1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体而言，涉及一种地铁盾构隧道的信息化施工方法。
背景技术：2.我国地铁建设已进入飞速增长的时期，各大城市纷纷建设了地铁，且建设规模不断扩大。由于盾构施工机械化作业效率高，且具备工期、成本和环保的优势，已成为地铁建设首选的施工方法。
3.由于盾构机掘进过程对土体的扰动，容易使地层变形及地表沉降，危害人们的正常生活，有较大的安全风险，故而需要制定科学的施工方案。然而现在的施工方案往往缺少关联协同，进度管理与安全管理容易产生冲突。
4.为此，有必要研发一种盾构隧道信息化施工方法，以精细化地统筹盾构施工进度管理和安全管理问题。
技术实现要素：5.基于此，为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种地铁盾构隧道的信息化施工方法，其具体技术方案如下：
6.一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其包括以下步骤：
7.步骤s1、建立bim模型；
8.步骤s2、进行bim4d施工仿真模拟；
9.步骤s3、计算盾构参数；
10.步骤s4、截取子模型；
11.步骤s5、根据子模型进行有限元安全仿真；
12.步骤s6、确定进度计划，并根据进度计划选取盾构参数；
13.步骤s7、施工及监测，根据盾构参数施工，在施工期间定期采集监测数据并判断工程预警级别；
14.步骤s8、监测反馈，获取监测结果，如果监测结果为安全，则继续施工，如果监测结果为存在安全风险，则根据不同的工程预警级别和影响范围实施不同的施工预案并重新执行步骤s2至步骤s8；
15.其中，不同的工程预警级别对应不同的施工预案，影响范围指的是异常监测数据所在的位置范围。
16.相较于现有技术，本发明提供的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法，其进度计划是基于地质条件而不是里程，通过进度计划关联盾构参数和安全仿真参数，可以精细化地统筹盾构施工进度管理和安全管理问题，提高了盾构隧道的管理效率。
17.进一步地，在步骤s1中，所述建立bim模型的具体方法为：建立场地三维地质bim模型与盾构隧道bim模型，并分别添加模型信息。
18.进一步地，所述场地三维地质bim模型包括盾构隧道沿线各地层的地质信息，所述盾构隧道bim模型为由管片、等代层、内部结构以及管线组成的隧道结构三维实体模型。
19.进一步地，在步骤s2中，所述进行bim4d施工仿真模拟的具体方法包括如下步骤：
20.步骤s21，将bim模型导出为.nwc文件，再将导出的.nwc文件导入至navisworks软件，并赋予bim模型材质；
21.步骤s22、按施工仿真工序分别确定每个工序的bim模型，并按各工序持续时间用project软件制定进度计划，链接进度计划至navisworks软件；
22.步骤s23、制定每个工序模型图元的运动路径、开始时间和结束时间；
23.步骤s24、设置动画视点并输出施工模拟动画；
24.步骤s25、根据施工模拟动画判断进度计划的合理性，若合理性不满足预设要求，则调整每个工序模型图元的运动路径、开始时间和结束时间并重新执行步骤s24至步骤s25。
25.进一步地，所述施工仿真工序包括土体掘进、材料运进、管片拼装与壁后注浆、内部结构与管线施工、材料运出以及维修保养与检修六个子工序，每个所述子工序设置对应的子工序bim模型并根据子工序bim模型实现动画效果。
26.进一步地，在步骤s3中，所述计算盾构参数的具体方法包括如下步骤：
27.步骤s30、根据施工进度计算盾构机掘进速度；
28.步骤s31，根据盾构机掘进速度计算盾构参数。
29.进一步地，在步骤s3中，所述盾构参数包括盾构机掘进推力，所述盾构机掘进速度v＝l/(1440/n-t
p-tc)，所述盾构机掘进推力f根据公式v＝0.0857*exp(f/2.6678)+0.9909计算而得；
30.其中，n代表施工进度中每日施工环数，t
p
代表每环管片拼装耗时，tc代表预留耗时，l代表每环管片的前进方向长度。
31.进一步地，在步骤s4中，所述截取子模型的具体方法包括：将bim模型按照掘进速度划分不同施工阶段，并按不同的施工阶段分段截取子模型。
32.进一步地，在步骤s5中，所述根据子模型进行有限元安全仿真的具体方法包括如下步骤：利用midas/gts有限元分析软件，对子模型划分网格并输入边界条件，计算在不同的盾构参数条件下地面的沉降变形，以预测地面沉降的时空分布并获取盾构参数合理的取值范围。
33.进一步地，在步骤s5中，所述根据子模型进行有限元安全仿真的具体方法包括如下步骤：首先在各子模型上将bim模型信息参数导入到有限元分析软件中，然后选择计算模型、设定边界条件、设定荷载、划分网格并进行安全仿真计算，得出盾构参数与地面沉降的关系。
附图说明
34.从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
35.图1是本发明一实施例中一种地铁盾构隧道的信息化施工方法的整体流程示意图；
36.图2是本发明另一实施例中一种地铁盾构隧道的信息化施工方法的流程示意图；
37.图3是本发明另一实施例中一种地铁盾构隧道的信息化施工方法不同推进力情况下隧道施工完成后地表沉降图。
具体实施方式
38.为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
39.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.本发明中所述“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
42.如图1所示，本发明一实施例中的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其包括以下步骤：
43.步骤s1、建立bim模型。建立场地三维地质bim模型与盾构隧道bim模型，分别添加模型信息。
44.所述模型信息，包括工程地质信息、设计信息及施工信息。所述模型信息通过分别选中各bim模型，设置并输入族参数以实现向有限元模型传递信息的目的。
45.步骤s2、进行bim4d施工仿真模拟。在bim模型上关联施工进度计划并进行bim4d施工仿真模拟，实现建造过程的动态模拟。
46.步骤s3、计算盾构参数。
47.步骤s4、截取子模型。
48.步骤s5、根据子模型进行有限元安全仿真。
49.步骤s6、确定进度计划，并根据进度计划选取盾构参数。具体而言，在进度计划弹性范围内，选取满足安全仿真的盾构参数，并提出监测指标。
50.具体而言，所述监测指标，是反映盾构施工安全的指标，包括地面沉降值、房屋沉降值、管道变形值以及管片衬砌净空收敛，在施工前应埋设监测点并施工期间定期采集监测数据。
51.步骤s7、施工及监测，根据盾构参数施工，在施工期间定期采集监测数据并判断工程预警级别。
52.步骤s8、监测反馈，获取监测结果，如果监测结果为安全，则继续施工，如果监测结果为存在安全风险，则根据不同的工程预警级别和影响范围实施不同的施工预案并重新执行步骤s2至步骤s8。
53.其中，不同的工程预警级别对应不同的施工预案，所述影响范围指的是异常监测
数据所在的位置范围，即监测结果为存在安全风险时，监测数据所在的位置范围。
54.相较于现有技术，本发明提供的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法，其进度计划是基于地质条件而不是里程，通过进度计划关联盾构参数和安全仿真参数，可以精细化地统筹盾构施工进度管理和安全管理问题，提高了盾构隧道的管理效率。
55.另外，本发明还给出了盾构参数和沉降监测指标确定的方法，对施工管理的精细化提供了可行的解决方案，在降低工程造价的同时保证了施工安全，可以取得较好的经济效益和社会效益。
56.在其中一个实施例中，所述场地三维地质bim模型包括盾构隧道沿线各地层的地质信息，所述盾构隧道bim模型为由管片、等代层、内部结构以及管线组成的隧道结构三维实体模型。
57.具体而言，所述三维地质bim模型基于revit软件创建，所述各地层用不同颜色的半透明的实体模型表示。在本实施例中，首先收集工程勘察资料，整理各勘察点地层分层位置形成点数据，汇总到excel表格中；然后利用dynamo软件，读入同一地层分界的点数据，生成三角网面；借着将上下层三角网面合成一个网面实体，再转化为revit地层模型；最后在模型上以族参数的形式添加地层的信息，所述信息包括但不限于地质类参数、设计类参数、施工类参数。
58.所述地质类参数土层名称、压缩模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比、密度等，所述设计类参数包括材料密度、弹性模量、泊松比等。
59.所述盾构隧道bim模型基于revit软件创建，其是根据设计图纸的外形尺寸创建的三维实体。对于所述盾构隧道bim模型，其在模型上以族参数的形式添加设计类参数。所述三维地质bim模型与盾构隧道bim模型链接到同一个revit文件，表达盾构隧道与沿线各地层的空间关系。
60.在其中一个实施例中，在步骤s2中，所述进行bim4d施工仿真模拟指的是利用navisworks软件将bim模型与project进度管理软件生成的进度信息关联，使每个模型图元具有相关的时间信息。
61.具体而言，如图2所示，所述进行bim4d施工仿真模拟的具体方法包括如下步骤：
62.步骤s21，将bim模型导出为.nwc文件，再将导出的.nwc文件导入至navisworks软件，并赋予bim模型材质。
63.步骤s22、按施工仿真工序分别确定每个工序的bim模型，并按各工序持续时间用project软件制定进度计划，链接进度计划至navisworks软件。所述工序持续时间根据结合场地三维地质条件和工程项目进度计划综合确定。所述工序持续时间的合理值可以通过施工经验值验算。
64.步骤s23、制定每个工序模型图元的运动路径、开始时间和结束时间。
65.步骤s24、设置动画视点并输出施工模拟动画。
66.步骤s25、根据施工模拟动画判断进度计划的合理性，若合理性不满足预设要求，则调整每个工序模型图元的运动路径、开始时间和结束时间并重新执行步骤s24至步骤s25。
67.在其中一个实施例中，每盾构环施工仿真工序包括土体掘进、材料运进、管片拼装与壁后注浆、内部结构与管线施工、材料运出以及维修保养与检修六个子工序，每个所述子
工序设置对应的子工序bim模型并根据子工序bim模型实现动画效果。
68.具体而言，利用子工序bim模型的生成、平移、旋转等命令实现动画效果。
69.在其中一个实施例中，每盾构环的施工仿真工序包括土体掘进、材料运进、管片拼装与壁后注浆、内部结构与管线施工、材料运出以及维修保养与检修六个子工序，包括土体掘进、材料运进、管片拼装与壁后注浆、内部结构与管线施工以及材料运出五个子工序分别设置由对应的子工序bim模型并根据子工序bim模型实现动画效果，维修保养与检修子工序没有对应的bim模型，其动画方式是通过字体模型的生成及消失表示。
70.每盾构环的进度计划体现了地质条件、施工组织、维修保养等内容，符合精细化管理的要求；在调整总进度计划时，可以具体分配到每个施工段的每个工序进度计划的调整，确保其合理性。
71.在其中一个实施例中，在步骤s3中，所述计算盾构参数的具体方法包括如下步骤：
72.步骤s30、在合理安排施工进度的基础上，根据施工进度计算盾构机掘进速度；
73.步骤s31，根据盾构机掘进速度计算盾构参数。
74.在其中一个实施例中，在步骤s3中，所述盾构参数包括盾构机掘进推力，所述盾构机掘进速度v＝l/(1440/n-t
p-tc)，所述盾构机掘进推力f根据公式v＝0.0857*exp(f/2.6678)+0.9909计算而得；
75.其中，n代表施工进度中每日施工环数，单位为环；t
p
代表每环管片拼装耗时，单位为min,为固定的常数，根据拼装工人操作水平而定。tc代表预留耗时，单位为min，表示除了管片拼装和开挖之外其他工序可能额外增加的耗时，可根据该项目的管理水平而定；l代表每环管片的前进方向长度，单位为cm；1440表示1天24小时转换为分钟的分钟，exp()表示e的次幂函数。
76.由盾构机掘进速度与盾构机掘进推力可衍生出一系列盾构参数，此处不再论述。盾构参数是控制盾构机操作时输入的工作参数。
77.每盾构环的掘进速度、掘进推力等盾构参数均与进度计划关联，体现了进度计划对施工组织的影响。
78.在其中一个实施例中，在步骤s4中，所述截取子模型的具体方法包括：将bim模型按照掘进速度划分不同施工阶段，并按不同的施工阶段分段截取子模型。
79.具体而言，由于地层数量过多不利于突出重点，需要把盾构范围的土体，简化为软土、粘性土、砂砾土、风化土、软岩、硬岩等地层类型，再以地层分界线划分施工阶段并截取bim子模型，把每个子模型分别作为有限元安全仿真对象。
80.在其中一个实施例中，在步骤s5中，所述根据子模型进行有限元安全仿真的具体方法包括如下步骤：利用midas/gts有限元分析软件，对子模型划分网格并输入边界条件，计算在不同的盾构参数条件下地面的沉降变形，以预测地面沉降的时空分布并获取盾构参数合理的取值范围。
81.在其中一个实施例中，在步骤s5中，所述根据子模型进行有限元安全仿真的具体方法包括如下步骤：首先在各子模型上将bim模型信息参数导入到有限元分析软件中，然后选择计算模型、设定边界条件、设定荷载、划分网格并进行安全仿真计算，得出盾构参数与地面沉降的关系。
82.具体而言，在各子模型上将bim模型信息参数导入到有限元分析软件中是把有限
元分析对象沿bim模型边界截取剖面，读取剖面处的模型信息，并作为边界条件输入至midas/gts有限元分析软件中。所述地质模型信息包括土层名称、压缩模量、粘聚力、内摩擦角、泊松比、密度等，所述结构材料参数包括材料密度、弹性模量、泊松比等。
83.在其中一个实施例中，所述bim模型的整体尺寸长66m，宽16m，高54m，共15086个单元。计算时，不考虑地层固结变形和地下水渗透，以简化开挖过程。土体采用实体单元进行模拟，材料模型类型选择莫尔-库伦(mohr-coulomb)，为各向同性、连续的弹塑性材料。管片采用实体单元进行模拟，材料模型类型选择弹性模型；盾壳及注浆采用2d板单元进行模拟，材料模型类型选择弹性模型。通过改变属性及激活与钝化相关单元，来实现隧道的开挖以及管片衬砌的施作；通过激活与移除功能，来实现盾构机的推进及土体的开挖。
84.推进力的设置方法为：取开挖面上每个单元节点为对象，将一个压力均匀地施加在每个节点上，这个压力视为开挖面上所受到的推进压力。每个开挖面上均设置有相同的推进压力，按工况激活。具体压力设置为0、4000kn、6000kn、8000kn、10000kn、12000kn。然后获取在不同的推进压力作用下，第一环到第十环的地表沉降折线图。由此得到不同推进力条件下盾构机的理论掘进速度，同时，根据盾构参数也可预测地面各点的沉降理论值。
85.图3所示为本发明所述一种地铁盾构隧道的信息化施工方法在不同推进力情况下隧道施工完成后地表沉降图如图3所示。
86.在推进力在8000kn
ˉ
12000kn范围内时，地面各点的沉降均满足安全要求，此范围内对应的盾构机掘进速度都是合理的。由此得到满足安全要求的进度计划弹性范围，在此范围内取与bim4d施工仿真模拟最接近的进度计划作为最终的进度计划。若有限元安全仿真的沉降值均超限，说明进度计划不合理，需重新调整进度计划，并再次有限元仿真，直到满足要求为止。
87.在其中一个实施例中，所述工程预警级别，是指把有限元安全仿真分析的理论变形值作为第一预警值，把施工规范允许变形值的70％作为第二预警值，把施工规范允许变形值的85％作为第三预警值，把施工规范允许变形值作为第四预警值，监测数据处在不同的区间时，对应不同的工程预警级别。
88.其中，监测数据小于或等于第一预警值时，为安全状态，监测数据大于第一预警值的其他状态均为预警状态，按顺序依次为第一工程预警级别、第二工程预警级别、第三工程预警级别、第四工程预警级别。施工企业按照不同的工程预警级别，提前制定好施工预案。施工过程根据监测预警的级别和影响范围，采取相应的措施，监测数据未达到预警值时，按原方案施工。
89.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
90.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
技术特征：1.一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，所述信息化施工方法包括以下步骤：步骤s1、建立bim模型；步骤s2、进行bim4d施工仿真模拟；步骤s3、计算盾构参数；步骤s4、截取子模型；步骤s5、根据子模型进行有限元安全仿真；步骤s6、确定进度计划，并根据进度计划选取盾构参数；步骤s7、施工及监测，根据盾构参数施工，在施工期间定期采集监测数据并判断工程预警级别；步骤s8、监测反馈，获取监测结果，如果监测结果为安全，则继续施工，如果监测结果为存在安全风险，则根据不同的工程预警级别和影响范围实施不同的施工预案并重新执行步骤s2至步骤s8；其中，不同的工程预警级别对应不同的施工预案，影响范围指的是异常监测数据所在的位置范围。2.如权利要求1所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，在步骤s1中，所述建立bim模型的具体方法为：建立场地三维地质bim模型与盾构隧道bim模型，并分别添加模型信息。3.如权利要求2所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，所述场地三维地质bim模型包括盾构隧道沿线各地层的地质信息，所述盾构隧道bim模型为由管片、等代层、内部结构以及管线组成的隧道结构三维实体模型。4.如权利要求1所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，在步骤s2中，所述进行bim4d施工仿真模拟的具体方法包括如下步骤：步骤s21，将bim模型导出为.nwc文件，再将导出的.nwc文件导入至navisworks软件，并赋予bim模型材质；步骤s22、按施工仿真工序分别确定每个工序的bim模型，并按各工序持续时间用project软件制定进度计划，链接进度计划至navisworks软件；步骤s23、制定每个工序模型图元的运动路径、开始时间和结束时间；步骤s24、设置动画视点并输出施工模拟动画；步骤s25、根据施工模拟动画判断进度计划的合理性，若合理性不满足预设要求，则调整每个工序模型图元的运动路径、开始时间和结束时间并重新执行步骤s24至步骤s25。5.如权利要求4所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，所述施工仿真工序包括土体掘进、材料运进、管片拼装与壁后注浆、内部结构与管线施工、材料运出以及维修保养与检修六个子工序，每个所述子工序设置对应的子工序bim模型并根据子工序bim模型实现动画效果。6.如权利要求1所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，在步骤s3中，所述计算盾构参数的具体方法包括如下步骤：步骤s30、根据施工进度计算盾构机掘进速度；步骤s31，根据盾构机掘进速度计算盾构参数。
7.如权利要求6所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，在步骤s3中，所述盾构参数包括盾构机掘进推力，所述盾构机掘进速度v＝l/(1440/n-t
p-t
c
)，所述盾构机掘进推力f根据公式v＝0.0857*exp(f/2.6678)+0.9909计算而得；其中，n代表施工进度中每日施工环数，t
p
代表每环管片拼装耗时，t
c
代表预留耗时，l代表每环管片的前进方向长度。8.如权利要求1所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，在步骤s4中，所述截取子模型的具体方法包括：将bim模型按照掘进速度划分不同施工阶段，并按不同的施工阶段分段截取子模型。9.如权利要求8所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，在步骤s5中，所述根据子模型进行有限元安全仿真的具体方法包括如下步骤：利用midas/gts有限元分析软件，对子模型划分网格并输入边界条件，计算在不同的盾构参数条件下地面的沉降变形，以预测地面沉降的时空分布并获取盾构参数合理的取值范围。10.如权利要求1所述的一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其特征在于，在步骤s5中，所述根据子模型进行有限元安全仿真的具体方法包括如下步骤：首先在各子模型上将bim模型信息参数导入到有限元分析软件中，然后选择计算模型、设定边界条件、设定荷载、划分网格并进行安全仿真计算，得出盾构参数与地面沉降的关系。
技术总结本发明提供了一种地铁盾构隧道的信息化施工方法,其包括以下步骤：步骤S1、建立BIM模型；步骤S2、进行BIM4D施工仿真模拟；步骤S3、计算盾构参数；步骤S4、截取子模型；步骤S5、根据子模型进行有限元安全仿真；步骤S6、确定进度计划，并根据进度计划选取盾构参数；步骤S7、施工及监测，根据盾构参数施工，在施工期间定期采集监测数据并判断工程预警级别；步骤S8、监测反馈，获取监测结果，如果监测结果为安全，则继续施工，如果监测结果为存在安全风险，则根据不同的工程预警级别和影响范围实施不同的施工预案并重新执行步骤S2至步骤S8。本发明可以精细化地统筹盾构施工进度管理和安全管理问题，提高了盾构隧道的管理效率。提高了盾构隧道的管理效率。提高了盾构隧道的管理效率。
技术研发人员：陈铃培 冯为民 周雨薇
受保护的技术使用者：广州理工学院
技术研发日：2022.05.13
技术公布日：2022/11/1
