建筑技术丨基于BIM技术的隧道开挖围岩变形控制研究

1  围岩变形控制的关键技术与研究流程

1.1  某隧道工程概况与参数获取

某隧道为分离式隧道工程，左右线总长度5 128 m。隧道所在区域围岩裂隙发育，节理破碎，涌水量高，是典型的复杂地质条件隧道工程。通过系统的现场检测和室内试验，获取关键围岩力学参数见表1。

表1  隧道围岩材料参数

1.2  围岩变形机理的三维数值模拟分析方法

本研究基于BIM技术构建了某隧道精确三维信息模型（图1），该模型集成了隧道几何构型、围岩地质分布及支护结构配置等全方位工程参数。随后将BIM信息模型转化为力学分析数值模型，其空间尺度设计为纵向100 m、横向80 m、垂向60 m，确保计算精度与效率的最优平衡。边界条件配置采用力学合理性原则：底部实施完全固定约束模拟基岩固结效应，侧部施加法向位移约束反映侧向土体限制作用，顶部保持自由边界状态以准确模拟地表变形响应，从而建立符合工程实际的受力分析体系。通过BIM技术的前处理功能，在导出数值模型时进行了网格划分优化。采用渐变方式划分网格，在隧道开挖面周围进行加密处理，核心区域单元尺寸控制在0.2~0.5 m，向外围逐渐过渡到1~2 m，以确保计算精度和效率的平衡。这种基于BIM的建模方法不仅提高了几何模型的精确度，也为后续的数值模拟分析奠定了基础。

图1  隧道BIM示意

围岩开挖方案包括台阶法、中隔壁法和环形开挖预留核心土法3种。台阶法采用上、下分层开挖，上台阶断面尺寸为宽12 m、高6 m，下台阶断面为宽12 m、高4 m，开挖进尺分别为上台阶2 m/循环、下台阶3m/循环，上下台阶超前距离控制在15~20 m。中隔壁法设计为左右导洞同步施工，导洞断面尺寸为宽5 m、高8 m，中隔壁宽度2 m，两侧导洞同步推进，每循环进尺2 m，中隔壁保留长度不小于30 m，并采用42 mm钢管进行加固。环形开挖预留核心土法则分为环形拱部、核心土、下台阶3个步骤，环形开挖宽度为2 m，核心土直径8 m，下台阶高度4 m，环形段进尺1.5 m/循环，核心土进尺2 m/循环，核心土超前距离保持不小于25 m。

为实现围岩变形的精确监测，在隧道中线拱顶、开挖面上方地表、隧道中线处两侧拱腰以及初期支护与围岩接触面等关键位置设置监测点，如图2所示。监测数据采集频率为每个开挖循环一次，通过实时记录确保对变形发展过程的准确把握。所有监测数据通过BIM平台进行可视化处理，形成完整的施工过程动态分析模型。

图2  隧道监测点布置示意

在数值计算方面，采用Mohr–Coulomb本构模型，初始地应力场通过侧压系数法确定。本研究设计的支护系统采用了多层次复合结构配置：以C25喷射混凝土作为初期支护基础层，厚度精确控制在25 cm；辅以22 mm中空注浆锚杆提供径向约束，长度设定为3.5 m以确保锚固效力；刚性支撑结构选用H175型工字钢拱架，间距优化为60 cm以实现支护载荷的均匀分布（图3）。

图3  隧道监测点布置示意

该支护参数体系的确定基于双重验证机制：一方面依托系统性工程实践经验总结，另一方面通过理论受力分析推导，从而建立了科学合理的支护设计方案。为确保数值模拟结果的可靠性，本研究采用某隧道实测数据进行全面性模型验证，通过模拟值与实测值的系统性误差分析来评估模型精度。验证分析结果表明，模拟计算值与工程实测值的平均偏差控制在8 %范围内，最大误差不超过12 %的限值要求，完全满足工程应用的精度标准，为后续基于该模型的变形控制技术研究奠定了可靠的数据基础。

本研究方法的制订充分考虑了工程实际情况和数值模拟的可行性，通过对不同开挖方法的系统性模拟和分析，为隧道施工中围岩变形控制提供了科学的技术支撑和实践指导。

2  数值模拟结果与分析

2.1  围岩位移特征分析

数值模拟结果显示，3种开挖方法下的围岩变形特征存在显著差异。围岩双向位移如图4所示，中隔壁法的最大拱顶沉降为20.41 mm，最大仰拱隆起为16.18 mm，最大水平位移为21.75 mm，各项指标均明显优于其他两种开挖方法。台阶法由于缺乏有效的临时支撑结构，导致最大拱顶沉降达到30.62 mm，最大水平位移达到36.74 mm，变形控制效果最差。环形开挖预留核心土法的变形控制效果介于两者之间，其最大拱顶沉降为23.25 mm，最大水平位移为28.81 mm。

图4  围岩双向位移

变形发展过程监测表明，台阶法在上台阶开挖后，由于缺乏有效支撑，拱顶围岩易发生松动变形，且变形速率在开挖初期较大。中隔壁法通过预留核心支护体，显著改善了开挖面的稳定性，围岩变形发展较为缓慢且均匀。环形开挖预留核心土法虽通过核心土的支撑作用减小了围岩变形，但由于环形开挖断面较大，仍存在一定程度的围岩松动。

2.2  应力分布与支护效果分析

通过对比分析3种开挖方法在裂隙破碎带中的应力分布特征，发现中隔壁法具有明显优势，如图5初期支护最大应力分布所示。在中隔壁法施工过程中，由于左右导洞的分步开挖和中隔壁的支撑作用，围岩应力重分布过程较为缓和，初期支护结构所承受的压力分布更加均匀。数值模拟结果显示，中隔壁法下初期支护最大应力为8.2 MPa，而台阶法和环形开挖预留核心土法分别达到12.7 MPa和10.5 MPa。围岩应力路径分析表明，中隔壁法施工过程中，围岩主应力调整较为平缓，主应力比值变化范围控制在1.2~1.8。而台阶法在上台阶开挖后，拱部围岩主应力比值急剧上升至2.3~2.8，导致局部应力集中。通过监测点应力时程曲线发现，中隔壁法支护结构应力增长率在0.15 MPa/h以内，而台阶法可达0.28 MPa/h，验证了中隔壁法更有利于围岩应力的缓释。

图5  初期支护最大应力分布

支护结构受力分析表明，中隔壁法施工过程中，中隔壁作为临时支撑体系不仅有效控制了围岩变形，还显著改善了初期支护结构的受力状态。在台阶法中，上台阶开挖后拱部围岩的自重荷载直接作用于初期支护结构，导致支护结构局部应力集中。

环形开挖预留核心土法虽然通过核心土的支撑作用改善了部分支护结构的受力状态，但环形开挖断面较大，初期支护结构仍面临较大的围岩压力。

塑性区分布特征验证了上述分析结果。中隔壁法下，围岩塑性区最小且分布均匀，仅延伸至开挖轮廓线外1.5 m；而台阶法条件下，塑性发展深度达3.2 m，拱顶与拱肩形成显著塑性连通带，构成变形增大的主要因素；环形开挖预留核心土法则表现为中等塑性发展程度为2.4 m。

综合分析表明，中隔壁法通过合理的开挖序列和临时支护体系，有效控制了围岩变形发展，优化了支护结构受力状态，是复杂地质条件下控制围岩变形的理想方案。该方法不仅确保了施工安全，也为后续支护结构的长期稳定性提供了有力保障。

3  智能化监测系统构建与应用效果分析

3.1  系统构成与技术原理

本研究开发的三维监测系统采用分布式架构，主要由数据采集层、数据处理层和应用服务层组成。数据采集层集成了三维激光扫描仪、多点位移计、应力计等硬件设备，实现围岩变形和支护结构受力等参数的实时采集。数据处理层通过自主开发的数据分析算法，对采集数据进行降噪处理和特征提取，建立围岩变形预测模型。

系统采用基于LSTM（Long Short–Term Memory）的深度学习模型预测围岩变形。模型输入参数包括围岩级别、地下水状况、开挖断面尺寸、支护参数、前期变形数据等20个关键指标。通过3000组历史监测数据训练模型，采用交叉验证方法优化模型参数。测试结果表明，模型24 h变形预测准确率达到92%，48 h预测准确率为85%，该结果较传统预测方法有显著提升。

系统设置了基于模糊逻辑的异常数据识别算法，当单点变形速率超过2 mm/h或相邻测点变形差异超过5 mm时，自动触发数据复核机制。

3.2  核心功能实现

系统通过激光扫描技术获取隧道断面点云数据，实现毫米级精度的变形监测。将监测数据与预先建立的BIM模型进行实时对比，直观呈现围岩变形趋势和支护结构受力状态。系统设置了多级预警阈值，当监测数据接近预警值时，自动向施工管理人员推送预警信息，并给出优化建议。

为提高监测精度，系统采用了基于深度学习的点云配准算法，配准精度达到±2 mm。同时，通过建立围岩变形预测模型，系统能够提前24~48 h预测潜在的变形风险，为施工参数优化提供决策依据。

3.3  工程应用与效果分析

该系统在某隧道施工中实现了显著的变形控制效果。监测数据表明，与传统施工方法相比，该系统使围岩整体变形减少15.3 %，最大拱顶沉降由30.5 mm降至25.8 mm，拱脚收敛量由28.7 mm降至22.3 mm。

在穿越断层破碎带段时，系统检测到拱顶沉降速率达到1.8 mm/h时，及时启动了应急预案。通过优化施工参数，包括将循环进尺调整为1.2 m，采用超前小导管加固，以及加密系统锚杆间距至1.0 m×1.0 m等措施，使拱顶沉降速率在72 h内降至0.3 mm/h以下。

在软弱围岩段，采用“强支护、早封闭、快衬砌”的控制策略，当拱脚24 h变形量超过5 mm时，实施临时仰拱封闭并及时完成二次衬砌。这一措施使拱脚最大变形量控制在18.5 mm以内，较传统施工方法降低35.6 %，传统方法与BIM方法效果如图6所示。通过基于变形反馈的智能注浆系统，实现了支护结构受力均匀，使二次衬砌段的裂缝发生率降低68.3 %。

图6  传统方法与BIM方法效果

系统的应用不仅提升了变形控制效果，还带来显著的经济效益。优化后的支护参数使喷浆材料用量降低12.4 %，节约材料成本343.1万元，同时缩短工期2个月。在软弱破碎带段，该系统的优势更为突出，拱顶最大沉降量较传统方法的42.8 mm减少至31.2 mm，改善27.1 %；拱腰水平收敛量从38.5 mm降至29.3 mm，改善23.9 %。这些实践数据表明，基于BIM技术的变形控制系统能够实现对隧道施工全过程的精细化管理，为复杂地质条件下的隧道施工提供了可靠的技术保障。

4  结束语

本研究针对复杂地质条件下隧道围岩变形控制问题，基于BIM技术与数值模拟方法开展了系统研究。通过数值模拟对比分析表明，中隔壁法的最大拱顶沉降和水平位移分别为20.41 mm和21.75 mm，较传统台阶法显著改善；支护结构受力分析显示中隔壁法下初期支护最大应力为8.2 MPa，应力增长率控制在0.15 MPa/h，优于其他施工方法。

研究开发的基于LSTM深度学习的智能监测系统，实现24 h和48 h变形预测准确率分别达92 %和85 %。在某隧道工程应用验证中，该系统使隧道整体变形量减少15.3 %，在软弱破碎带段的变形控制效果提升27.1 %，同时基于变形反馈的智能注浆系统使二次衬砌段的裂缝发生率降低68.3 %，为复杂地质条件下隧道工程的安全施工提供了可靠的技术支持。