首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 建筑工程论文 > 智能暗挖与数字孪生深基坑施工技术

智能暗挖与数字孪生深基坑施工技术

2025-07-19 55 上传者：管理员

摘要：以某超大型城市地下空间综合开发项目为背景，针对传统施工方法在结构复杂、地质不良、高风险环境下存在响应滞后、控制困难等问题，探索“智能暗挖技术+数字孪生平台”的集成应用路径。通过构建BIM为核心的信息化施工体系、部署智能化施工装备、集成多源感知与实时监测手段，实现了施工全过程的动态感知、智能决策与协同控制。研究表明，该技术体系在提升施工精度、优化施工效率、增强风险预控能力等方面具有显著优势。

关键词：
BIM协同施工
地下空间开发
数字孪生平台
智能暗挖技术
环境风险敏感
加入收藏

随着城市化进程不断加快,地下空间作为缓解城市土地资源紧张的重要手段,正被广泛开发利用｡地铁车站､市政管廊､地下商业街､地下停车场等多种功能系统日益集中布置,推动地下空间由单一用途向多功能､复合型方向快速发展[1]｡地下工程已逐渐成为现代城市基础设施的重要组成部分,建设规模和技术需求不断提升[2]｡

然而,传统地下空间开发受限于地质不确定性高､施工干扰强､结构体系复杂､环境风险敏感等多重因素,面临较大的技术挑战和管理难题｡特别是在城市核心区域,常常涉及密集建筑群､高流量交通干道和多条地下通道交汇,传统方法在施工精度控制､实时监测､风险预警等方面存在明显短板,难以满足高安全､高效率､高集成度的现代工程建设需求[3]｡

近年来,随着BIM､物联网､大数据､人工智能等新一代信息技术的发展,数字孪生技术在工程建设领域展现出巨大潜力[4]｡其通过构建工程对象的虚实映射,实现施工全过程的信息集成､状态可视､智能预测与协同控制,显著提升了工程的精细化管理能力与风险防控水平｡对于地质条件复杂､结构体系交叠､施工干扰敏感的地下空间工程而言,数字孪生提供了一种突破传统限制的可行路径[5]｡

本文以某超大型城市地下空间综合开发项目为工程背景,聚焦“智能暗挖+数字孪生平台”的集成应用,从技术路径､系统架构到平台功能进行系统分析｡重点探讨了信息驱动下的施工准备机制掘进过程的智能控制体系,以及数字孪生平台在数据集成､三维可视化､风险预测与多方协同中的核心支撑作用,并通过实际应用效果从效率､安全与经济性三方面进行评估,力求为复杂地下工程提供可复制､可推广的技术示范｡

1、工程概况

1.1项目概况

某地下空间项目总建筑面积约16万m2,基坑开挖面积约10万m2,地下主体结构为三层框架结构,埋深最大达30m｡项目包括3条地铁线路车站及区间､条市政隧道,以及地下人行与非机动车通道,是典型的多功能､高强度复合型地下枢纽工程,详见图1｡

图1项目示意图

1.2地质与水文特征该地区地质条件复杂,地层主要由粉质黏土､砂质粉土及卵石层交替构成,地质不连续性显著｡地下水位较高,水文地质类型以潜水和承压水为主,具备一定的突涌与渗透风险｡此外,该地下空间项目处于交通高峰区,地面车流量与人流密度极大,对基坑施工的沉降控制和扰动范围提出极高要求｡

1.3施工难点

该地下空间工程位于城市核心区域,施工场地受限､环境复杂,项目在实施过程中面临多重技术与管理挑战,主要体现在以下四个方面:

1)基坑规模大且埋深深｡本项目基坑开挖面积大､埋深超过常规尺度,且毗邻地铁车站､地下管廊等高密度交通节点,对基坑围护､土体扰动与施工震动控制提出了极高要求,传统施工方式难以有效兼顾安全性与作业效率｡2)结构空间复杂､施工精度要求高｡项目地下结构呈多线交叉､垂直层叠分布,需同时满足不同标高､构件类型与空间连接关系的施工需求,结构定位与构造精度控制极为严苛,稍有偏差即可能引发结构变形或碰撞风险｡3)邻近建筑密集,沉降控制压力大｡施工区域紧邻高层建筑与城市交通干道,地基沉降容许值极小,对基坑变形控制与支护体系响应速度提出了更高要求,传统静态监测与人工巡检方式响应滞后,难以实现主动预警与动态干预｡4)环境风险高､施工周期紧､应急响应要求强｡由于地下水位波动大､地质条件复杂,加之项目工期紧张,施工过程需面向突发风险(如突涌水､设备失稳､结构超限响应等)具备快速感知与调度能力,对施工组织与信息协同能力提出更高标准｡

综上,传统的地下施工方法在本项目面临“信息滞后､响应缓慢､协同不足”等瓶颈,已难以满足高安全性､高效率与高精度的综合要求｡为破解上述难点,项目团队引入智能暗挖技术与数字孪生平台集成应用,构建“智能感知-精准控制-动态决策”的施工新范式,从源头上提升施工风险管控能力与全流程建造效率｡

2、智能暗挖与数字孪生平台集成应用

2.1智能暗挖技术

在该地下空间项目中,面对地下交通综合体结构复杂､空间交叠密集､周边环境敏感等施工挑战,项目团队创新性地应用了智能暗挖技术,实现了高精度､高效率､高安全性的地下空间建造｡该技术主要分为施工准备阶段和掘进施工过程两个环节,每一阶段均融合了信息化､自动化与智能化手段,为大跨深基坑的顺利推进提供了有力保障｡

1)施工准备阶段:信息驱动的多维度决策系统｡施工准备阶段是整个智能暗挖系统的基础,其核心在于构建一套以BIM为核心､融合GIS､CIM(城市信息模型)与多源感知数据的三维协同设计体系｡具体而言,项目团队首先对该地下空间项目及周边区域进行高精度激光点云扫描和地质雷达勘测,结合历史地质资料和实时监测数据,建立了精准的三维数字地质模型,如图2所示｡该模型全面反映了地层结构､水文特征以及邻近建筑物基础形式,为智能掘进路径优化和风险识别提供了数据支撑｡

图2智能暗挖施工技术流程图

同时,在BIM平台基础上搭建了多专业协同的施工模拟系统,模拟不同工况下的围护结构变形､地层沉降与施工扰动,提前识别高风险断面,指导设计调整与工艺优化[6]｡此外,项目团队还研发了基于物联网的智慧监测预警系统,对支护结构､管线保护､周边建构筑物沉降等敏感因素进行全周期监测布控,为后续掘进提供动态安全边界｡

2)掘进过程:智能装备与实时决策协同控制｡在正式掘进阶段,该地下空间项目采用了多台智能化暗挖台车､液压喷锚一体机与光纤监测系统相结合的施工体系,实现了施工过程的高度自动化和智能决策支持,如图3所示｡施工核心工艺包括机械化开挖､支护同步施工､智能喷锚作业与自动收敛监测等｡

图3智能暗挖台车

具体而言,掘进前由三维激光扫描仪对掌子面进行自动识别与轮廓比对,确定最佳开挖剖面,结合地质模型预测软弱夹层或含水地层位置,自动调整掘进参数｡开挖作业由远程遥控的多功能台车完成,极大降低了人员进入掌子面频次,提升作业安全性[7]｡

在支护阶段,基于高精度位移传感器与光纤光栅应变计的数据反馈,系统可实时调整喷锚参数,实现“感知-分析-控制”一体化支护作业｡同时,平台对围岩等级变化､支护变形速率等参数进行动态分析,若发现异常趋势,将自动推送预警信息至施工终端与管理后台,保障掘进过程的稳定与安全｡

此外,通过与数字孪生平台联动,现场施工进度､围护变形､地下水位等关键数据可实时可视化､预测可回溯,为施工管理人员提供决策依据,实现“精细化+智慧化”双驱动的地下工程建造模式｡

2.2数字孪生平台

该地下空间项目数字孪生平台集成了物联网(IoT)､GIS地理信息､云计算和大数据分析等新一代信息技术,搭建起“虚实同步､数据驱动､智能决策”的信息协同体系｡平台以BIM模型为基础,将施工过程中产生的各类数据实时映射到虚拟空间中,构建出一个动态演化的“数字工程孪生体”｡平台主要由以下四大核心功能模块组成:

1)数据集成模块｡该模块作为平台的数据中台,汇聚来自结构工程､监测系统､施工设备､环境传感器等多源异构数据,统一存储､规范管理[8]｡包括但不限于基坑变形数据､支护体系受力､地下水位变化､施工进度反馈､设备运行状态与现场视频监控等,构建全生命周期数据资产体系,为后续分析与决策提供坚实的数据基础｡

2)智能分析模块｡平台依托大数据算法与人工智能模型,对历史与实时数据进行动态分析｡应用包括基坑沉降趋势预测､结构稳定性风险预警､关键路径工期偏差判断､施工异常自动识别等,有效支撑施工管理团队快速响应潜在问题,提升施工安全性与计划可靠性｡

3)三维可视化模块｡基于三维BIM模型,平台实现了施工现场空间信息的直观表达与动态模拟,如图4所示｡各施工区域的进展状态､设备运行情况､监测数据波动均可通过三维视图实时展示｡特别是在地下空间交叉密布､层级复杂的条件下,三维可视化极大提升了协同效率与管理透明度｡

图4BIM模型

4)协同控制模块｡平台支持业主､设计､施工､监理､运维等多方角色权限配置,实现远程在线协同管理｡基于“问题-响应-闭环”机制,平台可实现施工任务下达､质量问题反馈､进度调整与应急调度的无缝联动,打通了信息孤岛,构建起以数据驱动为核心的协同管控体系｡

3、应用效果与经济分析

3.1施工效率与工期

通过智能化调度系统与动态路径优化机制,项目整体施工效率提升约25%,有效缩短了工期近4个月｡施工过程中由于信息流的实时共享与精度控制,极大降低了误工率与材料浪费率｡

以暗挖施工段为例,传统施工需依赖人工经验调整参数,存在诸多不可控因素｡智能暗挖系统通过参数自学习功能,实现掘进精度控制在±10mm内,衬砌结构偏差率控制在1%以内｡

3.2安全与风险控制

该地下空间项目通过数字孪生平台建立“预测-监测-反馈-决策”闭环机制,实现施工全过程动态风险预警与应急响应｡系统集成300余个监测点位,实现了对结构变形､土体位移､地下水位的实时监控,避免了重大风险事件的发生｡施工期间未出现地面大范围沉降与地铁线路干扰现象,周边交通与建筑运行安全得到有效保障｡

3.3经济与资源消耗

数字孪生平台对资源配置的优化作用显著,材料损耗率降低12%,机械闲置时间减少30%｡项目总投资较传统方案节约约8%,同时通过施工数据沉淀与模型复用,为后期地下空间运维与改扩建提供可靠数据支撑｡

4、结语

本文以某项目为例,通过引入智能暗挖技术与数字孪生平台,实现了从施工前期设计仿真到施工过程风险预警与多源数据协同的全生命周期管理,取得了以下结论:

1)本项目针对城市核心区地下空间开发面临的施工扰动控制难､结构精度要求高､环境风险多发等问题,成功应用了智能暗挖技术与数字孪生平台,构建了集“感知-控制-决策”于一体的智慧建造体系,有效提升了施工效率与安全水平｡2)智能暗挖技术与数字孪生平台可显著优化施工组织､动态预警施工风险､精准调控作业参数,在复杂地下工程中具有良好的适应性与推广价值,为智慧城市建设中的地下空间开发提供了有力技术支撑｡

参考文献:

[1]武锐丫,郭继元,王茂.综合管廊与地下空间联合开发探讨[J].新城建科技,2025,34(4):77-79.

[2]刘荷蕾,陈小祥,孙静静,等.地下空间利用三维产权空间划定与管理[J].地下空间与工程学报,2025,21(2):376-383.

[3]胥光泽.地下空间超重板高大支模架施工技术[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2025,24(1):45-48.

[4]蔡子峰.智能化施工技术在城市轨道交通地下空间开发中的应用[J].智能建筑与智慧城市,2025(5):146-148.

[5]曾仕琪,苏栋,龚浩锋,等.数字孪生技术在城市地下空间运维阶段的应用与研究进展[J].隧道建设(中英文),2025,45(1):57-76.

[6]文静,袁红.基于BIM6D的城市地下空间协同建造管理平台研究[J].智能建筑与智慧城市,2025(3):9-11.

[7]徐东风,蔡乾广,王俊杰.智能监测系统在暗挖下穿既有地铁车站中的应用[J].河南科技,2024,51(15):70-75.

[8]张倩斯.基于三维激光扫描与BIM技术的地下空间三维建模技术探究[J].新城建科技,2024,33(8):10-12.

文章来源:杨荷.智能暗挖与数字孪生深基坑施工技术[J].山西建筑,2025,51(15):88-90+97.