大瑞鐵路路基工程BIM連續壓實技術的成果應用

摘 要：以大瑞鐵路某標段路基施工采用BIM連續壓實技術為例，分析在復雜地質下路基連續壓實的優缺點，為下一步BIM技術的大面積推廣提供一定的借鑒。

關鍵詞：路基施工；BIM連續壓實；復雜地質；壓實傳感器

中圖分類號：U213.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.026

1 背景闡述

1.1 BIM系統關于鐵路施工連續壓實技術簡介

BIM的全稱為Building Information Modeling，也就是建筑信息模型。這是一種新興的建筑技術，將工程主體用計算機建模，進而模擬分析整體工程?，F階段，BIM技術在鐵路設計領域中的應用尚處于探索階段。隨著中國鐵路總公司對在建項目的安全、質量、投資、工期和環境等要求的逐步提高，將BIM技術應用于鐵路設計領域是必然趨勢。

在鐵路工程建設中，雖然路基工程不及隧道工程、橋梁工程復雜，但它在項目總長度中所占的比例卻是最大的。而路基填筑是路基工程中必不可少的一項工序，路基填筑連續壓實則是鐵路路基施工中極其重要的環節，是保證鐵路工程項目路基質量的關鍵。在施工過程中，采用傳統的路基填筑連續壓實施工方法檢測施工現場的路基壓實度時，存在取樣周期長、頻率高、工作量大的問題。這些問題嚴重影響了施工進度，造成了巨大的人力、物力和經濟損失。針對這些問題，本文提出了一種利用BIM模型的路基壓實的實時監測技術，以實現對路基壓實的自動采樣、處理、一體化模擬展示和管理，避免人工干預，加快路基的施工效率，減小誤差，提高檢測精度，為BIM系統在我國以后的鐵路工程建設提供數據支持和寶貴經驗。

1.2 鐵路設計行業BIM技術應用現狀及技術特點

圖1 BIM系統應用周期

現階段，我國各大設計院正加緊開展鐵路三維設計與BIM技術的應用研究工作。經過對BIM系統理論的深入研究和探討發現，不同于成熟的建筑、水電行業BIM系統應用，我國鐵路行業BIM技術應用還處于起步階段，但鐵路行業已經意識到BIM應用和發展的必要性。中國鐵路總公司于2013-05召集各大鐵路設計單位召開了“鐵路勘察設計BIM應用技術研討會”，專題討論了“如何在鐵路勘察設計中應用BIM技術”，為BIM系統日后的應用打下堅實的基礎。另外，研討會還同步立項“鐵路工程建設信息化關鍵技術研究”科研課題。本文以路基連續壓實技術和BIM系統為例，進行簡要的分析。

鐵路設計行業對BIM技術的應用具備以下特點：數字化、可視化、多維化、協調性、可操作和全過程等。其應用周期可描述為模型創建、工程分析、圖紙表達、施工組織、施工建造和管理等模塊，具體如圖1所示。

1.3 大瑞鐵路工程概況和BIM試點地質情況簡介

由云桂公司建設，中鐵三局承建的新建大理至瑞麗鐵路工程項目保山至瑞麗段第5標段起訖里程D1K227+500～D3K287+296.088（邦滇大橋保山臺尾），正線長度45.333 km，主要施工內容為：路基17.675 km，橋梁8 074.7延長米/32座，涵洞3 153.71橫延米/101座，隧道19.583 km/8座，無砟道床13.1 km，車站4座。

芒市DK253+450～DK253+684.09段是BIM系統的試驗工點之一，該段路基長234.09 m，線路以路堤通過，中心填方的最大高度將達到7.15 m左右。該段為粉質黏土表層，其下層有1～5 m的厚軟土，再下層依次為泥質灰巖、泥灰巖強風化層、弱風化層。

地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶裂隙水，地下水水位埋深1～4 m。地下水多為HCO3-/Cl-/Na+/型水，水中酸性侵蝕，侵蝕性CO2對混凝土結構的侵蝕等級為H1。Mg2+/SO32-/及Cl-/對混凝土結構無侵蝕性，但是，該地區含煤系地層，地下水中的SO42-/對混凝土結構的腐蝕等級為H1。該地區地震動峰值加速度為0.2 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s。

按照平面設計圖所示范圍，基底采用直徑為50 cm的水泥攪拌樁加固，樁位按正三角形布置，每根樁的間距為1.1 m。水泥攪拌樁檢測合格后，在樁頂鋪設0.6 m厚的碎石墊層，并且設置2層80 kN/m的土工格柵加固。

2 路基BIM的理論基礎

2.1 路基連續壓實原理和技術簡介

連續壓實是利用壓路機壓輪上的傳感器由震動產生的傳輸信號的變化程度來反映壓實效果的一種方法。這項控制系統最早由瑞典人提出，并在歐洲路基施工中實踐了30多年，但其規范化應用則是1990年在奧地利推廣，隨后德國、瑞典、瑞士也加入了標準化、規范化的使用連續壓實技術的行列中。隨著路基壓實工點建設數量的增加，此項技術也逐漸得到了發展。

2.2 路基連續壓實的數學模型

現實問題往往復雜多變，求解起來十分困難，但利用數學方法進行合理假設簡化，建立模型，便能得出可以接受的近似解。將傳感器的離散數據網格化，可得到如圖2（a）、圖2（b）所示的直線數據和曲線數據。下面，筆者將介紹一種新型自動網格劃分計算方案，以有效避免傳統網格劃分造成的鋸齒數據所帶來的誤差問題。

如圖3所示，規定網格編號從小里程到大里程依次增加，X方向編號由里程表示，Y方向編號由一般點到鐵路中線的距離表示。圖中實線為路基邊界，虛線為路基中線。設鐵路中線上有Y=f（X）的關系，路基內每個網格點的面積為C，任意一點P的網格編號坐標為：

式（1）中：D0為P點里程；F0為P點與中線間的距離。

中線上任意一點的里程為：

當P點不在路基中線上時，可利用中線上鄰近P點處的Q點計算P點里程。根據PQ間的距離d計算P點到中線的距離F0，如圖4所示。離散后的Q點中線坐標為Y=f（X），則式（2）可變為：

化簡式（3）后可得：

Pi為中線上離散后的點，即該點編號。當P點位于PiPi-1區間內，計算PiPi-1上與P點最近的點S，梯形LiLi-1RiRi-1為PiPi-1的里程區間。LiLi-1，RiRi-1和PiPi-1這3條線兩兩平行，Li-1Ri-1，LiRi分別為角平分線，Qi-1Qi過P點并與中線平行，則S點的坐標為：

式（5）中：dp為P點到Pi-1Pi的距離；d為路基邊界到中線的距離；Nor為單位化向量；|Qi-1P|和|Qi-1Qi|為兩點間的長度。

根據式（5）可得出D0、F0的值，即：

將式（6）代入式（1）中便可計算出壓實點的網格編號。利用此網格編號的數據便可以建立BIM模型，由計算機自動生成的BIM網格的過程本文不再贅述，相關文獻已有說明。

3 BIM系統現場應用

3.1 路基智能連續壓實的主要硬件

該系統采用GNSS實時動態定位技術，能夠隨時同步獲得壓路機壓輪的三維位置和姿態信息。工作時，壓力傳感器將壓輪的振動信息以圖形和數值的方式傳輸到電腦上。這些數據經過軟件處理后便可顯示出工作面的碾壓次數和效果等信息，同時，顯示出的壓路機前進方向、速度、振動頻率、振動幅度信息，將其反饋給壓路機操作手，以便進行動態調整。

該系統主要設備為CB460控制箱、CM310壓實傳感器、SNR數傳電臺、SNM940無線網關、MS992接收機和AS400坡度傳感器。

3.2 壓實傳感器工作原理

在實際工作中，將振動壓實傳感器安裝在鋼輪軸線上，將實時采集的振動信號傳輸給電腦。當路基土體比較松散時，振動信號為正弦曲線，如圖5所示，接收頻率只有基波信號；當土體經過幾次壓實后，接收到的信號將產生畸變，如圖6所示，接受頻率也將產生2次諧波，用2次諧波分量（A2）與基波分量（A0）的比值來反映路基土體的壓實效果。

3.3 現場操作方法

連續壓實檢測采用平碾方式對整個路基段進行碾壓量測，振動壓路機相鄰碾壓輪跡的重疊寬度不大于10 cm，振動壓路機行駛在路基壓實段區間時采集信號數據，壓路機在路基兩端轉向掉頭時不采集信號。連續壓實的校驗結果包含碾壓面壓實狀態分布圖和每一碾壓輪跡的振動壓實曲線。每種壓實狀態區域內的檢測點應根據輪跡振動壓實曲線安裝振動壓實值低、中、高3種情況，在振動壓實曲線變化平緩位置選取數據進行比對。

3.4 壓實結果校驗

檢測結果由振動壓實值與常規質量驗收指標之間的相關系數、線型回歸模型和目標振動壓實值組成。振動壓實值與常規質量驗收制表之間的相關系數要大于0.7，振動壓實值應采用線性回歸模型，如圖7所示。根據常規質量驗收指標的合格值，確定目標振動壓實值計算公式為：

式（7）中：[VCV]為目標振動壓實值；a，b為回歸系數；[x]為現行相關標準確定的常規質量驗收合格值。

路基壓實檢驗可從壓實強度分布、壓實狀態分布、壓實均勻性分布3個方面體現出來。在實際工作中，可根據分布圖分析壓實薄弱區域，檢測薄弱區域來控制整體壓實效果，具體如圖8、圖9、圖10所示。

對比大瑞鐵路連續壓實段DK253+450～DK253+684.09路基基床以下路堤、基床地層填筑傳統檢測儀BIM系統連續壓實數據，結果如表1、表2所示。

4 結論與展望

根據分布圖和表格的綜合對比情況可得出BIM系統路基連續壓實效果，從而達到設計要求的預期值。至此可以認為，將BIM連續壓實技術用于大瑞鐵路本段路基連續壓實是可靠可用的。BIM路基連續壓實技術可以利用信息化手段提高監控強度，加快生產效率，縮短工序時間，減少人力、物力資源的浪費。大瑞鐵路工程項目地處云南地區活動斷裂帶，地質情況比較差，施工難度比較大，風險性高。該段采用BIM系統路基連續壓實技術，比使用傳統方法更快地完成了路基填筑的施工工序，其應用結果令人滿意，為我國鐵路在信息化技術的應用提供了寶貴經驗。但是，在此過程中，鑒于機械、氣候、地質環境等方面的影響，廣泛推廣該技術還需要更多的研究試點。

參考文獻

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作者簡介：宋晃（1984—），男，四川南部人，工程師。

〔編輯：白潔〕