明挖隧道设计中的BIM应用

京雄城际铁路是北京与雄安新区间的新建城际铁路，起自京九铁路李营站，经北京大兴区、北京新机场、固安县、霸州市，终至雄安新区（保定市雄县），正线全长92.4km。

如今的隧道施工，经常能看到盾构机这样的庞然大物。不过，我国第1条地下铁路，即北京地铁1期工程（今天1号线和2号线的一部分），是采用明挖法建造的，夸张的说法是把长安街给翻了。明挖法相较于暗挖法，无疑有施工简单的好处，但是也扰民，因而城区较少使用。京雄铁路是城际铁路，因而可以在部分路段采用明挖施工。

中国铁路总公司BIM试点项目中，隧道项目主要为山岭隧道，隧道BIM设计应用也主要依托山岭隧道展开，针对这种情况，依托京雄铁路机场隧道项目，开展了BIM技术在明挖隧道设计中的研究应用。

明挖隧道设计流程

与暗挖山岭隧道相比，基于BIM的明挖隧道设计由于涉及隧道开挖及围护，设计内容及设计思路均有较大变化。对于明挖隧道，主体工程主要包括隧道结构、隧道开挖以及隧道围护。在BIM环境下，为了在提高建模效率的情况下又能快速进行方案的比选，明挖隧道各部分模型的建立，既要考虑设计过程的逻辑性，又要考虑模型的联动性。

在明挖隧道施工过程中，首先进行开挖与围护结构的施工，之后才开展隧道结构的施工。但在BIM设计中，由于开挖面的断面尺寸与隧道结构有关，为了保证模型间的联动性，首先进行隧道结构的设计，然后进行开挖面设计；同理，由于围护结构与开挖面有关，需在进行完开挖面设计后再开展围护结构设计。综上所述，制订明挖隧道BIM设计流程，主要包括：三维线位、地形、地质等基础数据分析；隧道纵向段落划分，生成隧道结构骨架；建立隧道结构模板，生成隧道结构模型；依托隧道结构模型生成隧道开挖面骨架；应用隧道开挖功能模块生成隧道开挖面模型；依托隧道开挖面模型生成隧道围护结构骨架；建立围护结构模板，生成围护结构模型；根据隧道开挖信息反馈，优化隧道结构设计。

明挖隧道BIM设计流程

明挖隧道结构设计

基于BIM的明挖隧道结构设计与暗挖隧道结构设计流程基本一致，其设计流程主要包括：提取地质信息，生成隧道纵断信息；依托纵断信息生成隧道结构骨架；建立隧道结构模板；实例化模板生成隧道结构模型；模犁后期处理。在建模过程中，对隧道骨架及隧道模型进行参数化处理，极大提高了模型的建立、修改以及方案优化效率。

明挖隧道结构模型

明挖基坑开挖面设计

基于BIM的明挖基坑开挖面设计为明挖隧道所特有，其设计流程主要包括：根据隧道埋深及地质情况确定不同段落隧道开挖参数；基于隧道结构模型生成开挖面骨架；应用隧道开挖功能模块分别生成不同段落隧道开挖面模型。

隧道开挖功能模块为二次开发成果，此模块综合考虑了放坡开挖、同护桩开挖以及“放坡+同护桩”开挖等多种常见开挖方法，实现了同一模块不同开挖情况的参数化设计，开挖面与地形面自适应，可快速进行方案比选，真正实现了隧道开挖正向设计。此外，由于开挖面基于隧道结构生成，当隧道结构参数调整时，开挖面联动调整，极大提高了模型的建立、修改以及优化效率。

明挖基坑开挖面模型

明挖基坑围护结构设计

基于BlM的明挖基坑同护结构设计同样为明挖隧道所特有，其主要设计流程包括：根据开挖及地质情况确定不同段落隧道支护参数；基于隧道开挖面模型生成隧道同护结构骨架；建立围护结构模板，生成围护结构模型；对于有内支撑的情况需基于围护结构模型生成内支撑骨架；建立内支撑模板，生成内支撑模型。

围护结构模型体量较大，为了便于方案比选，需实现围护结构骨架及模型的参数化。此外，由于围护结构模型基于开挖面模型生成，而开挖面模型又基于隧道结构模型生成，所以当隧道结构或开挖面模型调整时，围护结构模型联动，极大提高了模型建立、修改以及优化效率。

挖基坑围护结构模型

明挖隧道设计流程

路隧接口设计是专业间系统设计的重要组成部分，在本项目中，通过参数化的方法实现了路隧接口位置的比选。在设计过程中，隧道、路基设计在同一环境下开展，隧道专业首先发布隧道缺口，路基专业基于此缺口开展本专业设计，当隧道缺口里程调整时，路隧接口位置联动。

雄铁路路隧接口模型

此外，本项目还将工程数量植入了隧道、路基模型，当隧道缺口位置调整时，不仅隧道、路基模型联动，工程数量也同步更新，实现了基于安全、经济、美观等多方面的路隧接口位置的合理性判断，对更科学地确定路隧接口位置意义重大。

基于京雄铁路机场隧道项目，应用BIM技术对明挖隧道结构、明挖基坑开挖面、明挖基坑围护以及路隧接口设计开展深入研究，摸索出一条适用于明挖隧道的BIM设计流程，在某些关键节点上实现了真正意义上的正向设计，促进了BIM技术在隧道领域的发展，同时对实现基于BIM的铁路工程正向设计具有一定的指导意义。