采用GC參數(shù)化建模技術(shù)實現(xiàn)高效超前預(yù)注漿設(shè)計

張 晴 郭春雷 魏鉑佳

參數(shù)化建模軟件 GC（Generative Component）是Bentley公司開發(fā)的一款基于MicroStation平臺的關(guān)聯(lián)參數(shù)化建模系統(tǒng)。用戶可利用GC設(shè)定元素間的關(guān)系，從而模擬各類空間形狀，達到用戶建模的目的。

GC通過元素及其相互關(guān)系形成圖形，有效地展示設(shè)計方案，直觀，立體，便于方案調(diào)整。利用GC，設(shè)計人員既可完全采用圖形方式工作，也可適時將圖形與腳本和編程結(jié)合使用。例如，可以與現(xiàn)有的MicroStation元素結(jié)合使用，既可以在當(dāng)前的*.dgn文件中使用，也可以從參考文件中使用。

1 采用GC參數(shù)化建模進行超前預(yù)注漿設(shè)計的優(yōu)點

1.1 高效

在超前預(yù)注漿設(shè)計中，為了減少無效的超前預(yù)注漿鉆孔和灌漿工程量，通常在隧洞斷面內(nèi)布置多個機位。機位、孔深、漿液擴散半徑、設(shè)計帷幕厚度等要求使灌漿體形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。為了確定合理的鉆孔排數(shù)和孔數(shù)，傳統(tǒng)方法是根據(jù)經(jīng)驗布孔后，持續(xù)自前（鉆孔方向）向后在不同位置剖切，計算各孔中心平面坐標(biāo)，再畫出該斷面位置剖面圖，求出該斷面最小帷幕厚度。當(dāng)帷幕厚度接近或等于設(shè)計帷幕厚度時，即需增設(shè)下一排鉆孔。當(dāng)中心孔和周邊孔未能形成封閉實體時，則需增加周邊孔或中心孔孔數(shù)。其過程機械、重復(fù)、耗時長，設(shè)計一個合理布孔方案至成圖往往需數(shù)天時間。而GC參數(shù)化建模方法是通過設(shè)置一系列參數(shù)和節(jié)點，通過三維軟件由點到線再到體，或通過其腳本語言直接修改參數(shù)和計算式，快速畫出立體圖，再采用其剖切、量測工具，快速判斷需增加鉆孔排數(shù)的位置和需增加的周邊孔或中心孔孔數(shù)，過程簡單、明了、快速，將建模至成圖時間縮短到5～6 h，提高工作效率達5～10倍。

1.2 直觀

通過GC參數(shù)化建模，直接繪出灌漿體的立體圖，能直觀、全方位地展現(xiàn)超前預(yù)注漿設(shè)計的灌漿效果，可直觀地判斷鉆孔布置的合理性，簡化了計算環(huán)節(jié)；斷面的剖切及量測過程中，可直觀地獲得帷幕厚度等，判斷需增設(shè)鉆孔排數(shù)和孔數(shù)，整個設(shè)計過程直觀、明了。

1.3 精確、節(jié)省

通過對GC參數(shù)化建模生成的三維圖形的剖切，可精確找到需增設(shè)鉆孔排數(shù)的斷面位置和增加的孔數(shù)，通過對不同鉆孔布置方案的比較，可獲得鉆孔及灌漿工程量最小的方案，從而使超前預(yù)注漿的實施更為精確和節(jié)省，同時也縮短各注漿段實施的工期。

2 采用GC進行超前預(yù)注漿建模設(shè)計案例

2.1 工程概況

某工程輸水隧洞全長41.82 km，最大埋深約2 268 m；設(shè)計輸水流量70 m3/s，洞徑5.3 m，圓形斷面，無壓流，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌；進口底高程1 269 m，出口底高程1 195 m，縱坡1/565。

因隧洞沿線存在高外水（地下水位距隧洞底板的最大水頭高度約1 760 m）及富水?dāng)鄬訋挥克鹊刭|(zhì)風(fēng)險，超前預(yù)注漿成為穿越此類不良地質(zhì)洞段必不可少的手段。

2.2 采用GC進行超前預(yù)注漿設(shè)計過程

2.2.1 確定設(shè)計參數(shù)

利用柱形擴散公式確定漿液擴散半徑；根據(jù)折減后外水水頭和不同帷幕厚度下允許水力坡降試算來確定帷幕厚度。具體求法如式（1）、式（2）。再依據(jù)漿液擴散半徑和帷幕厚度來確定超前預(yù)注漿鉆孔孔數(shù)和排數(shù)等參數(shù)。

漿液擴散半徑基本公式：

式中 r——漿液擴散半徑，m；

k——灌漿前巖層的滲透系數(shù)，m/s；

t——在設(shè)計灌漿壓力下灌漿延續(xù)的時間，s；

h——灌漿壓力，m；

β——漿液黏度系數(shù)與水黏度系數(shù)之比，β=μs/μw，μs、μw分別為漿液黏度系數(shù)和水的黏度系數(shù)，Pa·s；r0——灌漿孔半徑，m；

n——巖層的孔隙率。

r值通過試算獲得，取最接近0.5的整數(shù)倍作為設(shè)計值。

帷幕厚度基本公式：

式中 T——帷幕厚度，m；

H——折減后外水水頭，m。

帷幕厚度向上取0.5 m的整數(shù)倍數(shù)。

2.2.2 參數(shù)化建模及模型分析

2.2.2.1 設(shè)置圖形變量

通過GC中Graph Vaviables命令將設(shè)計好的參數(shù)來設(shè)置圖形變量。

2.2.2.2 創(chuàng)建鉆孔終孔及開孔斷面的中心點

利用 GC 中 Create Node→Point→ ByCartesianCo?ordinates命令進行編輯生成超前預(yù)注漿鉆孔終孔及開孔斷面的中心點，見圖1。

圖1 創(chuàng)建點

2.2.2.3 生成注漿孔中心線

利用GC中Create Node→Line→ ByPoints命令進行編輯生成鉆孔中心線，也就是終孔及開孔斷面的中心點的連線，見圖2。

圖2 生成線

2.2.2.4 形成注漿體

利用GC中Create Node→Cone→ ByLines命令進行編輯生成注漿體，見圖3。

圖3 形成注漿體

2.2.2.5 模型分析

在ABD（AECOsim Building Designer）中對建好的模型進行斷面剖切，切出斷面測量其厚度，看是否能夠滿足灌漿帷幕厚度。如果不滿足，則需在GC里面調(diào)整參數(shù)（孔數(shù)及排數(shù)），再進行剖切分析，直到確定合理方案，見圖4、5。

圖4 ABD中剖切

圖5 剖切的斷面

整個建模過程就是從點到線，從線到體的過程，邏輯清晰，形成的注漿體直觀立體，便于分析，高效確定最終方案。

2.3 成果

以該工程Ⅱ標(biāo)Z2支洞鉆爆法施工段為例，進行超前預(yù)注漿設(shè)計。

通過計算確定預(yù)注漿基本參數(shù)：漿液擴散半徑3 m，帷幕厚度4 m，30 m灌漿段共布置4排孔，每排12孔，中心孔6孔。三維建模過程如圖1～5。利用三維直接剖切，形成超前預(yù)注漿鉆孔終孔布置圖及剖視圖，見圖6、7。

圖6 Ⅱ標(biāo)Z2支洞超前預(yù)注漿鉆孔終孔布置圖

圖7 Ⅱ標(biāo)Z2支洞A-A剖視圖

3 結(jié)語

自本方法開發(fā)以來，已采用GC參數(shù)化建模技術(shù)完成了某工程輸水隧洞工程土建Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ標(biāo)鉆爆法施工段超前預(yù)注漿鉆孔布置圖；在施工過程中能根據(jù)實際揭露的地質(zhì)條件，及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)設(shè)計對施工要求的快速反應(yīng)。