BIM技術(shù)在供水工程盾構(gòu)井勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

徐肖峰，曹正璇，李健民，榮 鑫

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

伴隨著近年來計(jì)算機(jī)硬件和軟件平臺(tái)功能的提升，BIM技術(shù)的研究應(yīng)用逐漸成為國內(nèi)外的熱點(diǎn)[1]。巖土勘察獲取場址區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件為后期設(shè)計(jì)、施工中所涉及到的項(xiàng)目決策提供了重要數(shù)據(jù)支撐，但在巖土工程領(lǐng)域，由于缺少專業(yè)軟件配套以及巖土工程自身的特殊性，BIM尚處于起步階段[2-3]。隨著需求的增加，當(dāng)前與地質(zhì)相關(guān)的建模軟件也逐漸增多，如Datamine、GOCAD、Petrel等都較為成熟，我國也開發(fā)了MapGIS、TITAN等軟件[4]。但巖土工程中存在較多非規(guī)則結(jié)構(gòu)，如地形和地層曲面等非規(guī)則面，其與主流結(jié)構(gòu)建模平臺(tái)間的數(shù)據(jù)融合、互通方面仍存在較大的瓶頸。

為解決復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖土設(shè)計(jì)問題，結(jié)合某供水工程盾構(gòu)井，以鉆探、物探剖面等地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，借助離散光滑插值技術(shù)，建立各巖土層曲面，將地質(zhì)曲面通過可視化編程工具Dynamo處理后以族的形式導(dǎo)入Revit平臺(tái)[5-6]，與平臺(tái)中構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整合，為勘察、設(shè)計(jì)模型整合提供了一種新途徑。利用整合后的模型，優(yōu)化吊腳地連墻的嵌巖深度，導(dǎo)出基坑內(nèi)不同巖土層的開挖方量，同時(shí)，避免常規(guī)二維地質(zhì)剖面在十字交叉點(diǎn)巖土分層深度校核的繁重工作，并將模型應(yīng)用于后期的施工指導(dǎo)。

2 工程概況及模型構(gòu)建

2.1 工程概況

某供水工程埋管段與盾構(gòu)段銜接的工作井位于山麓，上部采用1.0 m厚地連墻+4道混凝土支撐，下部采用1道鎖腳錨索+6層錨桿+噴射混凝土的結(jié)構(gòu)形式支護(hù)基坑，基坑外輪廓為34.1 m（長）×18.1 m（寬）×31.7 m（深）。場地范圍內(nèi)合計(jì)完成鉆孔16只，總進(jìn)尺578.7 m。鉆探過程中在基坑?xùn)|北角0#鉆孔揭露基巖中存在垂直高度4.8 m的空洞。場區(qū)勘探深度范圍內(nèi)揭露地層特征見表1，下部微風(fēng)化粉砂巖產(chǎn)狀N13°E，SE∠40°。

表1 勘探范圍內(nèi)主要巖（土）層特征表

2.2 地質(zhì)模型構(gòu)建

因工作井地處山麓，下伏可利用基巖面極為起伏，詳勘階段在場地范圍內(nèi)的0#勘探孔揭露豎向高度4.8 m的無充填空洞。為進(jìn)一步查明空洞空間形態(tài)及空洞對工作井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、后續(xù)施工的影響，結(jié)合地層巖性、附近隱伏構(gòu)造預(yù)判分析，沿空洞外側(cè)約1倍空洞豎向高度位置“十字形”布置補(bǔ)充勘探孔，孔間累計(jì)完成9對跨孔彈性波CT，勘探孔及跨孔CT平面位置見圖1。

圖1 勘探孔及彈性波CT平面布置圖

為提高解譯成果的分辨率，跨孔彈性波CT震源間距、檢波器豎向間距均選0.5 m。通過扇形測試獲取大量的首波走時(shí)數(shù)據(jù)，然后通過求解大型矩陣方程獲得2孔間縱波波速剖面圖形，結(jié)合各勘探孔巖土分層、微風(fēng)化巖塊室內(nèi)縱波波速4 902～5 319 m/s的試驗(yàn)成果進(jìn)行綜合解譯判別，典型反演剖面及縱波波速見圖2。

圖2 6#～5#跨孔CT反演的巖體縱波波速圖

對其他跨孔彈性波CT成果進(jìn)行類似分析，并將反演后的物探剖面放置于相應(yīng)的空間位置。根據(jù)鉆遇空洞及物探推測空洞邊界，構(gòu)建空洞的閉合空間形態(tài)（見圖3），并將曲面用Dynamo程序處理成Revit族，為場地地質(zhì)模型構(gòu)建做準(zhǔn)備。

圖3 根據(jù)鉆探及物探推測的空洞空間形態(tài)圖

根據(jù)已有地形、各勘探孔孔口坐標(biāo)、高程以及巖土分層，先構(gòu)建地形曲面，后逐層采用離散光滑插值技術(shù)構(gòu)建下部巖土層分界面，將曲面分層導(dǎo)出并用Dynamo程序處理成族后載入Revit，對各巖土體族、空洞分別賦予材質(zhì)，并組裝成完整的地質(zhì)模型（見圖4），由圖4可見，下部地下連續(xù)墻墻趾可利用基巖面異常起伏。

圖4 Revit中組裝的實(shí)體地質(zhì)模型圖

2.3 結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建及模型組裝

對于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)可直接選用Revit平臺(tái)自帶的墻族。但其他構(gòu)件如錨索、錨桿、噴混凝土等仍需進(jìn)行參數(shù)化，以便在相應(yīng)的位置進(jìn)行布置并按設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)尺寸。按設(shè)計(jì)方案搭建軸網(wǎng)、高程后，建立地連墻并約束頂?shù)赘叱?，載入已構(gòu)建完成的冠梁和各道混凝土支撐族并創(chuàng)建實(shí)例，在構(gòu)件中添加各種信息，如材料屬性、施工順序等。

將巖土模型中相應(yīng)需開挖的空間位置用空心族進(jìn)行剪切。待結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建完成后，按照事先約定的項(xiàng)目基點(diǎn)進(jìn)行組裝，組裝后的模型見圖5。

圖5 整合后的模型圖

3 模型的應(yīng)用

3.1 地下連續(xù)墻嵌巖深度優(yōu)化

按結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本、地下連續(xù)墻成槽工期，吊腳地連墻應(yīng)嵌入124層微風(fēng)化粉砂巖≥1.0 m。常規(guī)設(shè)計(jì)參照場地內(nèi)對結(jié)構(gòu)安全不利勘探孔或典型勘探剖面進(jìn)行地下連續(xù)墻嵌巖深度設(shè)計(jì)。但因場地地處山麓，下部124層上限界面極為起伏，根據(jù)鉆孔繪制的地質(zhì)剖面往往不能很好地考慮巖面傾向趨勢，且剖面縱橫交點(diǎn)處巖層界面一致性通過校對費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為優(yōu)化各幅地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度，將地質(zhì)模型中的微風(fēng)化巖面上限面導(dǎo)出并與采用常規(guī)方式設(shè)計(jì)的工作井組裝后，對各幅地連墻設(shè)計(jì)深度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的原則為：1滿足評審嵌巖深度要求（即進(jìn)入124層≥1.0 m）；2盡量采用較少的深度類型，以減小對地下連續(xù)墻配筋、吊裝的單獨(dú)驗(yàn)算。

深度優(yōu)化后，最大核減深度4.5 m，合計(jì)減少124層基巖成槽量240 m3，節(jié)省鋼筋約91 t、混凝土約228 m3，可節(jié)省直接工程費(fèi)約60萬元。地下連續(xù)墻優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)墻與微風(fēng)化巖面的空間關(guān)系見圖6。

圖6 地下連續(xù)墻嵌巖深度的優(yōu)化圖

3.2 與巖土相關(guān)工程量計(jì)算

可根據(jù)巖土模型初始狀態(tài)、地下連續(xù)墻成槽施工完成狀態(tài)和基坑開挖完成狀態(tài)分別計(jì)算各巖土層在成槽、基坑開挖時(shí)的分層體積。以基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)完工后的10層雜填土為例，點(diǎn)擊其屬性，可在右側(cè)屬性列表中查得其體積（見圖7），亦可通過項(xiàng)目瀏覽器面板中的明細(xì)表/數(shù)量→新建明細(xì)表/數(shù)量→選擇類別→選擇需導(dǎo)出字段的表頭→導(dǎo)入數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。

圖7 單層巖（土）體體積查詢圖

常規(guī)二維設(shè)計(jì)時(shí)，在項(xiàng)目前期及初步設(shè)計(jì)階段大致根據(jù)勘探孔資料區(qū)分巖、土開挖方量，用于投資概（預(yù)）算，但不會(huì)具體到每一個(gè)地層，為控制工程總投資，根據(jù)所提工程量計(jì)算的成本往往偏保守。而基于BIM的各巖土層體積可為施工機(jī)械的合理選擇提供參考，如地下連續(xù)墻成槽可結(jié)合強(qiáng)風(fēng)化以下巖體體積，考慮成槽機(jī)+沖錘或成槽機(jī)+雙輪銑的功效、成本進(jìn)行綜合比選?；贐IM模型，各巖土層在地下連續(xù)墻成槽、基坑開挖時(shí)產(chǎn)生的未考慮壓實(shí)系數(shù)的棄方體積見表2?；娱_挖過程中，根據(jù)施工地質(zhì)關(guān)于巖層界面的編錄，各地層開挖與模型算量結(jié)果一般不超過15%。

表2 分層巖土體開挖體積表 m3

3.3 空洞與工作井位置關(guān)系及處理建議

結(jié)合2.2小節(jié)推測的空洞不規(guī)則空間形態(tài)，其與地下連續(xù)墻的空間關(guān)系見圖8，即空洞區(qū)域位于地下連續(xù)墻及基坑開挖范圍以內(nèi)，體積約43.8 m3。建議場地平整后、地下連續(xù)墻成槽前對空洞進(jìn)行注漿處理，空洞位于地下水位以下，為防止?jié){液過快流動(dòng)及地下水對漿液的稀釋作用，可在注漿漿液中添加適當(dāng)比例的速凝劑。

考慮到上部碎石土層的吸漿效應(yīng)，施工現(xiàn)場實(shí)際注漿體積略大于建模推測的空洞體積，整個(gè)施工過程空洞未造成較大影響，未出現(xiàn)較大變形、沉降及支撐軸力報(bào)警，處理效果良好。

圖8 空洞與地下連續(xù)墻的空間關(guān)系圖

第4道撐腰梁下部為直接開挖錨噴層，對所構(gòu)建模型空洞區(qū)域與實(shí)際開挖時(shí)揭露空洞充填物進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)模型與實(shí)際揭露空洞外形較為相符，充填物呈青灰色硬塑狀，未形成裂隙水匯水區(qū)。建模時(shí)空洞狀態(tài)與實(shí)際揭露空洞見圖9。

圖9 開挖揭露的空洞充填物圖

4 結(jié) 語

以某工作井為例，依托可視化理論、方法和場址區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況，將綜合勘察成果應(yīng)用于地質(zhì)建模，建立場址區(qū)的地質(zhì)面模型，采用Dynamo插件將面處理為族后導(dǎo)入Revit平臺(tái)與平臺(tái)中構(gòu)建的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行組裝。實(shí)現(xiàn)了非規(guī)則地質(zhì)體與結(jié)構(gòu)在Revit同平臺(tái)展示的可行性。

基于所構(gòu)建的地質(zhì)模型，依托異常起伏的微風(fēng)化上限面優(yōu)化吊腳地下連續(xù)墻嵌巖深度的設(shè)計(jì)，在技術(shù)可行的同時(shí)節(jié)省材料及減少工程量。同時(shí)，按勘察巖土劃分的巖土層分層導(dǎo)出地下連續(xù)墻成槽及基坑開挖過程所產(chǎn)生的巖土方量，為后續(xù)施工方案選擇、成本核算提供數(shù)據(jù)支撐。另外，結(jié)合結(jié)構(gòu)模型與空洞位置的空間關(guān)系，提出空洞處理建議，實(shí)際施工效果良好。

通過地質(zhì)與結(jié)構(gòu)的三維協(xié)同設(shè)計(jì)，較好地解決工程所遇到的難題，可為類似場址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜的工程勘察設(shè)計(jì)提供有益的參考。BIM技術(shù)作為一種逐漸普及的新技術(shù)，使得工程師能夠在三維空間中自由創(chuàng)造和工作，可為參建各方提供一個(gè)更好的溝通平臺(tái)，將為新時(shí)代水利建設(shè)打開一個(gè)更加廣闊的空間。