BIM技术在隧道岩层注浆用量计算中的应用

刘博文，张城瑞

（中交哈密交通建设有限公司，新疆 哈密 839000）

LIU Bo-wen,ZHANG Cheng-rui

（Hami Transportation Construction Co.Ltd.of CCCC,Hami839000,China）

1 概述

G575线巴里坤至哈密公路建设项目位于新疆维吾尔自治区哈密地区，是国家“一带一路”部署“丝绸之路大通道”及《国家公路网规划》的重要组成部分，也是自治区“五横七纵”路网布局中第五纵的重要组成路段。

项目控制性工程为东天山特长隧道，左洞全长11.767km，右洞全长11.775km，最大埋深1225m，为中交一公局集团有限公司在建公路第一长隧。

隧址区域断裂部位及其影响带岩体破碎，且基岩终年得到天山积雪融水补给，裂隙水丰富，计算隧道单洞最大涌水量约为36000m3/d，加之超长距离独头掘进带来的反坡排水、超长距离通风等一系列问题，给隧道施工带来了极大的难度和挑战。

东天山隧道右线K9+180～K9+235该段为Ⅴ级围岩，主要为晚更新统洪积粉质黏土，下伏基岩为凝灰质砂岩，受断层影响岩体极破碎。围岩稳定性差，隧道开挖后易产生大坍塌及冒顶，侧壁易塌腔。

本文通过对东天山隧道右洞富水段全断面预注浆处治设计方案进行分析，对比设计方案岩层注浆用量和采用BIM技术创建的三维注浆模型导出的注浆用量，推导出更为合理的岩层注浆用量计算方法[1]。

2 注浆用量的对比分析

2.1 东天山隧道右洞全断面帷幕注浆设计方案

东天山隧道右洞涌水设计方案注浆采用前进式注浆，套筒安装完成后，每钻进5～7m即开始注浆，注浆达到设计要求后开始下一段钻孔注浆；本循环长度30m（不含止浆墙），预留5m作为下一循环的止水岩盘。

全断面超前注浆设计参数如下：

①每循环设置90个孔，A1～A21号孔纵向孔深8m，环向注浆深度6m；B1～B21号孔纵向孔深18m，环向注浆深度6m；C1～C21、D1～D15、E1～E9、F1～F3号孔纵向孔深 30m，环向注浆深度 6m。

②注浆孔前段安设φ108×4mm套管，套管长度2m。

③套管段采用φ110mm钻头成孔，后续注浆段采用φ90mm钻头成孔。

④注浆加固范围为开挖轮廓线外6m，扩散半径R=2.0m。

全断面帷幕注浆示意如图1、图2所示。

2.2 设计方案岩层注浆计算

设计方案计算岩层注浆用量Q根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》浆液扩散半径及岩层裂隙率估算得：Q=πr2Hηβ。式中：

r——浆液扩散半径（m）；

H——压浆段长度（m）；

η——岩层裂隙率，可取1%～5%；

β——浆液裂隙内的有效填充系数，可取0.3～0.9，视围岩性质而定。

图1 全断面（帷幕）注浆立面示意图

图2 φ108孔口管布置图

通过隧道右洞全断面帷幕注浆设计方案，可以得到参数r=2m，根据围岩性质β统一取值0.5，η统一取值为5%。我们只需计算出总压浆长度便可以得出注浆用量Q。由于单孔注浆长度大部分不相同，我们还需要计算出每个孔的压浆长度。采用勾股定理进行计算能得到单孔压浆长度准确值。

A1孔压浆长度计算公式如下：

总压浆长度H：

注浆用量Q计算如下：

2.3 采用三维数字模型岩层注浆计算

由于浆液扩散半径为R=2m，注浆模型的绘制采用最为理想的注浆状态，即每次注浆形成一个长度不一半径为2m的圆柱+半径为2m的半球。模型的绘制采用Revit软件，首先创建A序孔、B序孔、C序孔、D序孔、E序孔、F序孔注浆构件，并设置好对应参数，使单孔注浆模型能在项目中根据不同角度、不同长度进行参变。

在三维绘制出不同类别注浆构件，形成一个重合部分自动扣减的三维注浆模型，并通过参数设置（r=2m，η=5%，β=0.5，Q=V三维模型体积×η×β）及明细表功能模块自动计算出总注浆用量，A1孔的压浆长度为10.56m，单根管注浆理论体积为149.52m3，注浆用量为3.74m3；A2孔的压浆长度为 10.56m，单根管注浆理论体积为116.82m3，注浆用量为2.92m3。通过模型自动计算得出A1孔压浆长度与设计方案计算得出的压浆长度一致，在压浆长度一致的情况下，A2孔注浆模型体积比A1孔注浆模型体积少32.7m3，即为模型重合部分自动扣减的体积，如图3所示。

图3 A1、A2孔注浆重合自动扣减模型

通过Revit明细表模块能直接得出总注浆用量752.79m3，如图4所示。

图4 三维注浆模型

2.4 对比分析

①设计方案参数取值

浆液扩散半径r值根据设计方案进行取值，取值有变化后需重新计算注浆用量Q值。

压浆段长度H值通过勾股定理进行计算。总的压浆长度H值由所有单孔压浆长度再进行求和，对比三维数字模型自动生成值完全一致。

岩层裂隙率η值根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》规范统一取1%～5%，与三维数字模型取值一致。

浆液裂隙内的有效填充系数β，可取0.3～0.9，视围岩性质而定，与三维数字模型参数取值一致。

注浆用量Q值根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》中岩层注浆用量公式Q=πr2Hηβ进行计算。

②三维数字模型参数取值

浆液扩散半径r值根据设计方案进行取值，通过三维模型参数设置，r值可以进行参变，对比同条件下不同r值注浆模型形状。视觉也更为直观。

压浆段长度H值由模型绘制完自动生成，对比设计方案计算值，完全一致。模型绘制完即自动生成压浆长度，比设计方案计算简单，且无人为计算误差，相较更为方便。

岩层裂隙率η值根据JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》规范统一取1%～5%，与设计方案取值一致。

浆液裂隙内的有效填充系数β，可取0.3～0.9，视围岩性质而定，与设计方案取值一致。

注浆用量Q值通过优化JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》中岩层注浆用量公式Q=V三维模型体积ηβ进行计算。

③对比分析

通过对比分析，我们发现在浆液扩散半径r、岩层裂隙率η、浆液裂隙内的有效填充系数β取值一致的情况下，三维数字模型自动计算出来的压浆长度H与设计方案计算值一致，但注浆用量Q值比设计方案计算得到的Q值小575.35m3，即偏差43.32%。这是因为三维注浆模型能自动扣除注浆重合的部分，而设计方案的计算方式并没有考虑每个孔重合的注浆量，或者可以说设计方案的计算方式根本无法扣减出注浆重合的注浆量，因此得到的注浆用量偏大。且使用三维数字模型计算隧道岩层注浆用量能参变浆液扩散半径r、自动计算压浆段长度H值。得到数值的方式更为便捷，能节省计算工作量，避免不必要的误差。

3 结论

现国内隧道岩层注浆用量计算依然采用JTG/T D70—2010《公路隧道设计细则》中岩层注浆用量公式Q=πr2Hηβ，由于此公式无法自动扣减计算出来的注浆用量重合的部分，导致计算出来的数值大大超过真实的注浆用量，计算出来的数值并不精准。使用三维数字模型进行隧道岩层注浆用量计算意义重大，不仅能简化设计方案注浆用量计算流程，避免人为计算产生的错误，更重要的是不用局限于规范中不完善的计算公式得出精准的注浆用量。为施工准备工作提供更为合理的参考值，建立正常的施工程序，使各种资源得到合理使用，避免不必要的浪费现象。