BIM技术在供水工程盾构井勘察设计中的应用

徐肖峰，曹正璇，李健民，荣 鑫

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

伴随着近年来计算机硬件和软件平台功能的提升，BIM技术的研究应用逐渐成为国内外的热点[1]。岩土勘察获取场址区工程地质和水文地质条件为后期设计、施工中所涉及到的项目决策提供了重要数据支撑，但在岩土工程领域，由于缺少专业软件配套以及岩土工程自身的特殊性，BIM尚处于起步阶段[2-3]。随着需求的增加，当前与地质相关的建模软件也逐渐增多，如Datamine、GOCAD、Petrel等都较为成熟，我国也开发了MapGIS、TITAN等软件[4]。但岩土工程中存在较多非规则结构，如地形和地层曲面等非规则面，其与主流结构建模平台间的数据融合、互通方面仍存在较大的瓶颈。

为解决复杂地质条件下的岩土设计问题，结合某供水工程盾构井，以钻探、物探剖面等地质资料为基础，借助离散光滑插值技术，建立各岩土层曲面，将地质曲面通过可视化编程工具Dynamo处理后以族的形式导入Revit平台[5-6]，与平台中构建的结构模型进行整合，为勘察、设计模型整合提供了一种新途径。利用整合后的模型，优化吊脚地连墙的嵌岩深度，导出基坑内不同岩土层的开挖方量，同时，避免常规二维地质剖面在十字交叉点岩土分层深度校核的繁重工作，并将模型应用于后期的施工指导。

2 工程概况及模型构建

2.1 工程概况

某供水工程埋管段与盾构段衔接的工作井位于山麓，上部采用1.0 m厚地连墙+4道混凝土支撑，下部采用1道锁脚锚索+6层锚杆+喷射混凝土的结构形式支护基坑，基坑外轮廓为34.1 m（长）×18.1 m（宽）×31.7 m（深）。场地范围内合计完成钻孔16只，总进尺578.7 m。钻探过程中在基坑东北角0#钻孔揭露基岩中存在垂直高度4.8 m的空洞。场区勘探深度范围内揭露地层特征见表1，下部微风化粉砂岩产状N13°E，SE∠40°。

表1 勘探范围内主要岩（土）层特征表

2.2 地质模型构建

因工作井地处山麓，下伏可利用基岩面极为起伏，详勘阶段在场地范围内的0#勘探孔揭露竖向高度4.8 m的无充填空洞。为进一步查明空洞空间形态及空洞对工作井结构稳定、后续施工的影响，结合地层岩性、附近隐伏构造预判分析，沿空洞外侧约1倍空洞竖向高度位置“十字形”布置补充勘探孔，孔间累计完成9对跨孔弹性波CT，勘探孔及跨孔CT平面位置见图1。

图1 勘探孔及弹性波CT平面布置图

为提高解译成果的分辨率，跨孔弹性波CT震源间距、检波器竖向间距均选0.5 m。通过扇形测试获取大量的首波走时数据，然后通过求解大型矩阵方程获得2孔间纵波波速剖面图形，结合各勘探孔岩土分层、微风化岩块室内纵波波速4 902～5 319 m/s的试验成果进行综合解译判别，典型反演剖面及纵波波速见图2。

图2 6#～5#跨孔CT反演的岩体纵波波速图

对其他跨孔弹性波CT成果进行类似分析，并将反演后的物探剖面放置于相应的空间位置。根据钻遇空洞及物探推测空洞边界，构建空洞的闭合空间形态（见图3），并将曲面用Dynamo程序处理成Revit族，为场地地质模型构建做准备。

图3 根据钻探及物探推测的空洞空间形态图

根据已有地形、各勘探孔孔口坐标、高程以及岩土分层，先构建地形曲面，后逐层采用离散光滑插值技术构建下部岩土层分界面，将曲面分层导出并用Dynamo程序处理成族后载入Revit，对各岩土体族、空洞分别赋予材质，并组装成完整的地质模型（见图4），由图4可见，下部地下连续墙墙趾可利用基岩面异常起伏。

图4 Revit中组装的实体地质模型图

2.3 结构模型构建及模型组装

对于地下连续墙结构可直接选用Revit平台自带的墙族。但其他构件如锚索、锚杆、喷混凝土等仍需进行参数化，以便在相应的位置进行布置并按设计要求调节尺寸。按设计方案搭建轴网、高程后，建立地连墙并约束顶底高程，载入已构建完成的冠梁和各道混凝土支撑族并创建实例，在构件中添加各种信息，如材料属性、施工顺序等。

将岩土模型中相应需开挖的空间位置用空心族进行剪切。待结构模型创建完成后，按照事先约定的项目基点进行组装，组装后的模型见图5。

图5 整合后的模型图

3 模型的应用

3.1 地下连续墙嵌岩深度优化

按结构内力分布，综合考虑围护结构成本、地下连续墙成槽工期，吊脚地连墙应嵌入124层微风化粉砂岩≥1.0 m。常规设计参照场地内对结构安全不利勘探孔或典型勘探剖面进行地下连续墙嵌岩深度设计。但因场地地处山麓，下部124层上限界面极为起伏，根据钻孔绘制的地质剖面往往不能很好地考虑岩面倾向趋势，且剖面纵横交点处岩层界面一致性通过校对费时费力。为优化各幅地下连续墙设计深度，将地质模型中的微风化岩面上限面导出并与采用常规方式设计的工作井组装后，对各幅地连墙设计深度进行调整，调整的原则为：1满足评审嵌岩深度要求（即进入124层≥1.0 m）；2尽量采用较少的深度类型，以减小对地下连续墙配筋、吊装的单独验算。

深度优化后，最大核减深度4.5 m，合计减少124层基岩成槽量240 m3，节省钢筋约91 t、混凝土约228 m3，可节省直接工程费约60万元。地下连续墙优化设计时墙与微风化岩面的空间关系见图6。

图6 地下连续墙嵌岩深度的优化图

3.2 与岩土相关工程量计算

可根据岩土模型初始状态、地下连续墙成槽施工完成状态和基坑开挖完成状态分别计算各岩土层在成槽、基坑开挖时的分层体积。以基坑围护结构完工后的10层杂填土为例，点击其属性，可在右侧属性列表中查得其体积（见图7），亦可通过项目浏览器面板中的明细表/数量→新建明细表/数量→选择类别→选择需导出字段的表头→导入数据来实现。

图7 单层岩（土）体体积查询图

常规二维设计时，在项目前期及初步设计阶段大致根据勘探孔资料区分岩、土开挖方量，用于投资概（预）算，但不会具体到每一个地层，为控制工程总投资，根据所提工程量计算的成本往往偏保守。而基于BIM的各岩土层体积可为施工机械的合理选择提供参考，如地下连续墙成槽可结合强风化以下岩体体积，考虑成槽机+冲锤或成槽机+双轮铣的功效、成本进行综合比选。基于BIM模型，各岩土层在地下连续墙成槽、基坑开挖时产生的未考虑压实系数的弃方体积见表2。基坑开挖过程中，根据施工地质关于岩层界面的编录，各地层开挖与模型算量结果一般不超过15%。

表2 分层岩土体开挖体积表 m³

3.3 空洞与工作井位置关系及处理建议

结合2.2小节推测的空洞不规则空间形态，其与地下连续墙的空间关系见图8，即空洞区域位于地下连续墙及基坑开挖范围以内，体积约43.8 m3。建议场地平整后、地下连续墙成槽前对空洞进行注浆处理，空洞位于地下水位以下，为防止浆液过快流动及地下水对浆液的稀释作用，可在注浆浆液中添加适当比例的速凝剂。

考虑到上部碎石土层的吸浆效应，施工现场实际注浆体积略大于建模推测的空洞体积，整个施工过程空洞未造成较大影响，未出现较大变形、沉降及支撑轴力报警，处理效果良好。

图8 空洞与地下连续墙的空间关系图

第4道撑腰梁下部为直接开挖锚喷层，对所构建模型空洞区域与实际开挖时揭露空洞充填物进行对比，发现模型与实际揭露空洞外形较为相符，充填物呈青灰色硬塑状，未形成裂隙水汇水区。建模时空洞状态与实际揭露空洞见图9。

图9 开挖揭露的空洞充填物图

4 结 语

以某工作井为例，依托可视化理论、方法和场址区实际地质情况，将综合勘察成果应用于地质建模，建立场址区的地质面模型，采用Dynamo插件将面处理为族后导入Revit平台与平台中构建的结构模型进行组装。实现了非规则地质体与结构在Revit同平台展示的可行性。

基于所构建的地质模型，依托异常起伏的微风化上限面优化吊脚地下连续墙嵌岩深度的设计，在技术可行的同时节省材料及减少工程量。同时，按勘察岩土划分的岩土层分层导出地下连续墙成槽及基坑开挖过程所产生的岩土方量，为后续施工方案选择、成本核算提供数据支撑。另外，结合结构模型与空洞位置的空间关系，提出空洞处理建议，实际施工效果良好。

通过地质与结构的三维协同设计，较好地解决工程所遇到的难题，可为类似场址区地质条件复杂的工程勘察设计提供有益的参考。BIM技术作为一种逐渐普及的新技术，使得工程师能够在三维空间中自由创造和工作，可为参建各方提供一个更好的沟通平台，将为新时代水利建设打开一个更加广阔的空间。