些自适应点绘制的几何图形创建自适应构件族。然后使用“对齐”命令标注两点之间的距离L, 命名为“点控距离”。再创建一个自适应点3, 选择自适应点2的水平面作为参照平面, 在自适应点2位置创建参照点并在竖直方向上移动1 500mm使自适应, 自适应点3的参照主体为自适应点2, 自适应点3将随着自适应点2的移动在同一方向移动相同距离。然后给自适应点3添加参数θ, 定义为“转角”, 后面通过公式关联转角θ和点控距离L控制管片模型K块所处点位。

自适应点及参数设置完成后, 关联环形管片模型。选取自适应点3的水平面作为参照平面并绑定双面楔形管片组合模型, 双面楔形管片上、下环面中心连线距离为1 500mm, 使圆环上表面中心与自适应点3重合, 自适应点3转动时管片模型也以相同角度旋转。调整管片环模型的姿态, 选中模型和参照线, 利用旋转工具调整模型, 使转角θ=0°时封顶块位置在正上方, 自适应管片环模型如图4所示。再给管片族添加参数K并定义为“点位”, 用来显示管片1～16个点位号, 方便不同环号管片点位信息查询。最后, 进行管片族类型参数间的关联设置, 利用if语句关联转角θ和点控距离L, 并利用公式设定转角以22.5°为模数匹配管片16个点位, 使点控距离L发生变化时转角θ值在设定的角度间切换, 从而带动管片模型转动到目标点位。编辑族类型对点位K添加公式“K=L/1 500mm+1”, 关联后点位K会根据L值进行变化, K值显示管片所处点位。

在Revit中新建概念体量, 导入绘制好的三维隧道设计轴线。使用“分割路径”工具沿设计轴线正向以1 500mm为模数进行等距离分割, 参照等分点放置模型参照点, 使用“放置构件”命令放置自适应管片环模型。管片拼装时, 管片轴线与相邻管片接触面上的交点位于同一圆周上, 各点位管片轴线偏差值如表1所示。按照第1环管片在隧道设计轴线上, 且不考虑施工过程中盾构姿态、油缸行程差和盾尾间隙等影响管片排版的因素, 计算不同点位管片环前进端面中心坐标与隧道设计轴线的距离, 选择距离最小的点位放置管片。

郑州地铁市民大道站—市委党校站盾构区间工程采用双面楔形通用管片作为隧道主体支撑结构, 针对通用管片施工排版选点问题, 结合BIM技术建立参数化通用管片模型, 应用信息化管片拼装模型辅助施工。根据盾构区间二维设计图纸, 运用Civil 3D建立盾构区间三维隧道设计轴线, 如图5所示。

运用Revit建立精细化通用管片模型, 并对通用管片模型的变量进行参数化处理。参照Civil 3D绘制的市民大道站—市委党校站盾构区间左线隧道设计轴线, 建立信息化管片错缝拼装模型, 如图6所示。单击任意环管片, 可快速查询管片点位信息, 并能根据拼接要求迅速调整管片点位, 图7中高亮显示的管片环为4号点位, 转角θ为67.5°。双击任意环管片可进入族编辑器进行模型查看, 管片模型左视图如图7所示。可以看出通用管片模型为双面楔形, 楔形量40mm, 封顶块顶部宽度最小为1 480mm。

BIM技术在市民大道站—市委党校站盾构区间工程施工中的应用, 为盾构隧道施工信息化发展积累了经验。通用管片模型的参数化应用有效提高了建模效率, 实现了对通用管片封顶块点位控制, 建立的通用管片错缝拼装模型达到了施工应用要求, 取代传统盾构隧道施工过程中, 通过纸质报表传递包括盾构姿态、油缸行程差和盾尾间隙等实时信息, 确定下一环管片点位选取。建议运用信息化手段进行工作平台开发, 汇总盾构施工实时报表数据, 导入盾构隧道通用管片BIM模型, 实现盾构隧道施工信息化目标。

1) 应用Civil 3D软件绘制三维隧道设计轴线, 根据设计轴线的路线平面线形和纵断面图对应的高程值, 通过插入变坡点自动计算路线坡度值, 快速准确生成隧道设计轴线。

2) 采用先整体后局部的建模方法对双面楔形通用管片建模, 有效解决管片块独立建模工作量大、模型精度不够的问题;参数化管片模型可以通过改变参数实现新管片模型的快速生成。

3) 建立自适应通用管片模型, 添加“点控距离L”、“转角θ”和“点位K”等控制参数, 通过建立公式关联L和θ, 实现对通用管片封顶块点位K的控制。根据通用管片隧道模型可以快速查看管片点位信息并对管片环点位进行调整, 为BIM技术在地铁隧道通用管片排版中的应用提供参考。