基于BIM技术的复合地层泥水盾构优化施工方法

摘要

本发明公开了基于BIM技术的复合地层泥水盾构优化施工方法，属于隧道施工优化技术领域，解决了传统技术中无法实现盾构施工时的实时跟踪、预警和监测，且智能化程度不高的技术问题，其包括：S1：对复合地层进行勘测，并得到该区域的三维坐标；S2：对复合地层进行分别取样，并检测该复合地层中每层土层的岩土颗粒粒径和地层渗透性；S3:根据步骤S2中的检测结果进行盾构机选型S4:根据选型的盾构机进行施工现场的刀盘开口率实验，完成刀盘更新优化，实现了对隧道施工过程的实时跟踪、预警和监测，并实现了隧道施工过程的智能化。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工优化技术领域，具体涉及基于BIM技术的复合地层泥水盾构优化施工方法

背景技术

随着城市轨道交通建设的不断发展，不可避免地要在复合地层中修建大量的盾构地铁隧道，而目前泥水盾构在城市轨道交通中应用实例较少。同时，复合地层地铁隧道泥水盾构施工工艺缺乏科学性判定指标，且对于复合地层隧道的智能探测技术较为薄弱，无法实现盾构施工时的实时跟踪、预警和监测。

针对上述现有技术中的不足，在复合地层条件下如何实现地铁隧道施工的安全高效、如何实现BIM技术的智能化应用时亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种基于BIM技术的复合地层泥水盾构优化施工方法，解决了现有技术中无法实现盾构施工时的实时跟踪、预警和监测，且智能化程度不高的技术问题。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于BIM技术的复合地层泥水盾构优化施工方法，包括以下步骤：

S1：对复合地层进行勘测，并得到该区域的三维坐标；

S2：对复合地层进行分别取样，并检测该复合地层中每层土层的岩土颗粒粒径和地层渗透性；

S3：根据步骤S2中的检测结果进行盾构机选型；

S4：根据选型的盾构机进行施工现场的刀盘开口率实验，完成刀盘更新优化；

S5：通过BIM平台，根据步骤S1中的三维坐标绘制复合地层条件下的隧道三维施工模型图，并将该模型图植入有限元数值模拟软件，通过正交实验法得到优选的泥水盾构钢套始发及接收施工方案；

S6：在施工现场设置数个传感装置，其中传感器与BIM平台通过互联网信号连接，BIM平台基于传感器所测得的数据，优化复合地层隧道中泥水盾构施工方法。

采用上述方案，其中步骤S5可通过有限元数值模拟软件完成泥水盾构钢套始发及接收施工优选方案的拟定，其具体为将复合地层条件下的隧道三维施工模型图植入到有限元数值模拟软件中，并通过正交实验法选择施工参数，将上述施工参数输入有限元数值模拟软件中后，即可模拟各种工况，其中能够满足施工条件的最优方案即为优选方案；在上述步骤S6中，能够通过数个传感装置实时监测隧道施工中的各项参数，且传感装置能够将上述参数通过互联网传输至BIM平台中，BIM平台可根据得到的数据进行施工方案的拟定优化，并为施工人员提供实时的隧道参数，通过上述方案，实现了对隧道施工过程中的情况进行实时监测，并根据隧道内的变化持续优化施工方法，实现了隧道施工的智能化，和对隧道施工情况的实时跟踪、监测和预警。

进一步的，复合地层中取样的土层包括暖石层、粗砂砾层、中细砂砾层、粉细砾层、粗砂层、粉细砂岩、泥砂岩及黏土层。

采用上述方案，通过对上述复合地层中的各土层取样，能够实现对复合地层的物理性质进行全面监测，从而优选泥水盾构机的型号和对刀盘的改进。

步骤S3的具体步骤为：

S31：检测复合地层中的各土层的渗透性参数，当渗透性参数≥10

S32：检测复合地层中的颗粒粒径，并根据颗粒粒径对复合地层进行土层分层，当粉细砾层和粉细砂岩的数量和与黏土层数量比值≥40％时，选用土压平衡盾构机；当粉细砾层和粉细砂岩的数量和与黏土层数量比值＜40％时，选用泥水加压式盾构机。

采用上述方案，可根据复合地层的中各土层的颗粒粒径和渗透性参数进行盾构机的选型，通过对复合地层的实际情况完成对盾构机的准确选型。

进一步的，粘土层的颗粒粒径为0.001mm，粉细砾层和粉细砂岩的颗粒粒径大于0.075mm。

进一步的，步骤S4的具体步骤为：进行开口率实验，如果进行换到作业时，冲洗刀盘泥饼的时间≥总换刀时间的30％，则增加刀盘的开口面积或幅条的冲刷系统。

对于泥水盾构机中较小开口率的刀盘，其中心部位开口率低和排渣导流口形式的不适宜，会导致在泥质砂岩和泥岩地层掘进过程中造成刀盘中心部位结“泥饼”的现象，其中冲洗刀盘泥饼的时间如果占比为30％-40％，则说明该刀盘的开口率过低或冲刷系统过少，导致泥饼清洗效率低，上述时间占比为刀盘泥饼冲刷时间的临界值，在本方案中，刀盘的优化方式为增加刀盘和幅条的冲刷系统，直到冲洗刀盘泥饼的时间小于总换刀时间的30％，通过上述方案，提供了通过检测泥饼冲洗时间来检测刀盘开口率的方法和临界值，为施工人员提供了是否需要增加开口率与冲刷系统的参照。

进一步的，泥水盾构机穿越复合地层时进行超前支护，其中支护的间排距为3-5m。

采用上述方案，在隧道破碎围岩时，开挖扰动会引起较大的围岩变形，如果超前支护措施不及时，围岩变形可能超过其容许范围，严重时引起掌子面失稳、隧道塌方，造成重大经济损失，因此，本方案中采用隧道超前支护措施来控制围岩的变形，从而达到保证隧道施工安全的目的。

进一步的，传感装置包括应力传感器、位移传感器和角度传感器，分别进行应力监测、沉降监测和倾斜度监测。

进一步的，应力传感器预埋在隧道围岩内部，位移传感器设置在隧道顶部和两边，角度传感器设置在隧道顶部的中部。

采用上述方案，可保证各传感器的检测精度和检测环境要求。

进一步的，S5的具体步骤为：

步骤S51：得到三维数值模型后，通过HYpermesh软件进行网格划分，并输出到有限元软件ANSYS；

步骤S52：通过正交实验法进行泥水盾构始发及接收施工技术参数选择，并在ANSYS中基于上述参数进行工况模拟测试。

采用上述方案，可通过ANSYS进行各种工况的模拟测试，以检测通过正交实验法得到的施工技术参数能否达到施工要求。

进一步的，S52的中的工况模拟测试包括钢套筒始发装置模拟测试、钢套筒内回填及试压测试。

采用上述方案，通过在ANSYS软件中的提前工况模拟，能够预测在上述施工参数下，其中钢套筒与洞门环板的连接处、钢套筒拼装缝处密封在施工过程中是否能保持完好；其中钢套筒内回填及试压测试能够检测通过向土舱内注入泥浆，土舱压力达到试压值后，压力是否能够保持5小时不变，通过该种方式能够进一步提高施工方案优化的效率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的复合地层结构示意图；

图3为本发明的盾构机型与渗透性系数关系示意图；

图4为本发明的各土层颗粒粒径示意图。

附图标记：101-暖石层；102-粗砂砾层；103-中细砂砾层；104-粉细砾层；105-粗砂层；106-粉细砂岩；107-泥砂岩；108-黏土层。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例一：

在本实施例中，提供了一种可对施工进程实时跟踪、预警、监测的方法，从而提高施工过程的安全性，在此过程中，通过BIM平台对接收的隧道信息进行实时处理，可得到优选施工方案，其具体为：

一种基于BIM技术的复合地层泥水盾构优化施工方法，包括以下步骤：

S1：对复合地层进行勘测，并得到该区域的三维坐标；

S2：对复合地层进行分别取样，并检测该复合地层中每层土层的岩土颗粒粒径和地层渗透性；

S3：根据步骤S2中的检测结果进行盾构机选型；

S4：进行施工现场的刀盘开口率实验，完成刀盘更新优化；

S5：通过BIM平台，根据步骤S1中的三维坐标绘制复合地层条件下的隧道三维施工模型图，并将该模型图植入有限元数值模拟软件，通过正交实验法得到优选的泥水盾构钢套始发及接收施工方案；

S6：在施工现场设置数个传感装置，其中传感器与BIM平台通过互联网信号连接，BIM平台基于传感器所测得的数据，优化复合地层隧道中泥水盾构施工方法。

其中步骤S1-S3为盾构机选型及刀盘优化流程，步骤S5为施工前的技术参数和泥水盾构钢套始发、接收施工方案的优化过程，步骤S6为施工过程中，传感器实时监测隧道情况，并将检测到的数据通过互联网传输给BIM平台，BIM平台根据自身的运算模拟能力可得到优选的施工方案，该施工方案可根据隧道情况变化而做出适应性的改变，通过该种方案，能够实现泥水盾构机隧道施工过程中的智能化和对隧道施工进程的实时监控。本系统的工作的流程图如图1所示。

在上述复合地层中，主要取样的土层包括暖石层101、粗砂砾层102、中细砂砾层103、粉细砾层104、粗砂层105、粉细砂岩106、泥砂岩107及黏土层108，其中复合地层的具体结构如图2所示，通过对上述土层的颗粒粒径检测和渗透性检测，能够实现对盾构机的选型，其具体通过步骤S3实现：

步骤S3的具体步骤为：

S31：检测复合地层中的各土层的渗透性参数，当渗透性参数≥10

S32：检测复合地层中的颗粒粒径，并根据颗粒粒径对复合地层进行土层分层，当粉细砾层104和粉细砂岩106的数量和与黏土层108的数量比值≥40％时，选用土压平衡盾构机；当粉细砾层104和粉细砂岩106的数量和与黏土层108的数量比值＜40％时，选用泥水加压式盾构机。

在上述方案中，考虑到泥水加压式盾构机对土层要求较土压平衡式盾构机要高，故在复合地层中，土层的渗透性参数最小值≥10

上述黏土层在复合地层中的颗粒粒径为0.001mm，粉细砾层和粉细砂岩的颗粒粒径大于0.075mm。在计算时，以上述标准为参考值。其中复合地层中的各土层的颗粒粒径如图4所示。

在本实施例中，提供了是否需要对刀盘进行优化的检测标准，具体为通过计算在换刀过程中，冲洗泥饼所站时间比来判断是否需要增大刀盘开口率和增加冲刷系统，具体通过上述步骤S4来实现，其中步骤S4的具体步骤为：进行开口率实验，如果进行换到作业时，冲洗刀盘泥饼的时间≥总换刀时间的30％，则增加刀盘和幅条的冲刷系统。其中增加刀盘的开口面积即可增加刀盘的开口率，从而减少泥饼在刀盘中心的形成量。

在本实施例中，为防止掌子面失稳，造成塌方事故，在泥水盾构机穿越复合地层时进行超前支护，其中支护的间排距为3-5m，上述超前支护是保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于掌子面开挖的辅助措施的一种，可保证隧道施工时的安全性。

上述传感装置包括应力传感器、位移传感器和角度传感器，分别进行应力监测、沉降监测和倾斜度监测。

应力传感器预埋在隧道围岩内部，位移传感器设置在隧道顶部和两边，角度传感器设置在隧道顶部的中部。

采用上述传感装置，并将传感装置分别设置在隧道内对应的位置上，能够对隧道内形成全面监测，实现对施工进程的实时跟踪和预警。

如前文所述，本实施例中可对泥水盾构钢套筒始发及接收施工技术进行优化，具体通过上述步骤S5实现，其中步骤S5的具体步骤为：

步骤S51：得到三维数值模型后，通过HYpermesh软件进行网格划分，并输出到有限元软件ANSYS；

步骤S52：通过正交实验法进行泥水盾构始发及接收施工技术参数选择，并在ANSYS中基于上述参数进行工况模拟测试。

通过上述方案，能够对正交实验法中得到的施工技术参数进行模拟检测，现施工方案的优化，其中模拟检测包括钢套筒始发装置模拟测试、钢套筒内回填及试压测试。其中钢套筒始发装置模拟测试进行钢套筒与洞门环板连接处、钢套筒拼装缝处密封完好，通过该种模拟测试能够检测输入的施工参数是否符合施工要求；

其中钢套筒内回填及试压测试，通过模拟向土舱注入你将使土舱压力达到试压值，观察压力能否保持5h不变。上述两种测试中，钢套筒耐压参数最低设置为6bar。