基于三维地质模型的特殊地质岩体加固方法研究

何昌杰，李建新，周芙蓉，曾 波，赵金国

(1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004； 2.中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410004)

1 工程概况

1.1 工程整体概况

工程位于湖南省长沙市岳麓区坪塘镇，主体结构坐落在山塘村—狮峰山地段的采石矿坑上，由矿坑壁岩承受结构水平作用力和竖向荷载。矿坑边坡岩石裸露，岩面破碎，顶部有黏土、杂填土覆盖(见图1)。

图1 矿坑原始地貌

1.2 岩土工程地质条件

场地原始地貌单元为湘江河流冲积堆积阶地，边坡岩体表面见裂隙性溶蚀风化现象。经地质勘察揭露，沿层面、裂隙及断层等结构面溶蚀风化现象较普遍，裂隙风化较发育，溶蚀填充现象普遍，结构面胶结物蚀变明显。

1.3 地层岩性特征

经地质钻探揭露，岩土层主要为土、砾～卵石、灰岩及溶蚀物，边坡岩体主要为灰岩。溶洞为无充填、半充填或全充填式。场地为岩溶中等发育区。

1.4 水文地质条件

场地深度范围内地下水主要为基岩裂隙水、孔隙潜水及上层滞水。

1.5 特殊岩土与不良地质

1)场地岩石节理、裂隙发育，节理面为方解石和石英充填，矿坑坡顶部局部因水作用沿裂隙岩溶发育形成溶蚀槽和溶蚀沟。

2)场地岩溶为浅埋型岩溶，规模较大，发育深度在地表下30m以内。溶沟、溶槽、溶洞等在标高-5.000～35.000m发育。

3)场地局部分布厚度约30m人工填土系采石场采石开挖堆填而成，密实度不均。

2 工艺流程

基于三维地质模型的破碎岩体加固施工方法，需经过收集地质数据创建三维地质模型、现场放样钻孔复核地质、优化并确定加固方案组织现场施工等工序，其具体工艺流程为：创建三维地质模型→转换设计坐标系→模型取点现场放样→现场钻探复核地质→确定加固方案、组织现场施工→加固信息录入、建立加固档案。

3 实施步骤

1)创建三维地质模型 根据地质勘察报告提供的各地层勘察数据，结合三维地质雷达对拟加固岩体扫描补充的岩体地质参数，再结合现场超前钻采集的地质数据进行复核修正。将补充完善且修正后的地质数据导入GOCAD软件按比例1∶1创建三维地质模型，提高三维地质建模的精准度。模型中显示各结构面、破碎带及溶洞的分布情况，同时附加各地层的地质参数，综合反映所需加固岩体的地质情况，将岩体内部地质情况可视化(见图2，3)。

图2 地质雷达扫描图像数据

图3 三维地质模型建立

2)转换设计坐标系 三维地质模型建立完成后，需进行一次坐标系的检查复核。若三维地质模型所采用的坐标系与施工图提供的坐标系不一致，则需将建立三维地质模型时采用的坐标系转换为设计图纸给定的坐标系，保证三维地质模型坐标系与施工图的坐标系一致。以此避免因坐标系不一致，导致现场实际地质与模型反映地质不一致，影响后续工作中作业人员的工作判断和施工技术及工艺的选择。同时，便于后续取点放样工作开展(见图4)。

图4 三维地质模型坐标转换

3)模型取点现场放样 结合三维地质模型反映的地质数据和地质勘察报告提供的地质勘察结论及建议，进行岩体加固设计，制订岩体加固方案，绘制岩体加固施工图。在施工图中提取加固孔位布置图，将岩体加固孔位布置图中反映的钻孔数据导入三维地质模型，结合岩体加固孔位和特殊地质边界确定地质复核钻孔位置。地质复核钻孔3个为1组，以地质边界钻孔为中心孔，地质边界内、外间距各3m，布置1个钻孔。每个特殊地质体沿地质边界线均匀布置3～4组地质复核钻孔。在三维地质模型中提取地质复核钻孔坐标，进行现场放样定点。放样坐标数据标识在现场并保护，标识数据中包括坐标数据、地表到地质模型中拟定特殊地质边界垂直距离以及各钻孔到地质模型中拟定特殊地质边界水平距离等，便于后续地质复核，判别特殊地质范围(见图5)。

图5 探孔放样

4)现场钻探复核地质 组织地质勘察队伍在点位上进行钻探取芯，并详细记录地层参数，具体操作标准参照GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》(2009年版)。将现场勘察的实际地质数据与三维地质模型反映的地质数据进行比对，复核地质情况。以三维地质模型为基础，结合现场实际勘察情况，综合分析判别特殊地质边界类型及岩体等级，明确特殊地质边界起止位置。若初始拟定的特殊地质边界外钻孔未能落在完整岩体上，则需向外延伸再次进行钻探，探孔间距为3m，以探孔落在完整岩体上为钻探停止依据。通过最新采集的地质数据再次修正三维地质模型。特殊地质边界内及边界上的钻孔孔径与岩体加固孔孔径一致，用于复核地质和加固岩体。特殊地质边界外钻孔采用标准地质钻孔孔径。钻探施工需穿过特殊地质，钻到完整岩体以下1m停止作业。地质复核钻探中发现新的地质情况及时反馈给勘察单位进行补勘，鉴别新的特殊地质边界，获取新的地质边界岩体参数，做到岩体加固不遗漏，避免无用加固，提高整体加固质量(见图6)。

图6 地质钻探

5)确定加固方案组织现场施工 根据现场钻探实测获取的更新的地质数据，及时反馈给岩体加固设计单位，并联动设计院动态优化调整岩体加固设计方案，确定加固工艺，细化特殊地质边界加固方案。对特殊地质段和特殊地质边界段分别制订加固方案，细化加固工艺。现场施工前，在三维地质模型上进行岩体加固施工模拟。首先模拟施工放样，再模拟施工工艺选取，最后模拟现场施工组织。通过模拟施工放样，在可视化的三维地质模型中提前识别拟加固岩体的地质情况，以此便于现场技术人员做出合理判断，选择合理施工工艺，以此保证做到技术先进、资源节约、经济合理、安全可靠。在施工工艺确定后，可提前进行资源组织、现场布置，缩短现场施工准备时间，以最快速度投入施工。基于多次修正的三维地质模型，可提高岩体内地质情况的识别度，较准确地判别地质情况，提高岩体加固精准度，避免加固遗漏，协调控制加固岩体变形，提高岩体整体加固效果。同时，依据三维地质模型可针对性地进行取点试验，检测加固质量，保证加固质量。

6)加固信息入模型，建立加固档案 岩体加固完成后及时将加固范围、加固标准、加固参数、加固时间、检测结论、作业班组等信息准确录入三维地质模型，建立岩体加固档案，便于后期施工管理。

4 工艺效果

基于三维地质模型的破碎岩体加固施工方法，将地质勘察报告、三维地质雷达及现场超前钻三者提供的地质数据进行补充完善且修正后导入GOCAD软件按1∶1比例创建三维地质模型，综合反映所需加固岩体的地质情况，结合地质勘察报告提供的地质勘察结论及建议，制订岩体加固方案。结合岩体加固方案的加固孔位合理布置地质复核孔位，钻芯取样复核地质，以三维地质模型为基础，结合现场实际勘察情况，综合分析判别特殊地质边界。联动设计院动态优化调整岩体加固方案，确定加固工艺，细化特殊地质边界加固方案。在三维地质模型上进行岩体加固施工模拟，可有针对性地组织现场施工，对特殊地质进行定点定范围加固，避免加固遗漏，提高岩体加固精准度，协调控制加固岩体变形，提高岩体整体加固效果，保证加固质量，又能做到经济合理、节约资源，达到国家绿色发展政策要求。

5 结语

1)将地质勘察报告、三维地质雷达及现场超前钻三者提供的地质数据进行补充完善且纠偏后导入GOCAD软件按1∶1比例创建三维地质模型，能综合反映所需加固岩体的地质情况。

2)以三维地质模型为基础，结合现场实际勘察情况，综合分析判别特殊地质边界类型及岩体等级，可明确特殊地质边界起止位置。

3)地质复核钻探中发现新的地质情况及时反馈给勘察单位进行补勘，鉴别新的特殊地质边界，获取新的地质边界岩体参数，并及时反馈给岩体加固设计单位，可联动设计院动态优化调整岩体加固设计方案，确定加固工艺，细化特殊地质边界加固方案。

4)现场施工前，在三维地质模型上进行岩体加固施工模拟，由此可提前进行组织资源和现场布置，缩短施工准备时间，加快施工进度。

5)基于三维地质模型的加固方法，可提高岩体加固精准度，协调控制加固岩体变形，提高岩体整体加固效果，保证加固质量。