BIM技術(shù)在巖溶隧道勘察中的應(yīng)用

范明明 劉 科

（中鐵二院成都勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，四川 成都 610036）

0 引言

在隧道建設(shè)過程中常常會遇到巖溶不良地質(zhì)的問題，這是阻礙隧道建設(shè)的一個重要難題，如果在施工過程中沒有科學(xué)合理地對巖溶進行處理，就極有可能導(dǎo)致生產(chǎn)安全事故的發(fā)生[1]。BIM技術(shù)發(fā)展迅速，在工程領(lǐng)域得到了極高的認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用[2]。將BIM技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜巖溶隧道勘察設(shè)計中非常重要，但目前關(guān)于BIM技術(shù)在巖溶隧道中的應(yīng)用還比較少。覃羨安等人[3]借助GeoBIM軟件建立了樁基和溶洞的組合模型，給樁基在巖溶地質(zhì)環(huán)境中的設(shè)計提供了寶貴的建議和指導(dǎo)；王偉清等人[4]借助Revit場地命令建立了溶洞三維模型，在經(jīng)過量化和可視化處理之后使其形態(tài)和發(fā)育情況更直觀地呈現(xiàn)在技術(shù)人員面前?？紤]到BIM技術(shù)在巖溶隧道勘察中應(yīng)用較淺、研究深度不足，該文以實際工程為例，通過Civil 3D構(gòu)建了預(yù)測巖溶發(fā)育方向和趨勢的BIM模型，提出Excel、Dynamo和Revit三者相結(jié)合的建模方式，分析了隧道和溶洞之間的位置關(guān)系并將溶洞的形態(tài)和發(fā)育情況可視化，給隧道巖溶的處理和施工提供了建議和指導(dǎo)。

1 巖溶發(fā)育的預(yù)測研究

1.1 項目概況

某隧道工程右幅長度為5648m，左幅長度為5641m，均屬于單向坡。該隧道屬于分離式特長隧道，其設(shè)計時速與最大埋深分別為100km/h和301 m主要圍巖等級為Ⅲ級和Ⅳ級，布設(shè)了一座通風(fēng)斜井。隧道區(qū)域?qū)儆诠鹊睾腿芪g峰叢洼地地貌。參考地質(zhì)鉆探與地址調(diào)繪結(jié)果，僅有部分山體存在覆蓋層且厚度較薄，下部基巖類型屬于泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組和泥盆系上統(tǒng)榴江組白云質(zhì)灰?guī)r。區(qū)域內(nèi)巖溶為主要不良地質(zhì)，在進行勘察過程中發(fā)現(xiàn)多處溶洞、溶蝕洼地和落水群，同時根據(jù)物探結(jié)果判斷隧道內(nèi)可能存在地下暗河、溶洞和巖溶裂隙等。

1.2 巖溶發(fā)育的預(yù)測

該區(qū)域地形地貌受巖溶發(fā)育影響較大，是巖溶區(qū)控制巖溶水運移與賦存的一個主要因素，分析地形地貌有利于掌握隧道區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育情況。在研究中將基準(zhǔn)定為洞軸線、2km處定為邊界來劃分隧道巖溶研究區(qū)域，采用三維建模軟件來創(chuàng)建研究區(qū)的地形曲面，經(jīng)過曲面分析后能夠更直觀地得到各流域凹地的類型、邊界、匯水點和面積等信息，參考鉆探和地址調(diào)查能夠從整體上得出隧址區(qū)域內(nèi)巖溶的發(fā)育狀況。

1.3 創(chuàng)建Civil 3D BIM預(yù)測模型

該研究采用的軟件為Civil 3D，它能夠在各個目標(biāo)之間構(gòu)建智能化關(guān)系，將設(shè)計變成實時動態(tài)更新三維參數(shù)模型，有關(guān)聯(lián)性好、實時性強和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，能夠幫助工程設(shè)計人員高質(zhì)量、高效率地完成設(shè)計任務(wù)，是當(dāng)前隧道、公路和水利工程中常用到的設(shè)計工具。

在建模過程中通過添加高程點和等高線的方式來創(chuàng)建研究區(qū)范圍Civil 3D地形曲面，先設(shè)置曲面樣式和特性，經(jīng)流域分析后得出各流域凹地的類型、邊界、匯水點和面積等信息；選擇隧道出口段1km區(qū)段作為研究對象，主要包括4個流域凹地，對其依次編號為273、262、260和256；根據(jù)躍水命令分析上述流域凹地的地表徑流，得出各自的地表徑流匯水點（表1），對4個流域凹地匯水點分別編號為P273、P262、P260和P256。根據(jù)以上步驟建立預(yù)測巖溶發(fā)育的BIM模型（圖1），以該模型為基礎(chǔ)進行宏觀預(yù)測巖溶發(fā)育的工作。

圖1 巖溶發(fā)育三維預(yù)測模型

表1 流域凹地坐標(biāo)信息

1.4 預(yù)測分析

巖溶地下水和循環(huán)受地形地貌的影響較大，區(qū)域地貌反映了區(qū)域性地下水排泄和侵蝕基準(zhǔn)面的分布特點，體現(xiàn)了地表水網(wǎng)的發(fā)育特點，基本控制著巖溶發(fā)育及地下水的流動方向和流動趨勢，影響巖溶地下水的循環(huán)交替[5]。在各個流域凹地中，地勢高程比較高的是262處，地表補給水均流向262處并從勢能最高的路徑和方向進排泄，對比其他匯水點的高程和P262匯水點，結(jié)合隧道地址縱斷面，能夠推算出匯水點P262位置地表補給水的流動方向和趨勢，可以推測出地下巖溶發(fā)育通道的方向與范圍。如圖2所示，其中處于上方的是巖溶發(fā)育通道1，下方的是巖溶發(fā)育通道2。從圖2中能夠明顯看出，因為巖溶發(fā)育通道1基本沒有穿過隧道，隧道受巖溶發(fā)育通道1的影響較小，所以該文不對其進行分析。巖溶發(fā)育通道2穿越隧道并和隧道相交，可能會對隧道產(chǎn)生影響，主要樁號范圍以右線計K66+476～K66+551和344～349為該范圍隧道設(shè)計高程，其中478.9m和373.9m分別為其起點高程和終點高程，兩者相差15m。參考分析結(jié)果，巖溶可能會對以右線計樁號K66+476～K66+551范圍隧道形成干擾，導(dǎo)致其出現(xiàn)涌水和塌陷等災(zāi)害，影響其安全性。在施工過程中須格外重視巖溶對隧道的影響，做好超前地質(zhì)監(jiān)測預(yù)報，擬定相應(yīng)的應(yīng)急方案。

圖2 巖溶發(fā)育方向和范圍

1.5 巖溶實際勘探情況

上述隧道工程右幅出口段施工至K66+491位置處，在掌子面上部存在一個溶洞，發(fā)育方向為左上至右下，溶洞高、寬、長分別為10m、8m、10m。該溶洞腔內(nèi)有大量水量，曾先后出現(xiàn)過5次突泥涌水災(zāi)害，其中災(zāi)害最嚴(yán)重的一次涌水方量達到了10000m3，對隧道建設(shè)產(chǎn)生了較大負(fù)面影響，阻礙了隧道的安全建設(shè)，不利于隧道的穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)驗證出現(xiàn)巖溶突泥涌水的部位時選擇了Civil 3D軟件，通過構(gòu)建預(yù)測巖溶發(fā)育的BIM模型來對其進行分析和預(yù)測。Civil 3D軟件能夠快速創(chuàng)建隧道模型、地面3D模型和巖溶凹地與隧道之間空間關(guān)系可視化的BIM模型，迅速完成流域分析、匯水點推測和定位，輔助巖溶涌水的預(yù)測和分析工作。

2 可視化建模與實例分析

2.1 建模方式與數(shù)據(jù)收集

除了Civil 3D，還可以選擇Revit來完成巖溶溶腔的建模，由于其模型具有不規(guī)則性和不均衡性，因此當(dāng)建模時須通過可視化平臺Dynamo來輔助。建模的具體步驟為先采集溶腔典型斷面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立Excel數(shù)據(jù)庫，然后結(jié)合編寫的Dynamo程序讀取Excel中的數(shù)據(jù)，擬合典型斷面并放樣來建立溶腔實體模型，之后將其以族屬性保存至Revit中。

對原始數(shù)據(jù)的采集，可選擇溶腔的典型斷面并采集各斷面的角點坐標(biāo)，按照“斷面樁號-點序號”的方式命名數(shù)據(jù)點。

2.2 開發(fā)Dynam程序和建模

Dynamo程序具體包括3個功能模塊，依次是讀取Excel模塊、擬合斷面模塊和幾何構(gòu)造模塊。其中讀取Excel模塊可以全面讀取表格中的數(shù)據(jù)，建立斷面樁號列表和點編號列表作為溶腔建模的原始數(shù)據(jù)來支撐后期模型的建立。斷面擬合模塊將搜索項設(shè)為斷面樁號字符列表來搜索數(shù)據(jù)，從點列表里篩選各個斷面相應(yīng)的角點，在程序里重構(gòu)斷面輪廓，為了讓模型與實際情況更接近，偏移縮放了最后一個和第一個斷面輪廓來模擬溶洞兩端結(jié)束的部位。為了Dynamo程序運行順利、達到節(jié)點放樣的要求并防止程序報錯，須定數(shù)等分各個斷面的輪廓，再根據(jù)等分點建立樣條閉合曲線來替換斷面輪廓。幾何構(gòu)造模塊用Solid.ByLoft命令將擬合斷面構(gòu)成實體模型，然后將實體模型轉(zhuǎn)換成Revit族，達到了溶腔三維可視化建模的目的。

2.3 實際工程中的溶巖規(guī)模和位置關(guān)系

上述隧道工程右幅出口段施工至K66+491位置處，在掌子面上部存在一個溶洞。根據(jù)三維建模的結(jié)果得知，溶洞發(fā)育趨勢為左上至右下，兼顧豎向發(fā)育，溶腔向上高、橫向?qū)?、縱向長和體積分別為22.26m、22.2m、29.68m和7570.27m3，如圖3所示。

圖3 溶洞發(fā)育情況和規(guī)模

在巖溶三維可視化建模完成后，可分別從二維和三維角度來分析隧道與巖溶的位置關(guān)系。從二維角度來看，Revit軟件可以從任意角度剖切分析可視化模型，如圖4所示，其中縱向剖面與隧道平行，橫向剖面與縱向剖面垂直，有助于通過參考斷面體征來分析隧道和巖溶的空間位置。從三維角度分析，隧道和巖溶的關(guān)系表現(xiàn)如下：當(dāng)溶腔中的泥水壓力超過其和掌子面間不透水層的最大承載力時，部分隧道從巖溶中穿過的類型會出現(xiàn)突泥涌水[6]，突發(fā)涌水會對隧道施工產(chǎn)生極大的影響，極有可能破壞隧道的穩(wěn)定性和安全性。

圖4 隧道巖溶組合模型

2.4 巖溶施工處理方案

通過分析巖溶隧道三維模型，制定了上述隧道工程出口處巖溶處理方案：1）將混凝土泵送至拱頂上部溶腔范圍內(nèi)做護拱處理，保證拱頂位置厚度大于2m；2）初始方案是布設(shè)雙層小導(dǎo)管做超前支護處理，第一排和第二排的外插角分別為10°和20°，搭接長度要大于100cm。從三維模型能夠看出，隧道拱頂上部有較大的溶腔，雙層小導(dǎo)管可能無法提供足夠的支護強度，由于溶腔的縱向長度達到23m，因此決定在初始方案上增加自進式管棚來做超前支護處理，管棚環(huán)向間距為30cm，仰角6°，在中間插入鋼筋，鋼筋類型為一級鋼，直徑28mm。為了將開挖擾動降至最小，選擇單榀掘進、爆破強度盡量小和監(jiān)測頻率盡量高的方式；3）選擇抗水壓襯砌方案并布設(shè)雙層初支。首次初支選擇C25噴射混凝土+I22工字鋼+鋼筋網(wǎng)+小導(dǎo)管徑向系統(tǒng)錨桿的形式，二次支護選擇C25噴射混凝土+I22工字鋼+鋼筋網(wǎng)的形式。兩道初支間的鋼拱架交錯布設(shè)并預(yù)留變形量5cm，防水層選擇“兩布一膜”的類型，只在沒有溶腔處設(shè)置徑向系統(tǒng)注漿小導(dǎo)管，在注漿的過程中須加入水玻璃；二襯選擇鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度80cm，仰拱選擇加深65cm的措施，對斷面重新擬合，在第二道初期支護和二襯之間提前設(shè)置15cm的變形量，選擇雙層防水板和土工布相組合的防水方式，加密橫向、環(huán)向排水管，布設(shè)間距為3m；4）該方案安裝了水壓監(jiān)測報警系統(tǒng)，監(jiān)測初支和二襯之間的水壓。

3 結(jié)論

為了能夠最大程度地降低巖溶對隧道建設(shè)產(chǎn)生的安全風(fēng)險，該研究以實際隧道工程為例，分析了BIM技術(shù)在巖溶隧道勘察設(shè)計中的應(yīng)用效果，得到了如下3個結(jié)論：1）通過Civil 3D構(gòu)建了預(yù)測巖溶發(fā)育的BIM模型，可以較好地預(yù)測隧道區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育的方向和趨勢并且估算涌水量；2）提出Revit、Dynamo和Excel三者相結(jié)合的巖溶三維建模方式，讓模型更接近實際情況；3）生成隧道結(jié)構(gòu)和巖溶相結(jié)合的三維模型，有利于掌握巖溶的規(guī)模和發(fā)育情況，能夠正確真實地呈現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)和不規(guī)則、不均衡巖溶間的空間位置關(guān)系，為確定巖溶施工處理方式提供參考，說明在巖溶隧道勘查中 BIM 技術(shù)具有應(yīng)用空間和應(yīng)用價值。