BIM技術在隧道巖層注漿用量計算中的應用

劉博文，張城瑞

（中交哈密交通建設有限公司，新疆 哈密 839000）

LIU Bo-wen,ZHANG Cheng-rui

（Hami Transportation Construction Co.Ltd.of CCCC,Hami839000,China）

1 概述

G575線巴里坤至哈密公路建設項目位于新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)，是國家“一帶一路”部署“絲綢之路大通道”及《國家公路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分，也是自治區(qū)“五橫七縱”路網(wǎng)布局中第五縱的重要組成路段。

項目控制性工程為東天山特長隧道，左洞全長11.767km，右洞全長11.775km，最大埋深1225m，為中交一公局集團有限公司在建公路第一長隧。

隧址區(qū)域斷裂部位及其影響帶巖體破碎，且基巖終年得到天山積雪融水補給，裂隙水豐富，計算隧道單洞最大涌水量約為36000m3/d，加之超長距離獨頭掘進帶來的反坡排水、超長距離通風等一系列問題，給隧道施工帶來了極大的難度和挑戰(zhàn)。

東天山隧道右線K9+180～K9+235該段為Ⅴ級圍巖，主要為晚更新統(tǒng)洪積粉質(zhì)黏土，下伏基巖為凝灰質(zhì)砂巖，受斷層影響巖體極破碎。圍巖穩(wěn)定性差，隧道開挖后易產(chǎn)生大坍塌及冒頂，側(cè)壁易塌腔。

本文通過對東天山隧道右洞富水段全斷面預注漿處治設計方案進行分析，對比設計方案巖層注漿用量和采用BIM技術創(chuàng)建的三維注漿模型導出的注漿用量，推導出更為合理的巖層注漿用量計算方法[1]。

2 注漿用量的對比分析

2.1 東天山隧道右洞全斷面帷幕注漿設計方案

東天山隧道右洞涌水設計方案注漿采用前進式注漿，套筒安裝完成后，每鉆進5～7m即開始注漿，注漿達到設計要求后開始下一段鉆孔注漿；本循環(huán)長度30m（不含止?jié){墻），預留5m作為下一循環(huán)的止水巖盤。

全斷面超前注漿設計參數(shù)如下：

①每循環(huán)設置90個孔，A1～A21號孔縱向孔深8m，環(huán)向注漿深度6m；B1～B21號孔縱向孔深18m，環(huán)向注漿深度6m；C1～C21、D1～D15、E1～E9、F1～F3號孔縱向孔深 30m，環(huán)向注漿深度 6m。

②注漿孔前段安設φ108×4mm套管，套管長度2m。

③套管段采用φ110mm鉆頭成孔，后續(xù)注漿段采用φ90mm鉆頭成孔。

④注漿加固范圍為開挖輪廓線外6m，擴散半徑R=2.0m。

全斷面帷幕注漿示意如圖1、圖2所示。

2.2 設計方案巖層注漿計算

設計方案計算巖層注漿用量Q根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》漿液擴散半徑及巖層裂隙率估算得：Q=πr2Hηβ。式中：

r——漿液擴散半徑（m）；

H——壓漿段長度（m）；

η——巖層裂隙率，可取1%～5%；

β——漿液裂隙內(nèi)的有效填充系數(shù)，可取0.3～0.9，視圍巖性質(zhì)而定。

圖1 全斷面（帷幕）注漿立面示意圖

圖2 φ108孔口管布置圖

通過隧道右洞全斷面帷幕注漿設計方案，可以得到參數(shù)r=2m，根據(jù)圍巖性質(zhì)β統(tǒng)一取值0.5，η統(tǒng)一取值為5%。我們只需計算出總壓漿長度便可以得出注漿用量Q。由于單孔注漿長度大部分不相同，我們還需要計算出每個孔的壓漿長度。采用勾股定理進行計算能得到單孔壓漿長度準確值。

A1孔壓漿長度計算公式如下：

總壓漿長度H：

注漿用量Q計算如下：

2.3 采用三維數(shù)字模型巖層注漿計算

由于漿液擴散半徑為R=2m，注漿模型的繪制采用最為理想的注漿狀態(tài)，即每次注漿形成一個長度不一半徑為2m的圓柱+半徑為2m的半球。模型的繪制采用Revit軟件，首先創(chuàng)建A序孔、B序孔、C序孔、D序孔、E序孔、F序孔注漿構件，并設置好對應參數(shù)，使單孔注漿模型能在項目中根據(jù)不同角度、不同長度進行參變。

在三維繪制出不同類別注漿構件，形成一個重合部分自動扣減的三維注漿模型，并通過參數(shù)設置（r=2m，η=5%，β=0.5，Q=V三維模型體積×η×β）及明細表功能模塊自動計算出總注漿用量，A1孔的壓漿長度為10.56m，單根管注漿理論體積為149.52m3，注漿用量為3.74m3；A2孔的壓漿長度為 10.56m，單根管注漿理論體積為116.82m3，注漿用量為2.92m3。通過模型自動計算得出A1孔壓漿長度與設計方案計算得出的壓漿長度一致，在壓漿長度一致的情況下，A2孔注漿模型體積比A1孔注漿模型體積少32.7m3，即為模型重合部分自動扣減的體積，如圖3所示。

圖3 A1、A2孔注漿重合自動扣減模型

通過Revit明細表模塊能直接得出總注漿用量752.79m3，如圖4所示。

圖4 三維注漿模型

2.4 對比分析

①設計方案參數(shù)取值

漿液擴散半徑r值根據(jù)設計方案進行取值，取值有變化后需重新計算注漿用量Q值。

壓漿段長度H值通過勾股定理進行計算?？偟膲簼{長度H值由所有單孔壓漿長度再進行求和，對比三維數(shù)字模型自動生成值完全一致。

巖層裂隙率η值根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》規(guī)范統(tǒng)一取1%～5%，與三維數(shù)字模型取值一致。

漿液裂隙內(nèi)的有效填充系數(shù)β，可取0.3～0.9，視圍巖性質(zhì)而定，與三維數(shù)字模型參數(shù)取值一致。

注漿用量Q值根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》中巖層注漿用量公式Q=πr2Hηβ進行計算。

②三維數(shù)字模型參數(shù)取值

漿液擴散半徑r值根據(jù)設計方案進行取值，通過三維模型參數(shù)設置，r值可以進行參變，對比同條件下不同r值注漿模型形狀。視覺也更為直觀。

壓漿段長度H值由模型繪制完自動生成，對比設計方案計算值，完全一致。模型繪制完即自動生成壓漿長度，比設計方案計算簡單，且無人為計算誤差，相較更為方便。

巖層裂隙率η值根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》規(guī)范統(tǒng)一取1%～5%，與設計方案取值一致。

漿液裂隙內(nèi)的有效填充系數(shù)β，可取0.3～0.9，視圍巖性質(zhì)而定，與設計方案取值一致。

注漿用量Q值通過優(yōu)化JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》中巖層注漿用量公式Q=V三維模型體積ηβ進行計算。

③對比分析

通過對比分析，我們發(fā)現(xiàn)在漿液擴散半徑r、巖層裂隙率η、漿液裂隙內(nèi)的有效填充系數(shù)β取值一致的情況下，三維數(shù)字模型自動計算出來的壓漿長度H與設計方案計算值一致，但注漿用量Q值比設計方案計算得到的Q值小575.35m3，即偏差43.32%。這是因為三維注漿模型能自動扣除注漿重合的部分，而設計方案的計算方式并沒有考慮每個孔重合的注漿量，或者可以說設計方案的計算方式根本無法扣減出注漿重合的注漿量，因此得到的注漿用量偏大。且使用三維數(shù)字模型計算隧道巖層注漿用量能參變漿液擴散半徑r、自動計算壓漿段長度H值。得到數(shù)值的方式更為便捷，能節(jié)省計算工作量，避免不必要的誤差。

3 結論

現(xiàn)國內(nèi)隧道巖層注漿用量計算依然采用JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》中巖層注漿用量公式Q=πr2Hηβ，由于此公式無法自動扣減計算出來的注漿用量重合的部分，導致計算出來的數(shù)值大大超過真實的注漿用量，計算出來的數(shù)值并不精準。使用三維數(shù)字模型進行隧道巖層注漿用量計算意義重大，不僅能簡化設計方案注漿用量計算流程，避免人為計算產(chǎn)生的錯誤，更重要的是不用局限于規(guī)范中不完善的計算公式得出精準的注漿用量。為施工準備工作提供更為合理的參考值，建立正常的施工程序，使各種資源得到合理使用，避免不必要的浪費現(xiàn)象。