BIM技术在桥隧相接部位方案设计中的应用
发布时间：2022-04-13
摘要：依托某高速公路在偏压地形条件下桥隧相接部位局部基础落空案例，通 过 对 比 介绍初始拟定方案和采用 BIM 技术确定的最终方案，说明了采用 BIM 技术在该方案确定过程中的优越性。
关键词：桥隧相接;基础落空;BIM 技术
BIM 技术(BuildingInformation Modeling)是对工程项目的物理特征、功能特性和管理要素的共享数字化表达。近年 来，BIM 技 术 以 其 可 视 化、信 息 化 等特点在建筑行业得到了快速的发展。其在项目建设过程中具有显著的优势：① 在建设过程中，运用 BIM 多维度模拟功能可对施工方案提前预演，并有助于精细化管理，实现对项目的高效控制;② BIM 模型中构件所包含的信息可以表达构件的属性和行为，支持数字化的分析工作。当前 BIM 技术在中国公路建设领域还处于逆向设计阶段，即采用传统的设计手段完成后，通过 BIM 技术对设计成果进行演示。该 文 依 托 某 高速公路建设过程中遇到的在偏压地形情况下桥隧相接部位局部基础落空的案例，结合三维倾斜摄影技术和BIM 技术实现三维实景建模，通过提取特殊部位的横断面等信息，进而确定较为精准的设计方案。
1 项目概况
某高 速 公 路 设 计 时 速 为 80km/h，桥 隧 占 比 约50%，其 中 桥 隧 相 接 部 位 较 多。图1为 某 隧 道 进 口 与桥相接，隧道长约177m，为短隧道与 路 基 同 宽，桥 隧相接部位为30 m 高 悬 崖。隧 道 进 口 左、右 洞 洞 口 桩号分别为 KD124+015、KC123+975，为端墙式洞门;桥梁左、右幅终点桩号分别为 KD124+013.5、KC123+973.5，桥台均采用柱式台，桩基础。
2 初始拟定方案
该处地质为近水平中-强风化砂岩，设计标高距陡崖底部高约28 m，岩 面 倾 角 为65°～80°，陡 崖 底 部下埋深约12 m 为 强 风 化 砂 岩，其 下 为 中 风 化 砂 岩。原设计左、右洞 偏 压 明 洞 长 度 分 别 为 5、8 m，经 清 表后，右洞明洞和洞门墙的左侧基础落空，最大落空宽度约为5m。
初步确定方案如下：
(1)取 消 右 洞 明 洞，洞 门 桩 号 设 置 为 KC123+983，将最后一片梁(① 采用预制方案;② 采用现浇方案)相应加长。
(2)隧道洞口桩号 不 变，明 洞 和 洞 门 墙 左 下 角 采用 C30混凝土挡墙基础形式(① 挡墙基础下采用桩基础进入中风化砂岩;② 开 挖 基 坑，将 挡 墙 基 础 落 至 能满足承载力要求的持力层)。
若采用方案(1)，预制梁加长存在预制模板和架梁机难以操作 问 题，若 采 用 现 浇 梁 方 案，受 地 形 条 件 限制，施工支架难以搭设，施工存在一定的安全风险。
若采用方案(2)，由于左幅9# 桩基距 C30混凝土挡墙基础距离较近，开挖基坑对桩基稳定性影响较大，需采用基坑强支护措施，总体费用较高。若采用挡墙+桩基础形式，由于挡墙自重大，在倾角约65°情况下产生的水平推力较大，经验算桩基础难以满足抗水平推力要求。
经综合分析，方案(1)和方案(2)施工均较难实施，方案(2)费用较高，且圬工体量太大，影响美观，故不宜推荐。
3 最终确定方案
大致方案为：隧道明洞取消，采 用1 m 厚 C30钢筋混凝土贴壁式端墙洞门，洞门墙设置桩号为 KC123+982，左 侧 设 置 一 偏 压 挡 墙，纵 长3 m，洞 门 墙 下 设置—截面为1m×1.5m(宽×高)基础梁，洞门墙、挡墙、基础梁均采用药卷锚杆与岩体连接牢固，如图2所示。加长帽梁，使左侧桩基偏移出峭壁位置，如图3所示。桥台与隧道洞门间设置加强型搭板。为保证右侧边坡稳定，搭板右 侧 边 坡 坡 率 设 置 为1∶0.3，采 用 锚喷防护形式。
最终变更方案是基于 BIM 技术进行方案设计，具体实施如下。
3.1 三维倾斜摄影技术采集现场数据
三维倾斜摄影技术是最近几年发展的一项测量技 术，以往航测技术只能从垂直方向进行拍摄，三维倾斜摄影技术通过在同一无人机上安装可旋转式传感器，从不同角度 采 集 影 像，同 时 自 动 记 录 航 高、坐 标 等 数据，最后通过专业技术对影像资料进行分析，获得真实三维影像。
此次航拍共选定3处较为空旷位置布设影像控制点，如图4所示，标记位置需醒目。采用无人机搭载1台高清 相 机，通 过 地 面 操 作 界 面 控 制，摄 像 头 可360° 旋转，分别获取不同角度的影像资料，无人机控制飞行高度为150m，航拍倾斜角度30°，每次拍摄影像控制点须清晰可辩，以便后期处理时能保证成果的精确，同时采用全站仪人工测量影像控制点三维坐标和隧道、桥梁控制坐标网。
三维倾斜摄影技术测绘精度达厘米级，构建的三维场景能真实地反映桥隧结构物的外观、位置和高度等属性。利用 Bentley公司的Smart3D 软件，可将外业影像成果生成 GIS模型。
3.2 桥隧 BIM 模型基于达索3DEXPERIENCER2015x平台开发的道路交 通 设 计 系 统 SMEDI-RDBIM，通 过 导 入 二 维CAD设计图
纸中的设 计 线、桥 型 布 置 图、隧 道 横 断 面等信息，能快速进行桥隧三维模型创建(图5)。
3.3 倾斜摄影与 BIM 模型融合
将三维倾斜摄影 GIS模型重新生成为.Obj文件，然后将 BIM 桥 隧 模 型 导 出.fbx 格 式，最 后 通 过 3ds max平台进行融合，生成桥隧工点地形三维曲面模型(图6)，最终可进行现场三维实景还原(图7)。
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三维曲面从 本 质 上 看 是 mesh模 型，即 网 格 面 模型，通过三维曲面模型，可随意切取各桩号横断面线进行精确分析，通过提取 KC123+982隧 道 洞 门 桩 号 位置处的垂直切片(图8)，分析基础梁的悬臂长度再具体确定基础梁的截面、位置和配筋。从图8可看出：基础梁左侧端头未落空。对于右幅8# 桥台原设计左侧桩基，通过提取 KC123+973桩号桥台帽梁位置处 的垂直切片(图9)，由图9可看出桩基中部外露于岩体，不具备施工条 件，而 帽 梁 基 底 处 约 有2 m 左 右 悬 空，还有10m 位于 基 岩 之 上，故最终采用加大帽梁的方案，使左侧桩基偏移出峭壁位置。
4 方案现场实施
目前，隧道和桥梁均已施工完毕，从图10可看出：
隧道右洞基础梁左侧端头部位和左侧挡墙均未落空，通过加长帽梁，桩基置于稳定 基 岩 上，与 BIM 建 模 切片分析结论一致。洞口外右侧边坡采用喷锚+挂网植草防护，由于岩层呈水平产状，整体稳定性较好。
5 技术应用总结
在复杂地形桥隧相 接 部 位 运 用 BIM 三 维 建 模 技术，总结其技术要点如下：
(1)复杂地形中一般地形陡峭，测量困难，难以提供准确的测量基础资料，运用 BIM 三维建模可以提供较为精准的地形地貌条件，为方案确定打下坚实的基础。该桥隧相接处岩面高且陡峭，测量人员难以测量精准，运用 BIM 切片技术，能获取不同桩号、不同高程岩面吊空情 况。例 如：洞门墙下的基础梁，其 设 置 截面、位置、配筋均需根据左侧岩面落空情况具体确定，由于左侧岩面陡峭测量不准确，难以根据测量资料确定该方案是否可行。传统方法是挖开基础后再具体确定，但由于右侧边坡陡峭且存在一定偏压，若开挖太深或较长时间再确定方案对右侧边坡稳定性不利。而采用 BIM 切片技术，提取此处的垂 直 切 片，可 较 为 清 晰地看出结构物处地形地貌，为方案确定提供准确的基础资料。
(2)运用 BIM 三维建模技术，能准确全面预先了解拟定方案的实体情况，能提前检查该桥隧相接部位是否有互相冲突或考虑不周的情况，该案例中桥尾与隧洞洞门中有一段路基相连，但在桥梁直接与隧道相连处，BIM 三维建模能发挥更大的作用，更 能 直 观 体现出各结构物之间的位置关系和联结情况。
(3)运用 BIM 三维建模技术，融合了实际地形和拟建结构物，能直观精准地表现结构物之间及与地形地貌的相互 关 系，对 方 案 汇 报、设 计 思 路 有 较 大 的 帮助。以往传统方法是采用航拍图片和 CAD 图纸解释方案情况及设计思路，但航拍图片中无法准确表现结构物的位置，而 CAD 图纸所含信息量较小，无法完整地展现地形 地 貌 及 邻 近 其 他 结 构 物 的 情 况。BIM 三维建模技术融合了实际地形与拟建结构物，更具说服力，较好地解决了上述传统方法的不足。
6 结语
BIM 三维建模技术在桥隧相连的复杂地形处能较好地解决测量基础资料失真的情况，提供完善的地形地貌及拟建结构物信息，对设计方案的确定有较大的帮助。在今后的勘察设计中，建议在桥隧相接复杂地形处，多利用 BIM 三维建模技 术 手 段，提 高 勘 察 精度，提高设计精细化水平。——论文作者：黄成岑1，李洋溢2，袁通2
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