CN112253134A - 一种基于bim的隧道地层损失量监测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置，包括盾构机姿态和沉降监控设备、隧道沉降监控设备、无线传输设备和BIM平台；盾构机姿态和沉降监控设备，安装于盾构机的尾部，用于监测盾构机的倾角和沉降并将盾构机机头的倾角θ和因机头重量引起的沉降量L0经无线传输设备输出至BIM平台；隧道沉降监控设备，安装在已掘进的沿线隧道衬垫内侧，用于监测已掘进隧道的沉降并将已掘进隧道的沉降量L1经无线传输设备输出至BIM平台；BIM平台，用于对接收的信息进行处理得到地层损失量。本发明还公开了一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置的方法，本发明直接准确实时测量盾构过程中的地层损失，避免依据地表沉降分析引起的滞后性。

Description

一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置及方法
技术领域
本发明涉及隧道工程技术领域，特别是一种基于BIM(Building InformationModeling，建筑信息模型)的隧道地层损失量监测装置及方法。
背景技术
隧道周边沉降直接危害地表建筑物的正常使用和安全，其直接原因是盾构过程中产生的地层损失。地层损失，是指因盾构掘进过程中产生的土与隧道之间的间隙，导致隧道周边土体应力不平衡产生变形，一段时间后会传递至地表，引起地表发生沉降。如果能在盾构过程中能监测地层损失，一旦地层损失量偏大，可及时进行灌浆，这有利于管控盾构过程中地表的变形，避免地表建筑物因沉降导致无法使用。然而，隧道在施工过程中尚没有监测地层损失的仪器设备，无法直接测量土层损失量，而是直接测量地表沉降。对于地表沉降测量虽然能直接反映沉降量，但其具有滞后性。一旦监测到较大沉降，破坏已发生，此阶段可使用的管控措施有限。
现有技术中，对于地层损失量一般采用理论分析获取，即根据开挖尺寸和管片外尺寸，不考虑盾构机在土中下层而进行计算。计算值与实际值差异较大，无法用于指导施工。而且不同地段的土质条件差异较大，其地层损失量不尽相同，理论分析计算无法用于实际工程；地层损失量测量存在一定的难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置及方法，本发明考虑机头沉降的影响，直接准确实时测量盾构过程中的地层损失，避免依据地表沉降分析引起的滞后性。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置，包括盾构机姿态和沉降监控设备、隧道沉降监控设备、无线传输设备和BIM平台；其中，
盾构机姿态和沉降监控设备，安装于盾构机的尾部，用于监测盾构机的倾角和沉降并将盾构机机头的倾角θ和因机头重量引起的沉降量L0经无线传输设备输出至BIM平台；
隧道沉降监控设备，安装在已掘进的沿线隧道衬垫内侧，用于监测已掘进隧道的沉降并将已掘进隧道的沉降量L1经无线传输设备输出至BIM平台；
BIM平台，用于对接收的盾构机机头的倾角θ、因机头重量引起的沉降量L0、已掘进隧道的沉降量L1进行处理得到地层损失量。
作为本发明所述的一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置进一步优化方案，所述隧道沉降监控设备有多个，每隔5-50m在隧道顶部布设1个。
基于上述的基于BIM的隧道地层损失量监测装置的方法，包括以下步骤：
步骤1、基于BIM技术和盾构机头行进坐标，建立盾构机行进过程的三维模型；
步骤2、基于步骤1中的三维模型和隧道沉降监控设备监测结果，采用样条曲线对已掘进隧道的沉降量沿行进里程进行插值，建立具备时空效应的三维隧道变形模型；
步骤3、基于BIM的三维模型技术，获取由于非线性引起的盾构机切向旋转占用体积和隧道的等效开挖半径；
步骤4、基于步骤1的盾构机行进过程的三维模型、步骤2的三维隧道变形模型和隧道沉降监控设备监测结果、步骤3中隧道的等效开挖半径，计算地层损失量Vj和已掘进隧道地层损失量V′j；
Figure BDA0002727983250000021
其中，Vj为因隧道开挖造成的地层损失量；R为隧道的等效开挖半径，如果隧道直线开挖即等于开挖半径，如果隧道存在旋转半径开挖则根据BIM模型中占用体积计算等效的半径；r为隧道管片的外围尺寸半径，L为盾构机的沉降量即L为因盾构机机头重量引起的沉降量L0，D为盾构机头的长度，θ为盾构机机头的倾角；
Figure BDA0002727983250000022
式中，L′为已掘进隧道的沉降量，即为因盾构机机头重量引起的沉降量L0与已掘进隧道的沉降量L1之和。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明考虑机头沉降的影响，直接准确实时测量盾构过程中的地层损失，避免依据地表沉降分析引起的滞后性，为施工管理提供更为直接的引起地表变形的物理指标，是开展进一步管控措施的依据，为隧道建设周边安全提供了直接保障；
(2)本发明方法简单，可靠性高，便于推广，具有很大的应用价值。
附图说明
图1是基于BIM的隧道地层损失量监测装置布设图。
图2是考虑沉降条件的隧道地层损失量计算模型。
图中的附图标记解释为：
11-盾构机姿态和沉降监控设备，12-隧道沉降监控设备，13-无线信号发送设备，21-盾构隧道设计轮廓线，22-盾构隧道实际轮廓线，23-盾构机机头，24-盾构工作井，25-无线信号接收设备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置，包括盾构机姿态和沉降监控设备11，隧道沉降监控设备12，多个无线信号发送设备13、无线信号接收设备25、盾构工作井和BIM平台。BIM平台是安装BIM软件的计算机。图中21为盾构隧道设计轮廓线，22为盾构隧道实际轮廓线。盾构工作井上设有一个无线信号发送设备，BIM平台上设有无线信号接收设备。
在本发明的一个实例中，盾构机姿态和沉降监控设备11为三维倾角传感器和固定水准仪，安装于盾构机机头23的尾部，用于监测盾构机的倾角和沉降。
在本发明的一个实例中，隧道沉降监控设备12为固定水准仪，安装在已掘进的沿线隧道衬垫内测，用于监测已掘进隧道的沉降。
在本发明的一个实例中，盾构机姿态和沉降监控设备11和隧道沉降监控设备12通过所述的无线信号发送设备13，无线发送设备为ZIGBEE无线传输设备，先将数据发送至盾构工作井24中转，工作井信号无遮挡，可用于远程传输，最后再发送至所述的安装BIM软件的计算机中，BIM软件采用Autodesk Revit。
土层损失量并不是一个恒定值，是随空间和时间分布的复杂变化参数，所述的地层损失量监测装置可通过BIM对地层损失量的时间和空间进行计算和管理。
地层损失量监测装置考虑了盾构机的沉降、盾构机倾角和转向造成的开挖土量。
盾构机姿态和沉降监控设备，隧道沉降监控设备需参考隧道实际开挖时的高程。
在本发明的一个实例中，隧道沉降监控设备12每隔5-50m在隧道顶部布设1个，作为一种优选，隧道沉降监控设备12每隔20m在隧道顶部布设1个。
图2是考虑沉降条件的隧道地层损失量计算模型，基于BIM的隧道地层损失量监测装置的使用方法包括以下几步骤：
步骤1、基于BIM技术和盾构机头行进坐标，建立盾构机行进过程的三维模型；
步骤2、基于步骤1中BIM行进过程的三维模型和隧道沉降监控设备监测结果，采用样条曲线对已掘进隧道的沉降量沿行进里程进行插值，建立具备时空效应的三维隧道变形模型；
步骤3、基于BIM的三维模型技术，获取由于非线性引起的盾构机切向旋转占用体积和隧道的等效开挖半径；
步骤4、基于步骤1的盾构机行进过程的三维模型、步骤2的三维隧道变形模型和隧道沉降监控设备监测结果、步骤3中隧道的等效开挖半径，计算地层损失量Vj和已掘进隧道地层损失量V′j；
Figure BDA0002727983250000041
其中，Vj为因隧道开挖造成的地层损失量；R为隧道的等效开挖半径，如果隧道直线开挖即等于开挖半径，如果隧道存在旋转半径开挖则根据BIM模型中占用体积计算等效的半径；r为隧道管片的外围尺寸半径，L为盾构机的沉降量即L为因盾构机机头重量引起的沉降量L0，D为盾构机头的长度，θ为盾构机机头的倾角。
Figure BDA0002727983250000051
式中，L′为已掘进隧道的沉降量，即为因盾构机机头重量引起的沉降量L0与已掘进隧道的沉降量L1之和。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置，其特征在于，包括盾构机姿态和沉降监控设备、隧道沉降监控设备、无线传输设备和BIM平台；其中，
盾构机姿态和沉降监控设备，安装于盾构机的尾部，用于监测盾构机的倾角和沉降并将盾构机机头的倾角θ和因机头重量引起的沉降量L0经无线传输设备输出至BIM平台；
隧道沉降监控设备，安装在已掘进的沿线隧道衬垫内侧，用于监测已掘进隧道的沉降并将已掘进隧道的沉降量L1经无线传输设备输出至BIM平台；
BIM平台，用于对接收的盾构机机头的倾角θ、因机头重量引起的沉降量L0、已掘进隧道的沉降量L1进行处理得到地层损失量。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM的隧道地层损失量监测装置，其特征在于，所述隧道沉降监控设备有多个，每隔5-50m在隧道顶部布设1个。
3.基于权利要求1的所述的基于BIM的隧道地层损失量监测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于BIM技术和盾构机头行进坐标，建立盾构机行进过程的三维模型；
步骤2、基于步骤1中的三维模型和隧道沉降监控设备监测结果，采用样条曲线对已掘进隧道的沉降量沿行进里程进行插值，建立具备时空效应的三维隧道变形模型；
步骤3、基于BIM的三维模型技术，获取由于非线性引起的盾构机切向旋转占用体积和隧道的等效开挖半径；
步骤4、基于步骤1的盾构机行进过程的三维模型、步骤2的三维隧道变形模型和隧道沉降监控设备监测结果、步骤3中隧道的等效开挖半径，计算地层损失量Vj和已掘进隧道地层损失量V′j；
Figure FDA0002727983240000011
其中，Vj为因隧道开挖造成的地层损失量；R为隧道的等效开挖半径，如果隧道直线开挖即等于开挖半径，如果隧道存在旋转半径开挖则根据BIM模型中占用体积计算等效的半径；r为隧道管片的外围尺寸半径，L为盾构机的沉降量即L为因盾构机机头重量引起的沉降量L0，D为盾构机头的长度，θ为盾构机机头的倾角；
Figure FDA0002727983240000021
式中，L′为已掘进隧道的沉降量，即为因盾构机机头重量引起的沉降量L0与已掘进隧道的沉降量L1之和。
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