基于BIM和Modflow的隧道涌水量預(yù)測(cè)研究

王璐瑋

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

公路工程項(xiàng)目的建設(shè)，尤其是隧道工程的開(kāi)工建設(shè)，難免會(huì)對(duì)隧址區(qū)水環(huán)境造成影響，隧道涌水對(duì)隧址區(qū)地下水的影響尤為顯著。因此，需要對(duì)隧道涌水量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，以保證隧道的順利施工[1]。通過(guò)數(shù)值模擬分析軟件Modflow對(duì)隧址區(qū)地下水進(jìn)行分析，進(jìn)而模擬計(jì)算隧道涌水，其原理是通過(guò)區(qū)域水均衡對(duì)隧址區(qū)地下水分布進(jìn)行模擬分析，通過(guò)對(duì)參數(shù)的不斷反饋修正精準(zhǔn)預(yù)測(cè)地下水分布情況，再通過(guò)添加排水溝邊界的方式模擬隧道排水，得到隧道涌水量。

然而該軟件對(duì)地形、地質(zhì)模型處理能力非常局限，需要行之有效的方法來(lái)先進(jìn)行隧址區(qū)地質(zhì)模型的建立。筆者采取了BIM技術(shù)進(jìn)行Modflow軟件的數(shù)據(jù)處理，提出了基于隧址區(qū)地質(zhì)BIM模型的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法。實(shí)踐證明，該方法開(kāi)展的隧址區(qū)地質(zhì)BIM模型構(gòu)建方法研究及基于上述研究而提出的隧道涌水量預(yù)測(cè)可作為重要的輔助手段，能夠提高工程建設(shè)質(zhì)量和安全，提升隧道工程建設(shè)品質(zhì)。

1 隧址區(qū)概況

計(jì)算區(qū)域水文地質(zhì)具有以下特點(diǎn)：a）隧址區(qū)山體陡峻，起伏變化較大，地形破碎，地貌復(fù)雜多變；植被覆蓋茂密，巖體出露總體較差，巖體露頭不足隧址區(qū)面積20%；隧道圍巖由元古界-太古界變質(zhì)巖組成，巖性復(fù)雜多變；區(qū)域范圍巖漿活動(dòng)較為強(qiáng)烈，區(qū)域變質(zhì)程度較高；洞體穿越蘆芽山-赤堅(jiān)嶺梭形褶皺構(gòu)造帶，隧址范圍內(nèi)斷裂褶皺構(gòu)造發(fā)育；隧道洞身長(zhǎng)，埋深大；b）隧道走向與圍巖巖層走向近于垂直正交，隧道進(jìn)出口及洞身左右兩側(cè)大型侵蝕沖溝發(fā)育且溝谷內(nèi)巖體出露較為連續(xù)。c）隧址區(qū)總屬黃河流域，隧道自進(jìn)口至出口段地表水系包括晉西入黃的蔚汾河水系和汾河中上游段嵐河水系，與隧道有關(guān)的河流有嵐河支流上明河、蔚汾河源頭水溝子河、蔚汾河支流嵐尾河。d）分布于隧道周邊范圍內(nèi)的地下水主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、碎屑巖類裂隙水、變質(zhì)巖類裂隙水、構(gòu)造裂隙水等。e）研究區(qū)屬溫帶大陸季風(fēng)性氣候，高山峽谷間溫差懸殊，表現(xiàn)特征為山高風(fēng)勁，春季干旱多風(fēng)升溫較快，氣溫較低，夏季短暫溫涼多雨，秋季多陰雨天，晝夜溫差較大，無(wú)霜期短，冬季少雪干冷，多晴朗天；區(qū)域內(nèi)年平均氣溫6.3℃～11℃，年平均降雨量約625 mm，以偏南風(fēng)為主，全年無(wú)霜期170～180 d，凍土深度100～130 cm。

2 地質(zhì)BIM模型建立

對(duì)地形圖、鉆孔數(shù)據(jù)、物探成果進(jìn)行梳理，并添加在Civil 3D中建立的空白曲面中，形成不規(guī)則三角形（TIN）網(wǎng)格曲面，分別模擬不同地質(zhì)的頂部曲面，即為初始地層界面TIN網(wǎng)格模型。用幾何自適應(yīng)方法對(duì)初始地層界面TIN網(wǎng)格模型進(jìn)行非線性插值光滑處理，得到最終地層界面TIN網(wǎng)格模型，如圖1。

圖1 地層界面TIN網(wǎng)格模型

在Civil 3D建立點(diǎn)集，自動(dòng)讀取TIN三角網(wǎng)格模型各個(gè)頂點(diǎn)的空間信息，并將包含空間信息的海量點(diǎn)集數(shù)據(jù)以CSV格式按照不同地層界面分別導(dǎo)出、保存，形成可被Modflow識(shí)別、讀取、應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

3 水文地質(zhì)概念模型的建立

在Modflow建立項(xiàng)目，確定影響半徑并添加隧址區(qū)計(jì)算邊界，將在Civil 3D中處理好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入生成地層曲面，對(duì)不同條件的地質(zhì)進(jìn)行賦值，包括滲透系數(shù)、孔隙率、入滲系數(shù)、影響范圍內(nèi)河流流量或水位等。基于以上條件生成隧址區(qū)水文地質(zhì)模型，進(jìn)行地下水模擬分析，其原理是對(duì)上述水文地質(zhì)模型進(jìn)行分割，用有限的、離散的微單元體代替連續(xù)的地下水滲流場(chǎng)，用代數(shù)方程求解得到某一時(shí)刻的地下水位。

3.1 模型參數(shù)選取及條件邊界概化

根據(jù)隧道施工影響范圍、隧址區(qū)存在的定流量、定水頭邊界等條件，確定隧址區(qū)水文地質(zhì)模型范圍（X：533 550～548 850 m，Y：4 242 000～4 250 150 m，Z：1 100～2 195 m）。隧道施工的影響范圍利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，得出影響范圍半徑為90 m。

概化邊界條件并確定類型，對(duì)隧址區(qū)存在的地質(zhì)斷裂帶、分水嶺、不透水層、河流、湖泊等進(jìn)行建模和賦值，按照水頭一定、流量已知、水頭和流量存在線性關(guān)系將其分為3類邊界[2]。

通過(guò)水文地質(zhì)報(bào)告、巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)等確定隧址區(qū)地層性質(zhì)并進(jìn)行滲透系數(shù)選取和賦值。

依據(jù)勘測(cè)數(shù)據(jù)中鉆孔資料設(shè)置觀測(cè)井孔口及底板高程、監(jiān)測(cè)水位等數(shù)據(jù)。

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 建立初始滲流場(chǎng)

根據(jù)Civil 3D導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立隧址區(qū)地質(zhì)概念模型（如圖2），對(duì)水文地質(zhì)性質(zhì)不同的區(qū)域分別賦值，并將其進(jìn)行離散形成差分網(wǎng)格（如圖3），以10個(gè)水文年為計(jì)算年限，在初始滲流場(chǎng)階段不考慮隧道開(kāi)挖，即不設(shè)置排水溝邊界，把地表、空氣及地下水量的交換作為補(bǔ)給條件，添加邊界條件。用穩(wěn)定流對(duì)隧址區(qū)地下水流態(tài)以穩(wěn)定流進(jìn)行模擬計(jì)算，當(dāng)運(yùn)行結(jié)果收斂，且滿足校驗(yàn)條件，該滲流場(chǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果就可作為隧址區(qū)在隧道施工前的初始水位。

圖2 概念模型

圖3 差分網(wǎng)格

計(jì)算完成隧址區(qū)初始滲流場(chǎng)，如圖4。

圖4 初始滲流場(chǎng)

3.2.2 初始滲流場(chǎng)校驗(yàn)

在初始滲流場(chǎng)建立完成并模擬計(jì)算之后，需要對(duì)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，其原理遵循地下水均衡的原則。還需要遵循模擬計(jì)算水位與實(shí)際水位盡量一致的原則，將模型模擬計(jì)算結(jié)果在觀測(cè)井位置的水位與鉆孔數(shù)據(jù)中的初始水位或各地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位進(jìn)行比較，以此為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行反饋修正[3]。

各觀測(cè)井觀測(cè)水位和計(jì)算水位見(jiàn)表1。

表1 水位模型誤差對(duì)照表

由于該隧道為特長(zhǎng)隧道，導(dǎo)致研究區(qū)域面積較大，用于計(jì)算隧址區(qū)地下水的資料收集困難、數(shù)據(jù)不足，但考慮到隧址區(qū)地勢(shì)起伏較大，地質(zhì)條件復(fù)雜等情況，同時(shí)結(jié)合觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比對(duì)，可認(rèn)為該模型的模擬結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確地描述隧址區(qū)地下水滲流場(chǎng)，能夠用來(lái)進(jìn)行隧道涌水量模擬計(jì)算。

3.3 建立排水模型及涌水量預(yù)測(cè)

對(duì)初始滲流場(chǎng)進(jìn)行校驗(yàn)、參數(shù)反饋修正得到的結(jié)果作為隧道涌水量計(jì)算的初始條件。

在隧址區(qū)水文地質(zhì)模型中添加Drain（排水溝邊界），概化模擬隧道。

按照隧道工期4年，采用雙洞同時(shí)從起終點(diǎn)開(kāi)始施工的方式將Drain邊界分為16段，并按照從兩側(cè)洞口處向中間開(kāi)挖的方法將Drain邊界添加進(jìn)概念模型中，用上述同樣的方法對(duì)模型進(jìn)行離散生成數(shù)字模型，并結(jié)合初始滲流場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行非穩(wěn)定流模擬，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 水均衡分析

在圖5中，分別得到了4個(gè)施工階段的隧址區(qū)地下水流入與流出的水量，其中Drain表示隧址區(qū)地下水通過(guò)隧道進(jìn)行的水量交換，即涌水量。

4 方法比選

將軟件預(yù)測(cè)結(jié)果與目前常用方法水平巷道法以及施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況作比較，見(jiàn)表2。

表2 隧道涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果比較

通過(guò)比較可以看出，運(yùn)用該方法對(duì)該隧道涌水量的預(yù)測(cè)結(jié)果比水平巷道法更為接近現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，偏差可接受。在計(jì)算過(guò)程中也得到了預(yù)測(cè)更為精準(zhǔn)的方法，即在從勘察設(shè)計(jì)到施工建設(shè)完成整個(gè)階段根據(jù)超前地質(zhì)報(bào)告和施工中出現(xiàn)的與設(shè)計(jì)不符的情況對(duì)模型進(jìn)行不斷的反饋修正，實(shí)現(xiàn)水文地質(zhì)模型參數(shù)更貼近實(shí)際狀況，保證隧道涌水量預(yù)測(cè)效果。

綜上所述，水文地質(zhì)模型基本上能夠比較準(zhǔn)確地反映隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件，基于BIM和Modflow的隧道涌水量預(yù)測(cè)方法可以作為預(yù)測(cè)涌水量的一種有效手段，能夠充分發(fā)揮BIM技術(shù)在隧道涌水量計(jì)算中的優(yōu)勢(shì)，繼而進(jìn)行隧道防排水方案優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)資源極大化利用，提高安全保障，減少工程費(fèi)用損失，提高施工效率，保證施工進(jìn)度，更好適應(yīng)公路工程建設(shè)“提質(zhì)、降本、增效”總要求；可作為公路隧道提高工程建設(shè)質(zhì)量、安全和建設(shè)品質(zhì)的關(guān)鍵一環(huán)。