CN110260039A - 一种基于bim技术的纵向曲线顶管施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，属于市政工程顶管施工技术领域。本发明包括以下步骤：步骤一、确定顶管基础施工参数；步骤二、创建基于分层结构的顶管开挖三维有限元模型，分析不同埋深与管径下的土体沉降情况；步骤三、基于三维有限元分析的顶管顶进过程仿真模拟中，分析顶管顶进过程中土体受到的综合作用力；步骤四、依据土体综合作用力对顶管顶进参数进行优化，得出最优工况条件下的顶管系统参数；步骤五、基于BIM软件建立顶管施工的三维可视化模型，进行施工模拟；步骤六、现场施工及监测。本发明可以有效提高施工准确性，更好的控制土体沉降和纵向曲线顶管顶进姿态。

Description

一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法

技术领域

本发明属于市政工程顶管施工技术领域，更具体地说，涉及一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法。

背景技术

随着我国城市基础设施的快速发展，开发与利用城市地下空间成为当前城市发展的必然。顶管法施工在城市地下空间开发建设中经常使用，顶管施工技术是一种非开挖技术，主要特点就是将管道敷设明挖改为暗挖，其具体是在工作坑内借助于顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将管道按设计的坡度顶入土中，并将土方运走。一节管子完成顶入土层之后，再下第二节管子继续顶进，其原理是借助于主顶油缸及管道间、中继间等推力，把工具管或掘进机从工作坑内穿过土层一直推进到接收坑内吊起，管道紧随工具管或掘进机后，埋设在两坑之间。

相比其它施工技术，顶管施工具有施工不需开挖、节约用地、对周围环境影响小、施工周期短、经济效益好等优点。面对现代加快开发地下空间的进程中，顶管技术显得尤为重要，得到了长足和快速的发展并广泛地应用于城市地下综合管线的建设和改造。但是作为一种地下开挖方法，顶管施工也不可避免地会对管道周围的土体产生扰动，扰动的结果是使周围的土体出现卸载或加载等复杂的力学行为，土体的应力状态不断发生变化，引起管道周围土体产生变形，使土体产生移动。当土体变形超过一定范围时，会严重危及邻近建筑物基础、邻近建筑物、路面和地下管线的安全，引起一系列环境岩土问题。因此，顶管施工工艺参数的精确控制对于保证施工的正确率，更好的控制顶管顶进姿态具有重要的意义。

但是，随着地层条件越来越复杂，施工条件越来越复杂，顶管施工技术中需要解决更多的实际技术问题以满足实际应用。而采用现有曲线顶管施工技术施工过程中，纵向曲线顶管顶进姿态不易控制、易出现偏差，且土体沉降控制不稳，从而无法有效保证施工的准确性。

如，中国专利申请号为201811645746.2的申请案公开了一种顶管施工方法，该申请案中利用激光测试仪检测顶管机的机头的顶进位置以及角度，根据检测到的结果与预期的效果进行比对，并通过控制器控制顶管机的机头的前进方向以及位置；在顶进工作结束后进行泥浆置换，在钢管的外壁的土体上开设注装孔，在注装孔上安装第三注浆管路，第三注浆管路用于通入水泥砂浆或粉煤灰水泥砂浆以置换钢管外壁处的触变泥浆，以提高钢管处土体的结构强度以防止地面沉降；泥浆置换结束后，拆除第三注浆管路，并将注装孔进行注装封堵，并在注装孔的外侧设置密封板以进行密封。但是，采用该申请案的方法对顶管顶进姿态进行监测和调整时，不能直观地对比出参数调整后的顶管顶进姿态与计划顶进姿态之间的一致性。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服采用现有曲线顶管施工技术进行施工时，易存在较大施工偏差，顶管顶进姿态及土体沉降不易控制的不足，提供了一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法。采用本发明的技术方案能够有效降低纵向曲线顶管施工偏差，提升施工效率和正确率，从而更好地控制土体沉降与纵向曲线顶管顶进姿态。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，包括以下步骤：

步骤一、确定顶管基础施工参数

根据待施工地质情况和环境条件对顶管顶进参数的初始值进行预测；

步骤二、创建基于分层结构的顶管开挖三维有限元模型，分析不同埋深与管径下的土体沉降情况，以重新确定不同埋深与管径下的顶进参数；

步骤三、基于三维有限元分析的顶管顶进过程仿真模拟中，分析顶管顶进过程中土体受到的综合作用力；

步骤四、依据土体综合作用力对顶管顶进参数进行优化，直至土体综合作用力达到预定要求，得出最优工况条件下的顶管系统参数；

步骤五、基于BIM软件建立顶管施工的三维可视化模型，进行施工模拟，以提前预测施工中可能出现的问题；

步骤六、现场施工及监测

根据步骤四中得到的最优工况条件下的顶管系统参数及步骤五的模拟情况确定最佳施工工艺并进行现场施工。

更进一步的，所述步骤二中管径分别取500mm、800mm、1500mm、2000mm和2500mm，埋深分别取1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m、3.0m、3.2m。

更进一步的，所述步骤一中的顶管顶进参数主要包括顶进速度、排土量、纠偏角度和刀头转速；顶管顶进过程中土体受力包括注浆压力、顶进力、切削力和管道摩阻力。

更进一步的，所述步骤四中土体综合作用力为其所受各力的加权数值，其优化范围为0.9-1.1。

更进一步的，所述步骤五中基于BIM的顶管施工三维可视化模型包含工作井，千斤顶，操作室，支护舱，掘进机，刀盘，监视器，纠偏千斤顶，泥浆输送系统，注浆系统和管节等。

更进一步的，所述步骤六中现场施工时构建RFID系统，采用RFID电子标签在施工过程进行顶管无线定位追踪，实时追踪顶管顶进姿态，并反馈到主机绘制实际顶进姿态，若与计划顶进姿态相比有变，则随时采取措施进行纠偏控制。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，利用三维有限元模型分析顶管顶进过程中的土体受力情况，从而可以对顶管顶进参数进行合理优化，然后基于BIM三维可视化进行顶管施工模拟，以提前预测施工中可能出现的问题，以便提前解决问题及优化施工方案或者重新调整顶管施工技术参数。结合有限元模拟优化结果和BIM三维可视化模拟情况可以预先确定得到最佳施工工艺，避免直接进行盲目施工造成的施工偏差，有效提高了施工准确率和施工效率，能够更好地控制土体沉降与纵向曲线顶管顶进姿态，进而可以有效避免安全事故，避免返工，降低了工程成本。

(2)本发明的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，在施工过程中还构建RFID系统，采用RFID电子标签在施工过程进行顶管无线定位追踪，实时追踪顶管顶进姿态，与计划顶进姿态进行比较，从而能够及时采取措施进行纠偏控制，进一步保证了施工准确性。

(3)本发明的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，通过RFID系统与BIM技术的结合，能够更加直观的展示顶管计划顶进姿态与实时顶进姿态；同时检测设备(RFID电子标签)与主机及显示器进行联动，能够进行实时顶进姿态与计划顶进姿态的对比，对于调整实时参数具有直观的对比效果，从而有利于进一步保证实际施工的准确性。

附图说明

图1为本发明的基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法的工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，按以下步骤实现：

步骤一、确定顶管基础施工参数

根据待施工地质情况和环境条件对顶管顶进参数的初始值进行预测(根据以往施工经验)；顶进参数主要包括顶进速度、排土量、纠偏角度、刀头转速等。

步骤二、创建基于分层结构的顶管开挖三维有限元模型，分别计算不同埋深与管径下的土体沉降情况，并根据土体沉降情况重新确定不同埋深与管径下的顶进参数；其中管径分别取500mm、800mm、1500mm、2000mm和2500mm，埋深分别取1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m、3.0m、3.2m。

步骤三、基于三维有限元分析的顶管顶进过程仿真模拟中，分析顶管顶进过程中土体受到的综合作用力，土体所受力包含注浆压力、顶进力、切削力和管道摩阻力等。

步骤四、依据土体综合作用力对顶管顶进参数进行优化，直至土体综合作用力达到预定要求，得出最优工况条件下的顶管系统参数；土体综合作用力为步骤三所述土体受力的加权数值，该数值优化范围为0.9-1.1，即对顶管顶进参数进行优化，直至土体综合作用力达到上述数值范围。

步骤五、基于BIM软件建立顶管施工的三维可视化模型，包含工作井，千斤顶，操作室，支护舱，掘进机，刀盘，监视器，纠偏千斤顶，泥浆输送系统，注浆系统，管节等，按照确定的施工方案进行施工模拟，提前预测施工中可能出现的问题，以便提前解决问题及优化施工方案或者重新调整顶管施工技术参数。因此通过BIM技术在顶管施工中的应用，可以预先确定施工方案，避免返工，减少浪费，节省成本。

步骤六、现场施工及监测

根据步骤四中得到的最优工况条件下的顶管系统参数及步骤五的模拟情况确定最佳施工工艺并进行现场施工。施工过程中构建RFID系统(包含电子标签、手持终端、条码生成软件、条码打印软件、无线追踪器、追踪系统与BIM系统耦合接口；其中电子标签具有非接触可识别及可无线定位源)，采用RFID电子标签在施工过程进行顶管无线定位追踪，实时追踪顶管顶进姿态，反馈到主机绘制实际顶进姿态，并与计划顶进姿态进行比较，若存在偏差则及时采取措施进行纠偏控制。本发明具有三维可视化效果，能够直观地展示顶管计划顶进姿态与实时顶进姿态；同时检测设备(RFID电子标签)与主机及显示器进行联动，能够进行实时顶进姿态与计划顶进姿态的对比，对于调整实时参数具有直观的对比效果，从而有利于进一步保证实际施工的准确性。

针对现有曲线顶管施工工艺存在的易存在较大施工偏差，顶管顶进姿态及土体沉降情况不易控制，从而导致施工准确性和施工效率较低，需要经常返工，且易引起安全事故发生的问题，本发明将三维有限元模拟与BIM技术进行结合，从而可以预先对曲线顶管的具体施工工艺，尤其是对顶管顶进参数进行优化，并根据BIM模拟情况提前预测施工中可能出现的问题，以便指导实际施工时提前采取措施，从而可以有效提高曲线顶管施工的准确性和施工效率，能够更好地控制土体沉降与纵向曲线顶管顶进姿态，避免返工现象和安全事故的发生，符合“四节一环保”的绿色施工理念，有效提升了工程建设附加值。同时，本发明在真实施工过程中还采用RFID系统对顶管顶进姿态进行实时监测，从而有利于进一步保证顶管顶进姿态的准确性。

Claims (6)

1.一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、确定顶管基础施工参数

根据待施工地质情况和环境条件对顶管顶进参数的初始值进行预测；

步骤二、创建基于分层结构的顶管开挖三维有限元模型，分析不同埋深与管径下的土体沉降情况，以重新确定不同埋深与管径下的顶进参数；

步骤三、基于三维有限元分析的顶管顶进过程仿真模拟中，分析顶管顶进过程中土体受到的综合作用力；

步骤四、依据土体综合作用力对顶管顶进参数进行优化，直至土体综合作用力达到预定要求，得出最优工况条件下的顶管系统参数；

步骤五、基于BIM软件建立顶管施工的三维可视化模型，进行施工模拟，以提前预测施工中可能出现的问题；

步骤六、现场施工

根据步骤四中得到的最优工况条件下的顶管系统参数及步骤五的模拟情况确定最佳施工工艺并进行现场施工。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，其特征在于：所述步骤二中管径分别取500mm、800mm、1500mm、2000mm和2500mm，埋深分别取1.0m、1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m、3.0m、3.2m。

3.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，其特征在于：所述步骤一中的顶管顶进参数主要包括顶进速度、排土量、纠偏角度和刀头转速；顶管顶进过程中土体受力主要包括注浆压力、顶进力、切削力和管道摩阻力。

4.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，其特征在于：所述步骤四中土体综合作用力为其所受各力的加权数值，其优化范围为0.9-1.1。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，其特征在于：所述步骤五中基于BIM的顶管施工三维可视化模型包含工作井，千斤顶，操作室，支护舱，掘进机，刀盘，监视器，纠偏千斤顶，泥浆输送系统，注浆系统和管节等。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于BIM技术的纵向曲线顶管施工方法，其特征在于：所述步骤六中现场施工时构建RFID系统，采用RFID电子标签在施工过程进行顶管无线定位追踪，实时追踪顶管顶进姿态，并反馈到主机绘制实际顶进姿态，若与计划顶进姿态相比有变，则随时采取措施进行纠偏控制。