基于三維地質模型的特殊地質巖體加固方法研究

何昌杰，李建新，周芙蓉，曾 波，趙金國

(1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004； 2.中建五局第三建設有限公司，湖南 長沙 410004)

1 工程概況

1.1 工程整體概況

工程位于湖南省長沙市岳麓區坪塘鎮，主體結構坐落在山塘村—獅峰山地段的采石礦坑上，由礦坑壁巖承受結構水平作用力和豎向荷載。礦坑邊坡巖石裸露，巖面破碎，頂部有黏土、雜填土覆蓋(見圖1)。

圖1 礦坑原始地貌

1.2 巖土工程地質條件

場地原始地貌單元為湘江河流沖積堆積階地，邊坡巖體表面見裂隙性溶蝕風化現象。經地質勘察揭露，沿層面、裂隙及斷層等結構面溶蝕風化現象較普遍，裂隙風化較發育，溶蝕填充現象普遍，結構面膠結物蝕變明顯。

1.3 地層巖性特征

經地質鉆探揭露，巖土層主要為土、礫～卵石、灰巖及溶蝕物，邊坡巖體主要為灰巖。溶洞為無充填、半充填或全充填式。場地為巖溶中等發育區。

1.4 水文地質條件

場地深度范圍內地下水主要為基巖裂隙水、孔隙潛水及上層滯水。

1.5 特殊巖土與不良地質

1)場地巖石節理、裂隙發育，節理面為方解石和石英充填，礦坑坡頂部局部因水作用沿裂隙巖溶發育形成溶蝕槽和溶蝕溝。

2)場地巖溶為淺埋型巖溶，規模較大，發育深度在地表下30m以內。溶溝、溶槽、溶洞等在標高-5.000～35.000m發育。

3)場地局部分布厚度約30m人工填土系采石場采石開挖堆填而成，密實度不均。

2 工藝流程

基于三維地質模型的破碎巖體加固施工方法，需經過收集地質數據創建三維地質模型、現場放樣鉆孔復核地質、優化并確定加固方案組織現場施工等工序，其具體工藝流程為：創建三維地質模型→轉換設計坐標系→模型取點現場放樣→現場鉆探復核地質→確定加固方案、組織現場施工→加固信息錄入、建立加固檔案。

3 實施步驟

1)創建三維地質模型 根據地質勘察報告提供的各地層勘察數據，結合三維地質雷達對擬加固巖體掃描補充的巖體地質參數，再結合現場超前鉆采集的地質數據進行復核修正。將補充完善且修正后的地質數據導入GOCAD軟件按比例1∶1創建三維地質模型，提高三維地質建模的精準度。模型中顯示各結構面、破碎帶及溶洞的分布情況，同時附加各地層的地質參數，綜合反映所需加固巖體的地質情況，將巖體內部地質情況可視化(見圖2，3)。

圖2 地質雷達掃描圖像數據

圖3 三維地質模型建立

2)轉換設計坐標系 三維地質模型建立完成后，需進行一次坐標系的檢查復核。若三維地質模型所采用的坐標系與施工圖提供的坐標系不一致，則需將建立三維地質模型時采用的坐標系轉換為設計圖紙給定的坐標系，保證三維地質模型坐標系與施工圖的坐標系一致。以此避免因坐標系不一致，導致現場實際地質與模型反映地質不一致，影響后續工作中作業人員的工作判斷和施工技術及工藝的選擇。同時，便于后續取點放樣工作開展(見圖4)。

圖4 三維地質模型坐標轉換

3)模型取點現場放樣 結合三維地質模型反映的地質數據和地質勘察報告提供的地質勘察結論及建議，進行巖體加固設計，制訂巖體加固方案，繪制巖體加固施工圖。在施工圖中提取加固孔位布置圖，將巖體加固孔位布置圖中反映的鉆孔數據導入三維地質模型，結合巖體加固孔位和特殊地質邊界確定地質復核鉆孔位置。地質復核鉆孔3個為1組，以地質邊界鉆孔為中心孔，地質邊界內、外間距各3m，布置1個鉆孔。每個特殊地質體沿地質邊界線均勻布置3～4組地質復核鉆孔。在三維地質模型中提取地質復核鉆孔坐標，進行現場放樣定點。放樣坐標數據標識在現場并保護，標識數據中包括坐標數據、地表到地質模型中擬定特殊地質邊界垂直距離以及各鉆孔到地質模型中擬定特殊地質邊界水平距離等，便于后續地質復核，判別特殊地質范圍(見圖5)。

圖5 探孔放樣

4)現場鉆探復核地質 組織地質勘察隊伍在點位上進行鉆探取芯，并詳細記錄地層參數，具體操作標準參照GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》(2009年版)。將現場勘察的實際地質數據與三維地質模型反映的地質數據進行比對，復核地質情況。以三維地質模型為基礎，結合現場實際勘察情況，綜合分析判別特殊地質邊界類型及巖體等級，明確特殊地質邊界起止位置。若初始擬定的特殊地質邊界外鉆孔未能落在完整巖體上，則需向外延伸再次進行鉆探，探孔間距為3m，以探孔落在完整巖體上為鉆探停止依據。通過最新采集的地質數據再次修正三維地質模型。特殊地質邊界內及邊界上的鉆孔孔徑與巖體加固孔孔徑一致，用于復核地質和加固巖體。特殊地質邊界外鉆孔采用標準地質鉆孔孔徑。鉆探施工需穿過特殊地質，鉆到完整巖體以下1m停止作業。地質復核鉆探中發現新的地質情況及時反饋給勘察單位進行補勘，鑒別新的特殊地質邊界，獲取新的地質邊界巖體參數，做到巖體加固不遺漏，避免無用加固，提高整體加固質量(見圖6)。

圖6 地質鉆探

5)確定加固方案組織現場施工 根據現場鉆探實測獲取的更新的地質數據，及時反饋給巖體加固設計單位，并聯動設計院動態優化調整巖體加固設計方案，確定加固工藝，細化特殊地質邊界加固方案。對特殊地質段和特殊地質邊界段分別制訂加固方案，細化加固工藝。現場施工前，在三維地質模型上進行巖體加固施工模擬。首先模擬施工放樣，再模擬施工工藝選取，最后模擬現場施工組織。通過模擬施工放樣，在可視化的三維地質模型中提前識別擬加固巖體的地質情況，以此便于現場技術人員做出合理判斷，選擇合理施工工藝，以此保證做到技術先進、資源節約、經濟合理、安全可靠。在施工工藝確定后，可提前進行資源組織、現場布置，縮短現場施工準備時間，以最快速度投入施工。基于多次修正的三維地質模型，可提高巖體內地質情況的識別度，較準確地判別地質情況，提高巖體加固精準度，避免加固遺漏，協調控制加固巖體變形，提高巖體整體加固效果。同時，依據三維地質模型可針對性地進行取點試驗，檢測加固質量，保證加固質量。

6)加固信息入模型，建立加固檔案 巖體加固完成后及時將加固范圍、加固標準、加固參數、加固時間、檢測結論、作業班組等信息準確錄入三維地質模型，建立巖體加固檔案，便于后期施工管理。

4 工藝效果

基于三維地質模型的破碎巖體加固施工方法，將地質勘察報告、三維地質雷達及現場超前鉆三者提供的地質數據進行補充完善且修正后導入GOCAD軟件按1∶1比例創建三維地質模型，綜合反映所需加固巖體的地質情況，結合地質勘察報告提供的地質勘察結論及建議，制訂巖體加固方案。結合巖體加固方案的加固孔位合理布置地質復核孔位，鉆芯取樣復核地質，以三維地質模型為基礎，結合現場實際勘察情況，綜合分析判別特殊地質邊界。聯動設計院動態優化調整巖體加固方案，確定加固工藝，細化特殊地質邊界加固方案。在三維地質模型上進行巖體加固施工模擬，可有針對性地組織現場施工，對特殊地質進行定點定范圍加固，避免加固遺漏，提高巖體加固精準度，協調控制加固巖體變形，提高巖體整體加固效果，保證加固質量，又能做到經濟合理、節約資源，達到國家綠色發展政策要求。

5 結語

1)將地質勘察報告、三維地質雷達及現場超前鉆三者提供的地質數據進行補充完善且糾偏后導入GOCAD軟件按1∶1比例創建三維地質模型，能綜合反映所需加固巖體的地質情況。

2)以三維地質模型為基礎，結合現場實際勘察情況，綜合分析判別特殊地質邊界類型及巖體等級，可明確特殊地質邊界起止位置。

3)地質復核鉆探中發現新的地質情況及時反饋給勘察單位進行補勘，鑒別新的特殊地質邊界，獲取新的地質邊界巖體參數，并及時反饋給巖體加固設計單位，可聯動設計院動態優化調整巖體加固設計方案，確定加固工藝，細化特殊地質邊界加固方案。

4)現場施工前，在三維地質模型上進行巖體加固施工模擬，由此可提前進行組織資源和現場布置，縮短施工準備時間，加快施工進度。

5)基于三維地質模型的加固方法，可提高巖體加固精準度，協調控制加固巖體變形，提高巖體整體加固效果，保證加固質量。