三維地質信息模型在巖溶區橋梁樁基施工中的應用

陳源鋒

(廣西桂通工程管理集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

巖溶是水對可溶性巖石進行以化學溶蝕作用為主，流水沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱[1]。在我國，巖溶地貌主要分布于廣西、貴州、云南和四川四省。在宏觀上，巖溶發育具有一定規律性，但在微觀上，巖溶的形態、延伸及分布缺乏規律性，具體而言，巖溶發育區基巖面起伏大，凹凸不平；基巖中的溶洞和溶隙分布無序，形態奇特，極為復雜多變。

目前巖土工程勘察主要有鉆探和物探兩種方法。鉆探可以直接觀測巖芯，并據此判斷溶洞的發育層位，初步判斷溶洞內充填程度及充填物特征，卻無法反映溶洞的大小、形態及連通性。為查明地質體的空間分布情況，實際工程中多采用物探結合鉆探的方法，其中，物探主要采用跨孔彈性波CT物探和管波物探。跨孔彈性波CT物探可以準確預測漏斗、溶洞和基巖等地質體在兩個孔之間的斷面上的分布；管波物探可以提示鉆孔周邊1 m半徑內是否存在溶洞和裂隙的風險，但不能確定溶洞和裂隙的空間位置及分布[2]。

現有物探結合鉆探的方法，能提示鉆孔周邊是否存在溶洞和裂隙的風險，能滿足樁基的設計要求，但不能確定溶洞和裂隙的空間位置及分布，也不能直觀判斷基巖面的傾斜情況[3]。在巖溶發育區樁基成孔施工過程中，時常遇到勘察未揭示的溶洞，導致工作人員缺乏充足的應對措施，給橋梁和建筑的樁基施工帶來極大風險，容易發生偏孔、卡鉆、漏漿和塌孔等施工事故。目前，工程技術人員已經開始采用三維數字建模技術模擬巖溶的三維分布和連通情況，用于指導巖溶發育區樁基設計與施工[4-7]。

本文以鉆孔勘探數據為主，結合物探成果，采用空間插值法，建立三維地質信息模型，模擬地下溶洞分布及發育情況，并與樁基BIM模型進行融合，實現了巖溶發育可視化，避免二維圖紙所帶來的諸多不便和溝通誤區，達到了“所見即所得”的效果，便于了解溶洞與樁基交叉區域具體情況，使得樁基設計、成孔施工和混凝土灌注等所有過程都更加直觀。

1 三維地質建模

1.1 基本原理

巖溶發育區三維地質的描述需要X、Y、Z三個維度的地質信息。已知鉆孔處的平面坐標，鉆探數據又能提供鉆孔處豎直方向的地質信息，根據巖土工程勘察，即可獲知鉆孔勘察處X、Y、Z三個維度的地質信息。但若要對所有位置都能精確建模，需要十分密集的鉆探數據，工作量十分龐大。目前可行的辦法是借助少量的鉆孔數據，通過空間插值法來計算區域內任意位置的地質信息[8]。在進行層狀分布的巖土插值時，如覆蓋層、層狀分布的沉積巖等，可采用普通克里金法；在進行沒有規律性的巖溶信息插值時，則采用指示克里金法。

普通克里金法又稱空間局部插值法，是以變異函數理論和結構分析為基礎，在有限區域內對區域化變量進行無偏最優估計的一種方法。其實質是利用區域化變量的原始數據和變異函數的結構特點，對未知樣點進行線性無偏、最優估計。如果變異函數和結構分析的結果表明區域化變量存在空間相關性，則可以利用普通克里金法進行內插或外推，否則不可行。即普通克里金法適用于分層明顯、鉆孔地質數據簡單的地質模型，其優點在于創建的模型與實際地形擬合的程度較高，計算較為精確。

巖溶發育是水流在巖石間流動帶走巖石物質而引起的現象，在宏觀上具有一定的規律性，例如溶洞、裂隙、溶槽和半邊巖等巖溶發育產物的分布是具有空間相關性的，因此采用克里金法進行內插和外推具有一定的理論依據和數學基礎。但溶洞、裂隙、溶槽和半邊巖這些特殊的地質構造，分布具有空間屬性變異、不連續的特點，使用普通克里金法建模，誤差較大，需要引入指示克里金法。指示克里金法(Indicator Kriging)是一種非參數化的地質統計學方法，將對區域化變量的研究轉化為對其指示函數的研究，是普通克里金法的改進。和普通克里金法相比，指示克里金法不要求區域化變量滿足固有假設，允許實際存在于所研究地質區域中的特異值，直接獲得每個待估點的累積分布函數，構建出在一定風險條件下的概率地質模型[9]。

1.2 建模軟件的選擇

當前常用BIM建模軟件均有地質建模功能，如Autodesk公司開發的Revit軟件、Bentley公司開發的OpenRoads Designer軟件和南京庫侖公司的EVS軟件等。經過比選各軟件的功能，本文采用EVS軟件建立三維地質信息模型，采用OpenBridges Designer軟件建立樁基礎BIM模型，然后經過格式轉換將三維地質信息模型導入OpenBridges Designer軟件。在OpenBridges Designer軟件下將反映溶洞分布的三維地質信息模型和樁基礎的BIM模型在同一坐標系下合并，生成一個新的可直觀顯示工程樁、持力層和溶洞三者相對位置的立體三維模型。

1.3 模型的交叉驗證

三維地質信息模型所反映的地質信息是采用有限的勘察數據，通過空間插值獲得，并非真實的地質信息，因此需要進行驗證。本文采用交叉驗證方法，在給定的建模數據中，留1個鉆孔數據作為參考，將其余鉆孔數據用于建模，與所建立的立體三維BIM模型在相同位置的插值數據進行對比，并求出這1個鉆孔的勘察數據與模型插值數據的相對誤差。

2 工程實例

培森柳江特大橋是廣西賀州至巴馬高速公路(象州至來賓段)跨越柳江的特大橋，于來賓市象州縣象州鎮培森村附近跨越柳江。橋址區位于河流階地地貌，地形起伏大，地面高程為50～240 m。橋址區域地質情況十分復雜，基巖面起伏較大，巖溶發育強烈。如圖1所示，主墩采用群樁基礎，共24根樁基，樁基礎縱、橫向間距均為5 m。巖土工程勘察采用一樁一鉆孔，并采用跨孔彈性波CT物探測8個斷面的地質情況，探測后發現象州側主墩下有多層溶洞，分別為1-6、6-24、19-24、1-19、6-15、1-15、15-24和15-19。

為探究培森柳江特大橋象州側主墩下溶洞分布情況，采用本文方法，建立主墩處三維地質信息模型。由于該橋為群樁，鉆孔間距較小，只采用了鉆孔數據，采用EVS軟件建立三維地質信息模型，其中上層覆蓋層采用普通克里金法建模，溶洞采用指示克里金法建模，如圖2所示。從圖2可以看出，橋墩下面基巖內部溶洞容積大，且相互連通。

圖1 樁基平面布置圖(c m)

(a)圖例

(b)溶洞

(c)樁基

為驗證模型精度，依次取1根樁基勘察數據作為參考，以另外23根樁基勘察數據為基礎建立三維地質信息模型，與所建立模型在相同位置的插值數據進行對比并計算其中誤差，得出巖面標高標準差為0.95 m，每根樁基最大溶洞洞頂高程標準差為0.83 m，可以滿足工程需要。

將三維地質信息模型進行格式轉換導入OpenBridges Designer軟件，如圖2(b)所示。與樁基BIM模型融合，生成顯示樁基、溶洞和巖層的三維模型，如圖2(c)所示(為顯示清楚，僅顯示了1根樁基)。從圖2(c)中可以看出各根樁基下的溶洞相互連通，基巖表面起伏大，對樁基施工極其不利。若采用旋挖鉆機成孔或沖擊成孔，容易發生偏孔、混凝土超灌、卡錘等事故，而且施工工期也不可控，最終施工單位引進了全套管全回旋鉆機，雖然成本高于旋挖鉆機成孔或沖擊成孔，但施工過程沒有出現事故，確保了樁基礎順利完工。

3 討論

(1)當前巖溶發育區的巖土工程勘察采用物探結合鉆探的方法，常用物探方式有跨孔彈性波CT物探和管波物探。跨孔彈性波CT物探可反映兩個跨孔之間斷面上巖土層、溶洞及裂隙的分布，可在兩個跨孔之間斷面上取某一豎向地質信息，生成虛擬鉆孔信息，作為建立三維地質信息模型的地質信息，以提高模型的精度。管波物探可以準確預測鉆孔1 m半徑范圍內是否存在溶洞、裂隙等地質現象，但其成果不能用于三維地質信息建模。鉆探成果能確認鉆孔深度范圍內巖層分布和溶洞豎向分布，可直接用于三維地質信息模型。

(2)三維地質信息模型是通過空間插值算法計算建立的，從理論上講，鉆孔間距越小，通過插值法建立的三維地質信息模型精度就越高，尤其是針對溶洞。對群樁基礎而言，樁基間距小，為4.5～6 m，可直接用鉆孔數據建立三維地質信息模型，并且通過本文案例驗證，精度可滿足工程需要。而公路上常用于中小跨徑橋梁的排架樁基礎，樁基順橋向間距一般>20 m，橫橋向為6 m左右，順橋向間距一般大于溶洞尺寸，采用插值計算并不能模擬出有效的溶洞分布。

(3)針對公路上的排架樁基礎，可采用跨孔彈性波CT物探，測出孔間斷面的巖層和巖溶分布，作為建模數據。當跨度>30 m時，相鄰橋墩的跨孔彈性波CT物探已經不能保證精度，如經費允許，可在兩相鄰橋墩中間增加1～2個鉆孔，連同樁基勘探孔，通過跨孔彈性波CT物探，探測孔間地質信息，可滿足三維地質信息建模需要。當然，前提是確保跨孔彈性波CT物探結果的精度。

4 結語

巖溶發育區樁基礎施工風險高，成本不可控，而傳統的巖土工程勘查成果不能反映溶洞的分布規律和連通情況。基于巖土工程勘察數據，采用普通克里金法計算覆蓋層和規律的層狀巖層，采用指示克里金法計算溶洞空間分布，建立三維地質信息模型，可實現溶洞的可視化，對巖溶區樁基礎的施工有較好的指導作用。