一种基于BIM的大直径盾构隧道掌子面管理系统的制作方法

本发明涉及大直径盾构隧道安全施工、信息管理领域，特别涉及一种基于BIM的大直径盾构隧道掌子面管理系统。

背景技术：

盾构法以其高效、安全、环保等优点，自20世纪70年代以来，已越来越广泛地应用于国内外的地铁、城市给排水、铁路、公路等重大工程建设中，目前已经成为城市隧道掘进的主要方式之一。虽然盾构法的发展已经比较成熟，但在较差的水文地质条件下，大直径盾构掌子面失稳仍时有发生。在大直径盾构施工过程中，建立盾构掘进参数实时反馈、调节的机制，正确地认识施工安全条件对于风险评估及施工安全控制都十分重要。

随着BIM理念的普及深化，建筑模型参数化、施工信息化已经成为一种趋势。基于互联网的远程监控系统目前也已经投入到实践中，为工程管理带来了极大的便利。构建大直径盾构隧道的施工及网络管理平台，有利于施工阶段盾构现场工作管理、风险预警，以及运营阶段隧道各项健康指标的监测管理。参数化的建筑信息，也为大直径隧道的掌子面稳定的预测、分析和管理提供可靠的数据基础。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有利于降低大直径盾构隧道的施工风险、为相关科研课题提供数据支撑的基于BIM的大直径盾构隧道掌子面管理系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于BIM的大直径盾构隧道掌子面管理系统，包括：

掌子面管理子系统，根据工程概况信息，利用BIM技术对大直径盾构隧道进行信息化建模，对施工关键参数掌子面压力进行预估、设置及修正，指导施工，并对现场反馈信息进行整合及输出；

监测管理子系统，对大直径盾构隧道的施工进行实时监控及预警，储存施工数据，评估工程施工、管理状况，进行文档管理，总结施工经验，并可用于后期的科学研究课题。

所述的掌子面管理子系统包括：

信息化模型模块，基于BIM技术对穿越地层及隧道结构的参数化三维建模，得到开挖面宏观力学模型，可对项目中结构尺寸、材料用量等基本信息进行统计和管理；

掌子面压力预估模块，根据开挖面宏观力学模型，计算施工阶段盾构掘进过程中掌子面的理论压力和预设支护压力；

掌子面现场反馈管理模块，对地层变形、实时土压力进行分析，根据理论压力对盾构掘进参数进行反馈调整。

所述的掌子面压力预估模块沿掘进方向将隧道划分为多个单元，所述的掌子面现场反馈管理模块判断各单元的地层沉降是否满足要求，若否，则对该单元进行标记，并调整掌子面预设支护压力，并将掌子面预设支护压力和调整后的支护压力反馈给监测管理子系统。

所述的监测管理子系统包括：

隧道实时监控模块，对隧道施工阶段的隧道及周围环境变形情况进行实时同步管理，并将监测数据实时共享到数据库云端，供用户在PC、手机等移动终端使用APP查看；

风险预警模块，根据监测数据对隧道施工过程中掌子面可能出现的风险因素进行预警，尽可能降低隧道施工风险；

档案管理模块，储存隧道施工阶段的掌子面相关监测数据，形成档案资料，便于数据积累及科研分析。

所述的风险预警模块沿掘进方向将隧道划分为多个单元，若该单元的监测数据超出预警值，则对该单元进行标记，并将预警信息推送至移动终端。

所述的系统基于BIM技术，可实现工程信息化建模、预估施工参数、实时传输和储存施工数据、预报潜在施工风险、生成施工报告等功能，从而完成对整个施工流程的自动化、智能化监测与管理，降低施工风险，减少管理成本，提高管理效率；

所述的系统具有清晰的网络架构，且组织合理，各模块具有其明确的功能，各功能有机组合实现所述系统；各类信息储存于不同的数据库内，并在系统的不同界面内操作，方便对数据进行管理；通过预留不同数据交互接口，可实现本系统与其他系统之间的数据交互，方便与其他软件进行数据共享。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、将经典掌子面压力预估理论与BIM技术结合，在开挖之前完成掌子面压力的预估及预设，同时可根据实时监测结果对预设压力进行调整。

2、基于BIM技术，将地层信息、掌子面压力信息、隧道及周围环境变形信息全部集成于BIM模型中，实现整个施工过程的可视、可控。

3、可对掌子面实设压力与预估压力差距较大的区段进行重点标记并保存至数据库，以便施工完成后进行全面统计及评估，形成报告，积累经验。

4、以BIM模型为核心，通过网络推送，可在电脑、手机等多终端实现信息的共享及管理，以利于掌子面安全状态的实时管理，使整个施工团队的沟通更为顺畅，确保安全事故迅速响应。

5、本发明通过大直径盾构隧道掌子面压力预估及管理系统，建立“设置-反馈-调解”式的盾构掘进参数管理模式，对于大直径盾构掘进安全施工进行有效的指导管理；信息化模型也有利于后期运营管理的风险管控。

附图说明

图1为本发明的功能模块组成图；

图2为本发明的三维信息建模及输出实现流程图；

图3为本发明的隧道管理单元划分示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种基于BIM(建筑信息模型)的大直径盾构隧道掌子面压力预估及管理系统包括掌子面管理子系统1和监测管理子系统2。掌子面管理子系统1的主要用户是业主单位管理人员和施工项目部管理人员，用于实时了解项目进度及施工安全等信息，及时指导并管理现场工作人员作业；监测管理子系统2的主要用户是业主单位管理人员及相关科研人员，用于实时监控隧道运营情况，记录隧道变形等监测数据，并形成数据档案，用于后期科研工作。

信息化模型模块11中的模型建立方式为：将BIM相关软件储存的模型信息导入本系统，系统会根据BIM信息进行智能化建模。根据系统操作提示，选择隧道平、纵面图中的隧道轴线、外轮廓，结构构件基本轮廓等对象，经过程序识别分析，进行隧道管片、内部围护结构、道路路基路面、梁柱等构件的建模。

在信息化模型模块11中，用户可对隧道结构构件的尺寸、材质属性进行浏览查看，可对三维信息化模型进行参数信息汇总，输出成EXCEL格式的基本构件参数、材料算量等表格，如图2所示。

在掌子面压力预估模块12中，系统会根据隧道设计资料将隧道按纵向掘进方向分成小单元，如图3所示，对施工过程中各个单元的掌子面压力、地层沉降等数据进行监测分析。

若沉降满足要求，则无需调整；若沉降不满足要求，则将该区段标记为阴影，对掌子面压力进行调整并记录在案，同时分析造成沉降超限的原因。最后将掌子面预设压力、实设压力、调整后的压力、沉降情况、沉降超限原因等作为特征记录在单元属性中，开挖完成后进行全面统计及评估，形成报告，保存至数据库。

掌子面现场反馈管理模块13具有自适应特点的动态调节机制。对于根据理论计算的建议支护压力，系统可根据现场实时监控数据反馈，对理论计算值进行再调整，使理论计算值适用于实际施工状况，实现盾构掘进参数的最优化，最大程度地降低施工风险，提高施工的安全性和经济性。

隧道实时监控模块21会根据会将现场资料实时共享到数据库云端，用户可在PC、手机等终端使用APP对云端数据进行共享查看，方便施工人员在现场及时获得相应的施工参数，并结合软件信息对施工参数的合理性做出快速判断、及时调整。同时平台提供了互动功能，建设各个单位的用户可基于网络平台，就现场实测数据进行沟通交流。

风险预警模块22与掌子面压力预估模块12的原理基本一致，以管片为单位将隧道划分成小单元，若该小单元内的监测指标超出预警值，则将其进行标记并启动预警，同时将预警信息推送至各相关负责人的终端。通过对各个单元进行分析，实现对隧道各区段的风险预警评估及响应，进而实现对整个隧道运营阶段的自动化风险预警管理，降低管理成本，提高管理效率。

档案管理模块23会将施工、运营阶段监测的数据资料形成数据库，提供EXCEL、ACCESS等多种数据格式文件的导出功能，实现本系统和主流办公软件及数据库软件的交互，用户可快速获取相应施工数据，用于对整个工程施工、管理状况的评估和施工经验的总结，并可用于后期的科学研究课题。