悬索桥隧道锚施工BIM技术的应用

摘要：结合BIM技术在宜昌伍家岗长江大桥隧道锚施工中的应用实例，对BIM技术在隧道式锚碇施工中的应用进行了探索和实践。实践证明，BIM技术的应用节约了施工成本，可为BIM技术在隧道锚施工中的具体应用提供借鉴。

关键词：隧道锚；BIM技术；深化设计；悬索桥

随着交通基础项目相继开工建设，悬索桥拥有用料省、自重轻、应对地形和地质条件复杂能力强等特点，在各种体系桥梁中优势逐渐凸显，受到越来越多建设者青睐。锚碇主要有岩锚、隧道锚和重力锚等3种形式，岩锚对地层要求最高，隧道锚次之，重力锚要求最低。相对于重力锚，隧道锚能较好地利用锚址区的地质条件，具有环境扰动小（仅为重力锚的20%～25%）、工程量少（仅为重力锚的20%～25%)、投资低（仅为重力锚的30%～35%）的特点，在保护自然环境和提高工程建设效率等方面具有明显优势。隧道锚将主缆中的拉力直接传递给周围山体的基岩，因而要求桥位处必须有良好的地质条件。因其传力机理，受力条件、开挖施工要求高等特点，导致隧道锚施工成为悬索桥施工的难点和重点之一。

1工程概况

宜昌伍家岗长江大桥项目是构建宜昌“三纵五横”快速骨架路网的重要控制性工程，对拓展城市空间、提升综合交通枢纽城市地位具有重要意义。其中，主桥为单跨1160m双塔钢箱梁悬索桥，分南、北岸两侧，北侧为隧道锚式锚碇（简称隧道锚）。隧道锚主要由洞口、前锚室、锚塞体及后锚室等部分组成。隧道锚轴线长度（理论散索点距离锚室底部长度）90m，距离设计路面的最大埋深为80m，锚塞体设置于微风化岩层。锚体轴线的倾斜角度为40°，前锚面尺寸为9.04m×11.44m，后锚面尺寸为16m×20m，上下游隧道锚中心距离37.50m，最小净距为23.42m。悬索桥每根主缆由85股127丝和6股91丝索股组成，主缆索股在隧道锚散索鞍散开后，通过拉杆、锚固连接器连接到预应力钢绞线上，通过预应力将索股拉力传递到锚体混凝土。本项目隧道锚结构凸出（图1），工艺流程复杂，技术难度大，管理要求高，给施工带来不小的困难。具体归纳如下：1）隧道隧洞口断面尺寸较小，机械材料转运以及出渣困难。2）施工工况复杂，管理难度大。3）隧道锚锚体呈前小后大楔形结构，倾角大、洞口小，二次衬砌施工难度大。4）锚固系统作为主缆索股将拉力传递至锚体混凝土的关键结构，其预应力管道定位、安装精度高。本工程隧道锚为城区浅埋软岩隧道锚，如何尽可能采用新技术、新工艺降低成本消耗水平，保障施工质量，加强施工管理，精心组织施工生产是隧道锚施工中亟需解决的难题。BIM技术主要应用在房建相关领域，特别是在欧洲发展已近成熟，但对于我国来说，BIM技术在桥梁方面的应用仍处于初级阶段[1-9]。BIM理念的引入，给建设领域项目管理注入了新的活力，也受到施工单位的高度重视。

2项目BIM应用

项目中BIM技术在隧道锚的应用内容主要包括4个方面：施工方案模拟、施工场地布置、方案深化设计、预应力管道坐标定位复核。下面分别对这4个方面的BIM应用的方法进行探讨。

2.1施工方案模拟

隧道锚施工因其结构特性，施工技术难度大，工艺流程复杂。传统技术交底以二维图纸和规范为主。这种方式难以体现施工过程中的技术难点与工艺，从而影响施工进度、施工安全和施工质量。通过BIM模型结合施工工序对隧道锚土方开挖及出渣、二次衬砌施工、隧道锚大体积混凝土施工等重点工况进行三维模拟施工（图2）。通过模拟施工，对施工工序间的合理性进行验证，将复杂工序简单化、可视化，帮助现场施工人员理解施工方案，避免对图纸及技术方案的错误理解从而造成的错误施工，节省看图时间，提高沟通效率，确保工序准确有序地开展。

2.2施工场地布置

本项目隧道锚地处丘陵地带，南侧紧临城市快速路不足40m，因此，合理布置施工场地是施工准备阶段的重要内容。因此，在隧道锚山体三维弹塑性有限元数值模型的基础上，建立BIM三维场布模型，直观形象地展示施工场地的布置，架设出渣卸车平台，科学规划渣土车及施工车辆出入路径，合理布置现场材料堆场及加工区域，降低材料运输和起吊费用。使用场布三维BIM模型能形象直观模拟土方出渣运渣、材料等进出场、起吊过程及运输的空间需求等，真实反映项目周边情况，合理布置场地（图3）。

2.3方案深化设计

本项目隧道锚轴线与水平线夹角为40°，整个隧洞呈倾斜结构，由于截面连续变化，且安排在主缆索股架设完成后实施隧道锚二次衬砌，主缆在隧道锚中呈发散状布置，二次衬砌施工无法采用传统的隧道台车，支架采用扣件式脚手架方案，支架搭设易和发散的主缆索股相冲突。相较常规的AutoCAD软件无法准确定位支架在变截面杆件位置且整体可视性差，工作效率低，安全隐患大。项目通过BIM技术搭建支架模型，借助Revit输出准确施工图纸，综合分析调整支架间距，横向间距、步距并根据主缆形状呈发散状布置，支架搭设横向间距最大160cm，步距最大为140cm。支架从前锚面逐渐向洞口方向搭设，轴向横杆支撑在掌子面。在纵向合理搭设剪刀撑，每道剪刀撑宽度不小于4跨，斜杆与地面倾角在45°～60°之间，利用BIM技术提出AutodeskRevit输出准确施工图纸[4]，相较于传统CAD出图节省绘图时间50%（图4、图5）。后期通过可视化技术交底，有助于现场施工人员对支架搭设全过程充分了解，确保支架整体安全性。

2.4坐标定位复核

隧道锚锚塞体段轴线长度45m，锚固系统由索股锚固连接构造和预应力钢束锚固构造组成。预应力钢束锚固构造由管道、预应力钢绞线及锚具、后锚面处锚头防护罩等组成。因隧道锚空间较狭窄，预应力定位钢架每一排角钢长度都不一样长[9]，故定位钢架拼装及坐标定位计算难度大、坐标复核任务重。通过BIM模型提取每段定位钢架、预应力锚垫板的坐标，与测量人员计算出的测量数据复核，使得测量数据准确（图6）。为了将在锚固系统预应力管道的累积误差控制在允许范围内，在定位钢架施工过程中，预应力管道按照“分节支撑、分段接管、实时监控”的要求，预应力管道及定位支架在洞外根据尺寸精确下料，全站仪现场精确定位，提高了锚固系统线性控制能力和施工精确度，确保项目施工安全有序进行（图7）。

3BIM技术带给锚碇专项施工的革新

目前我国BIM技术在市政桥梁工程领域得到越来越多的应用，但是在锚碇专项施工的应用较少，具体表现为：缺少标准的项目级实施方法和体系，以及BIM在锚碇专项施工中应用的系统解决方案。总结本项目BIM技术在隧道锚专项施工中的应用经验，具体可包含以下几点。

3.1方案评审的直观性

基于BIM技术在锚碇施工中的应用，可让业主在方案评审阶段更加直观地感受工程相关数据分析及完工后的效果，加快了评审速度。

3.2更加准确的工程造价

基于BIM模型的工料计算相比基于2D图纸的预算更加准确，由计算机出图完成，且节省了大量时间。用BIM软件来统计工程量可以减少人工统计的失误，合理安排材料的采购，缩短工期、降低了工程成本[2]。

3.3有助于锚碇施工技术的创新性与先进性

作为当今建筑业最具前瞻性的技术之一，BIM技术用可视的数字模型串联起设计、建造和运营全过程。BIM技术所提供的信息共享交互平台能使早期参与方案设计的各个协作方进行互相经验探讨、信息协调，实现项目创新性与先进性。

3.4有助于施工质量的管控

桥梁工程项目的施工建设中，最为核心的无疑还是施工质量，而在这种施工质量的管理和控制中，同样能够运用BIM技术进行有效的优化。从目前国内BIM技术在工程项目建设中的应用情况看，BIM技术发挥较大的实际应用价值点是施工阶段[3]。BIM技术在施工质量管理中的应用主要就是为了能够较好地提升其管理的全面性和可靠性，基于信息模型的呈现优化对于整个施工操作流程的控制和审查，从而也就能够最大程度上提升其施工质量的控制力度效果，为工程施工带来了可观的社会效益和经济效益[8]。

4结语

随着BIM技术的发展，BIM技术在施工中的应用彰显巨大的优势[6]。基于BIM技术在桥梁工程中的应用为新时期的项目管理提供了新的思路，已经在全国许多大型桥梁建设项目中进行BIM技术应用的工程实践[7]，促进了施工过程中信息的共享与传递。宜昌伍家岗长江大桥在隧道锚施工阶段应用BIM技术，通过施工方案模拟和BIM协同平台的应用，解决了现场施工中碰到的问题，有效指导了项目的施工，取得了良好的效果。

参考文献

[1]杨永清,张琳.BIM技术在某悬索桥锚锭施工中的应用[J].四川建筑,2019,39(3):209-211.

[2]金绍武,李红,杨恺.BIM技术在杨泗港长江大桥锚碇工程中的应用[J].湖北工业大学学报,2016,31(5):84-87.

[3]蒋锋.世博B片区地下空间连通道施工中的BIM应用[J].建筑施工,2016,38(5):644-645.

[4]宋冰,卞佳,张岩.BIM技术在海外悬索桥施工中的应用[J].公路交通科技,2018,35(增刊1):22-28.

[5]刘辉.宜昌市伍家岗长江大桥桥塔施工全面展开[J].世界桥梁,2017,45(2):95-96.

[6]王万里.BIM技术在隧道与地下工程中的应用研究[J].工程技术与应用,2019,4(15):51-52.

[7]胡杰.BIM技术在桥梁施工设计中的应用探索[J].铁路技术创新,2014(2):63-67.

[8]陆小飞.悬索桥隧道锚开挖施工技术的思考[J].交通世界,2018(24):98-99.

[9]黎训国,汪丽君,卢磊,等.山区悬索桥超大隧道锚施工工艺[J].公路,2017,62(5):111-115.

作者：龚磊 罗实 熊飞中 单位：建三局第三建设工程有限责任公司