三维地质信息模型在岩溶区桥梁桩基施工中的应用

陈源锋

(广西桂通工程管理集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

岩溶是水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为主，流水冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称[1]。在我国，岩溶地貌主要分布于广西、贵州、云南和四川四省。在宏观上，岩溶发育具有一定规律性，但在微观上，岩溶的形态、延伸及分布缺乏规律性，具体而言，岩溶发育区基岩面起伏大，凹凸不平；基岩中的溶洞和溶隙分布无序，形态奇特，极为复杂多变。

目前岩土工程勘察主要有钻探和物探两种方法。钻探可以直接观测岩芯，并据此判断溶洞的发育层位，初步判断溶洞内充填程度及充填物特征，却无法反映溶洞的大小、形态及连通性。为查明地质体的空间分布情况，实际工程中多采用物探结合钻探的方法，其中，物探主要采用跨孔弹性波CT物探和管波物探。跨孔弹性波CT物探可以准确预测漏斗、溶洞和基岩等地质体在两个孔之间的断面上的分布；管波物探可以提示钻孔周边1 m半径内是否存在溶洞和裂隙的风险，但不能确定溶洞和裂隙的空间位置及分布[2]。

现有物探结合钻探的方法，能提示钻孔周边是否存在溶洞和裂隙的风险，能满足桩基的设计要求，但不能确定溶洞和裂隙的空间位置及分布，也不能直观判断基岩面的倾斜情况[3]。在岩溶发育区桩基成孔施工过程中，时常遇到勘察未揭示的溶洞，导致工作人员缺乏充足的应对措施，给桥梁和建筑的桩基施工带来极大风险，容易发生偏孔、卡钻、漏浆和塌孔等施工事故。目前，工程技术人员已经开始采用三维数字建模技术模拟岩溶的三维分布和连通情况，用于指导岩溶发育区桩基设计与施工[4-7]。

本文以钻孔勘探数据为主，结合物探成果，采用空间插值法，建立三维地质信息模型，模拟地下溶洞分布及发育情况，并与桩基BIM模型进行融合，实现了岩溶发育可视化，避免二维图纸所带来的诸多不便和沟通误区，达到了“所见即所得”的效果，便于了解溶洞与桩基交叉区域具体情况，使得桩基设计、成孔施工和混凝土灌注等所有过程都更加直观。

1 三维地质建模

1.1 基本原理

岩溶发育区三维地质的描述需要X、Y、Z三个维度的地质信息。已知钻孔处的平面坐标，钻探数据又能提供钻孔处竖直方向的地质信息，根据岩土工程勘察，即可获知钻孔勘察处X、Y、Z三个维度的地质信息。但若要对所有位置都能精确建模，需要十分密集的钻探数据，工作量十分庞大。目前可行的办法是借助少量的钻孔数据，通过空间插值法来计算区域内任意位置的地质信息[8]。在进行层状分布的岩土插值时，如覆盖层、层状分布的沉积岩等，可采用普通克里金法；在进行没有规律性的岩溶信息插值时，则采用指示克里金法。

普通克里金法又称空间局部插值法，是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法。其实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未知样点进行线性无偏、最优估计。如果变异函数和结构分析的结果表明区域化变量存在空间相关性，则可以利用普通克里金法进行内插或外推，否则不可行。即普通克里金法适用于分层明显、钻孔地质数据简单的地质模型，其优点在于创建的模型与实际地形拟合的程度较高，计算较为精确。

岩溶发育是水流在岩石间流动带走岩石物质而引起的现象，在宏观上具有一定的规律性，例如溶洞、裂隙、溶槽和半边岩等岩溶发育产物的分布是具有空间相关性的，因此采用克里金法进行内插和外推具有一定的理论依据和数学基础。但溶洞、裂隙、溶槽和半边岩这些特殊的地质构造，分布具有空间属性变异、不连续的特点，使用普通克里金法建模，误差较大，需要引入指示克里金法。指示克里金法(Indicator Kriging)是一种非参数化的地质统计学方法，将对区域化变量的研究转化为对其指示函数的研究，是普通克里金法的改进。和普通克里金法相比，指示克里金法不要求区域化变量满足固有假设，允许实际存在于所研究地质区域中的特异值，直接获得每个待估点的累积分布函数，构建出在一定风险条件下的概率地质模型[9]。

1.2 建模软件的选择

当前常用BIM建模软件均有地质建模功能，如Autodesk公司开发的Revit软件、Bentley公司开发的OpenRoads Designer软件和南京库仑公司的EVS软件等。经过比选各软件的功能，本文采用EVS软件建立三维地质信息模型，采用OpenBridges Designer软件建立桩基础BIM模型，然后经过格式转换将三维地质信息模型导入OpenBridges Designer软件。在OpenBridges Designer软件下将反映溶洞分布的三维地质信息模型和桩基础的BIM模型在同一坐标系下合并，生成一个新的可直观显示工程桩、持力层和溶洞三者相对位置的立体三维模型。

1.3 模型的交叉验证

三维地质信息模型所反映的地质信息是采用有限的勘察数据，通过空间插值获得，并非真实的地质信息，因此需要进行验证。本文采用交叉验证方法，在给定的建模数据中，留1个钻孔数据作为参考，将其余钻孔数据用于建模，与所建立的立体三维BIM模型在相同位置的插值数据进行对比，并求出这1个钻孔的勘察数据与模型插值数据的相对误差。

2 工程实例

培森柳江特大桥是广西贺州至巴马高速公路(象州至来宾段)跨越柳江的特大桥，于来宾市象州县象州镇培森村附近跨越柳江。桥址区位于河流阶地地貌，地形起伏大，地面高程为50～240 m。桥址区域地质情况十分复杂，基岩面起伏较大，岩溶发育强烈。如图1所示，主墩采用群桩基础，共24根桩基，桩基础纵、横向间距均为5 m。岩土工程勘察采用一桩一钻孔，并采用跨孔弹性波CT物探测8个断面的地质情况，探测后发现象州侧主墩下有多层溶洞，分别为1-6、6-24、19-24、1-19、6-15、1-15、15-24和15-19。

为探究培森柳江特大桥象州侧主墩下溶洞分布情况，采用本文方法，建立主墩处三维地质信息模型。由于该桥为群桩，钻孔间距较小，只采用了钻孔数据，采用EVS软件建立三维地质信息模型，其中上层覆盖层采用普通克里金法建模，溶洞采用指示克里金法建模，如图2所示。从图2可以看出，桥墩下面基岩内部溶洞容积大，且相互连通。

图1 桩基平面布置图(c m)

(a)图例

(b)溶洞

(c)桩基

为验证模型精度，依次取1根桩基勘察数据作为参考，以另外23根桩基勘察数据为基础建立三维地质信息模型，与所建立模型在相同位置的插值数据进行对比并计算其中误差，得出岩面标高标准差为0.95 m，每根桩基最大溶洞洞顶高程标准差为0.83 m，可以满足工程需要。

将三维地质信息模型进行格式转换导入OpenBridges Designer软件，如图2(b)所示。与桩基BIM模型融合，生成显示桩基、溶洞和岩层的三维模型，如图2(c)所示(为显示清楚，仅显示了1根桩基)。从图2(c)中可以看出各根桩基下的溶洞相互连通，基岩表面起伏大，对桩基施工极其不利。若采用旋挖钻机成孔或冲击成孔，容易发生偏孔、混凝土超灌、卡锤等事故，而且施工工期也不可控，最终施工单位引进了全套管全回旋钻机，虽然成本高于旋挖钻机成孔或冲击成孔，但施工过程没有出现事故，确保了桩基础顺利完工。

3 讨论

(1)当前岩溶发育区的岩土工程勘察采用物探结合钻探的方法，常用物探方式有跨孔弹性波CT物探和管波物探。跨孔弹性波CT物探可反映两个跨孔之间断面上岩土层、溶洞及裂隙的分布，可在两个跨孔之间断面上取某一竖向地质信息，生成虚拟钻孔信息，作为建立三维地质信息模型的地质信息，以提高模型的精度。管波物探可以准确预测钻孔1 m半径范围内是否存在溶洞、裂隙等地质现象，但其成果不能用于三维地质信息建模。钻探成果能确认钻孔深度范围内岩层分布和溶洞竖向分布，可直接用于三维地质信息模型。

(2)三维地质信息模型是通过空间插值算法计算建立的，从理论上讲，钻孔间距越小，通过插值法建立的三维地质信息模型精度就越高，尤其是针对溶洞。对群桩基础而言，桩基间距小，为4.5～6 m，可直接用钻孔数据建立三维地质信息模型，并且通过本文案例验证，精度可满足工程需要。而公路上常用于中小跨径桥梁的排架桩基础，桩基顺桥向间距一般>20 m，横桥向为6 m左右，顺桥向间距一般大于溶洞尺寸，采用插值计算并不能模拟出有效的溶洞分布。

(3)针对公路上的排架桩基础，可采用跨孔弹性波CT物探，测出孔间断面的岩层和岩溶分布，作为建模数据。当跨度>30 m时，相邻桥墩的跨孔弹性波CT物探已经不能保证精度，如经费允许，可在两相邻桥墩中间增加1～2个钻孔，连同桩基勘探孔，通过跨孔弹性波CT物探，探测孔间地质信息，可满足三维地质信息建模需要。当然，前提是确保跨孔弹性波CT物探结果的精度。

4 结语

岩溶发育区桩基础施工风险高，成本不可控，而传统的岩土工程勘查成果不能反映溶洞的分布规律和连通情况。基于岩土工程勘察数据，采用普通克里金法计算覆盖层和规律的层状岩层，采用指示克里金法计算溶洞空间分布，建立三维地质信息模型，可实现溶洞的可视化，对岩溶区桩基础的施工有较好的指导作用。