BIM技術(shù)在隧道巖層注漿用量計(jì)算中的應(yīng)用

劉博文　張城瑞

【摘 要】論文通過理論分析和數(shù)值計(jì)算，對隧道巖層注漿進(jìn)行分析，通過BIM技術(shù)創(chuàng)建理論的注漿模型，自動(dòng)計(jì)算更為精準(zhǔn)的注漿用量，對比JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中的巖層注漿用量公式，推導(dǎo)出更為合理的巖層注漿設(shè)計(jì)用量計(jì)算方法。

【Abstract】Through theoretical analysis and numerical calculation， this paper analyzes the grouting of tunnel stratum. A theoretical grouting model is created through BIM technology to automatically calculate more accurate grouting consumption. This paper compares the formula of rock layer grouting amount in JTG/T D70—2010 "Highway Tunnel Design Rules" and deduces a more reasonable calculation method of rock layer grouting design amount.

【關(guān)鍵詞】隧道工程;注漿量;三維數(shù)字模型

【Keywords】 tunnel engineering; grouting quantity; three-dimensional digital model

【中圖分類號(hào)】U47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0143-03

1 概述

G575線巴里坤至哈密公路建設(shè)項(xiàng)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(xiàng)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(tuán)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(bǔ)給，裂隙水豐富，計(jì)算隧道單洞最大涌水量約為36000m3/d，加之超長距離獨(dú)頭掘進(jìn)帶來的反坡排水、超長距離通風(fēng)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(yù)注漿處治設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，對比設(shè)計(jì)方案巖層注漿用量和采用BIM技術(shù)創(chuàng)建的三維注漿模型導(dǎo)出的注漿用量，推導(dǎo)出更為合理的巖層注漿用量計(jì)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(shè)計(jì)方案

東天山隧道右洞涌水設(shè)計(jì)方案注漿采用前進(jìn)式注漿，套筒安裝完成后，每鉆進(jìn)5～7m即開始注漿，注漿達(dá)到設(shè)計(jì)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(yù)留5m作為下一循環(huán)的止水巖盤。

全斷面超前注漿設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

①每循環(huán)設(shè)置90個(gè)孔，A1～A21號(hào)孔縱向孔深8m，環(huán)向注漿深度6m;B1～B21號(hào)孔縱向孔深18m，環(huán)向注漿深度6m;C1～C21、D1～D15、E1～E9、F1～F3號(hào)孔縱向孔深30m，環(huán)向注漿深度6m。

②注漿孔前段安設(shè)?108×4mm套管，套管長度2m。

③套管段采用?110mm鉆頭成孔，后續(xù)注漿段采用?90mm鉆頭成孔。

④注漿加固范圍為開挖輪廓線外6m，擴(kuò)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(shè)計(jì)方案巖層注漿計(jì)算

設(shè)計(jì)方案計(jì)算巖層注漿用量Q根據(jù)JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》漿液擴(kuò)散半徑及巖層裂隙率估算得：Q=πr2Hηβ。式中：

通過隧道右洞全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算出每個(gè)孔的壓漿長度。采用勾股定理進(jìn)行計(jì)算能得到單孔壓漿長度準(zhǔn)確值。

2.3 采用三維數(shù)字模型巖層注漿計(jì)算

由于漿液擴(kuò)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(gè)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(gòu)件，并設(shè)置好對應(yīng)參數(shù)，使單孔注漿模型能在項(xiàng)目中根據(jù)不同角度、不同長度進(jìn)行參變。

在三維繪制出不同類別注漿構(gòu)件，形成一個(gè)重合部分自動(dòng)扣減的三維注漿模型，并通過參數(shù)設(shè)置（r=2m，η=5%，β=0.5，Q=V三維模型體積×η×β）及明細(xì)表功能模塊自動(dòng)計(jì)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(dòng)計(jì)算得出A1孔壓漿長度與設(shè)計(jì)方案計(jì)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(dòng)扣減的體積，如圖3所示。

通過Revit明細(xì)表模塊能直接得出總注漿用量752.79m3，如圖4所示。

2.4 對比分析

①設(shè)計(jì)方案參數(shù)取值

漿液擴(kuò)散半徑r值根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行取值，取值有變化后需重新計(jì)算注漿用量Q值。

壓漿段長度H值通過勾股定理進(jìn)行計(jì)算?？偟膲簼{長度H值由所有單孔壓漿長度再進(jìn)行求和，對比三維數(shù)字模型自動(dòng)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(shè)計(jì)細(xì)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(shè)計(jì)細(xì)則》中巖層注漿用量公式Q=πr2Hηβ進(jìn)行計(jì)算。

②三維數(shù)字模型參數(shù)取值

漿液擴(kuò)散半徑r值根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行取值，通過三維模型參數(shù)設(shè)置，r值可以進(jìn)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(dòng)生成，對比設(shè)計(jì)方案計(jì)算值，完全一致。模型繪制完即自動(dòng)生成壓漿長度，比設(shè)計(jì)方案計(jì)算簡單，且無人為計(jì)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(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)范統(tǒng)一取1%～5%，與設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)細(xì)則》中巖層注漿用量公式Q=V三維模型體積ηβ進(jìn)行計(jì)算。

③對比分析

通過對比分析，我們發(fā)現(xiàn)在漿液擴(kuò)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(dòng)計(jì)算出來的壓漿長度H與設(shè)計(jì)方案計(jì)算值一致，但注漿用量Q值比設(shè)計(jì)方案計(jì)算得到的Q值小575.35m3，即偏差43.32%。這是因?yàn)槿S注漿模型能自動(dòng)扣除注漿重合的部分，而設(shè)計(jì)方案的計(jì)算方式并沒有考慮每個(gè)孔重合的注漿量，或者可以說設(shè)計(jì)方案的計(jì)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(jì)算隧道巖層注漿用量能參變漿液擴(kuò)散半徑r、自動(dòng)計(jì)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(jì)算工作量，避免不必要的誤差。

3 結(jié)論

現(xiàn)國內(nèi)隧道巖層注漿用量計(jì)算依然采用JTG/T D70—2010《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中巖層注漿用量公式Q=πr2Hηβ，由于此公式無法自動(dòng)扣減計(jì)算出來的注漿用量重合的部分，導(dǎo)致計(jì)算出來的數(shù)值大大超過真實(shí)的注漿用量，計(jì)算出來的數(shù)值并不精準(zhǔn)。使用三維數(shù)字模型進(jìn)行隧道巖層注漿用量計(jì)算意義重大，不僅能簡化設(shè)計(jì)方案注漿用量計(jì)算流程，避免人為計(jì)算產(chǎn)生的錯(cuò)誤，更重要的是不用局限于規(guī)范中不完善的計(jì)算公式得出精準(zhǔn)的注漿用量。為施工準(zhǔn)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(fèi)現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

【1】張林.淺談BIM技術(shù)在隧道巖層注漿用量計(jì)算中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2018（6）：16-17.