轨道交通项目

(一)项目背景:

       本工程项目位于广州市,工程平面图如图1所示。工程全长4.348km,其中隧道总长3.474km。根据广州市区域地质图,道路沿线存在2条对线路影响较大的断层,盾构施工应特别注意。隧道盾构管片外径达14.5m,为广州地区拟建的最大盾构隧道,且隧道两穿珠江,运营期结构将承受较大的水土压力。若盲目加强支护参数,增加辅助施工措施,势必会造成经济成本增大和工期延长。

图1 工程平面图

 

       为达到本次勘察任务的目标及要求,采用表1所示的综合勘察解决方案。

表1 综合勘察解决方案

 

(二)项目成果:

       利用秉睦地质三维建模与分析系统(BM_GeoModeler)作为精细地质BIM建模软件。该软件采用国际先进的离散光滑插值算法,能够实现任意地质体快速建模,尤其在复杂地质建模更能凸显其优势;同时,采用基于空间离散拓扑关系数据结构和图形、数据一体化架构技术,构建出携带属性信息的三维地质模型,即地质BIM模型。

       建模数据多源是隧道工程的最大特点,模型构建的关键是将这些数据有效地融合以提高模型的精度和可靠性。首先统一钻探、物探、地质调绘等建模资料,构建勘察资料数据库;其次以高精度钻孔分层数据为精确约束构建初始地质界面,以物探解译资料作为模糊约束并考虑地质体的三维空间分布,调整无钻孔约束位置的地层形态,实现不同精度和多源数据之间有效融合;最后,赋予场地地层相关岩土设计参数,实现真正意义上的地质BIM模型。

  • 2.1 地质BIM建模成果
    1. 1地层及透镜体建模;

      图2 地层及透镜体模型

    2.  

    3. 2断裂带、裂隙发育区及盾构模型建模;

      图3 断裂带、裂隙发育区及盾构模型

    4.  

  • 2.2 地质BIM模型应用及分析
    1. 1)岩土施工工程分级:根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307-2012)附录F,对揭露的岩土层进行施工工程分级,分级结果如图所示。

      图4 岩土施工工程分级

    2.  

    3. 2)隧道围岩综合分级;

      表2 围岩综合分级

      图5 盾构穿过的地层示意图

    4.  

    5. 3)断裂带分析;

      本次物探勘察采用了陆域反射波法、水域反射波法、微动探测法、等值反磁通瞬变电磁法、浅水域拖曳式瞬变电磁法、面波CMP 法进行综合勘探,基本查明勘察范围内地层分层、断裂构造发育特征以及基岩裂隙发育区,隧道洞穿该区域围岩可能较为破碎,并可能为地下水活动可能提供良好通道,隧道施工时应加强重视。

      表3 断裂带及裂隙发育区分布

      图6 钻孔揭露的断裂破碎带

      图7 断裂面及裂隙发育区示意图

    6.  

    7. 4)与主流结构BIM平台接口。实现地质BIM模型的信息无损传递。

      图8 地质BIM模型与结构BIM平台接口

    8.  

  • 2.3 隧道施工应注意的地质条件造成的风险
    1. 1)重点考虑软土层及可液化砂层的不利影响。盾构起始和终点段部分通过可液化砂层,且砂层厚度较大,砂层承压水对施工具有重大影响。对于采用矿山法的联络通道,开挖前应对软土层和可液化砂层进行地基处理加固,开挖过程中应防止水土流失,避免塌方。
    2. 2)针对隧道盾构穿越断层地段,隧道施工应加强支护及预防地下水。适当降低围岩设计等级,做好防护措施,以免基岩顶板过薄引起塌落等事故。
    3.  
  • 2.4 基于地质BIM的超前预报探测

           隧道施工能否顺利安全、围岩能否稳定取决于隧道开挖的地质体及其结构形式和施工方法,所以在大多数长隧道工程都要求做到先预报再开挖,在建立隧道施工过程的信息系统时,不仅要可以将隧道结构模型可视化,而且要将地质BIM模型正确可靠地反映与表达出来。

           超前预报中距离预报一般为15~30 米,超前预报距离大于50米的长距离预报,通常都在开挖面上用物探方法完成,与施工同步进行,具备BIM分析推演的可行性且适宜与BIM结合。超前地质预报与地质BIM结合可以实现记录地质预报工作的完成情况和传递预报结果,当接近不良地质,如隧道内发现较严重渗漏水时,短距离地段进行精确专项探测预报。成灾地质预报可以将在设计阶段获得的地质BIM模型在施工阶段需要进一步的细化,积累数据并不断的研究判断当前的地质数据。

    图9 施工期模型快速更新

  •  

     

           超前地质预报涉及到大量的地球物理正反演计算。正演第一步即为建立初始地质模型。该地质模型包含地质体的赋存状态(形状、产状、空间位置)和物性参数(密度、磁性、电性、弹性、速度等)。正演作为反演的基础,在地球物理数据处理中扮演者举足轻重的作用。通过地质BIM模型,可以为正演的初始地质模型提供参考,初始地质模型经过反演成像可以反向提高地质BIM模型精度,两者相辅相成,相得益彰。

    图10 TSP超前预报观测系统及三维偏移成像示意图

  •  

     

           掌子面的常规地质编录主要是在施工过程中通过现场人员每隔3米左右的施工距离,对隧道掌子面及周围的节理、裂隙的发育与分布、岩石类型、岩石产状及倾向、倾角等岩性地质情况连续观察并进行记录,在隧道现场进行围岩分类,来大体预测施工掌子面前方的围岩状况。岩性变化靠地质素描图和地质描述完成只能实现定性的预测。而利用隧道掌子面施工期地质编录APP能显著提高效率,并且避免地质信息在转交过程中的流失问题。

    图11 施工期地质编录APP

  •  

(三)结论与展望

通过上述应用流程,将地质BIM模型与隧道工程建设活动紧密结合,充分发挥地质BIM优势,具体如下:

  • 地质BIM模型可直观表达围岩地质特征,可提高设计人员对工程地质环境的理解,减少设计变更。下一阶段将基于地质BIM模型开展岩土三维设计分析,这对地质BIM在隧道工程中的进一步研究和发展提供了推动力。
  • 在施工阶段,将超前地质预报与地质BIM技术紧密结合,其预报结果必然更加可靠;当前隧道施工过程中的自动化和智慧化决策程度较低,未来可将地质BIM与大数据和机器学习等技术相结合,建立能够自主判断和决策的隧道施工风险管理系统。
  • 利用三维电子化数据采集APP编录隧道掌子面及周围的节理、裂隙的发育与分布、岩石类型、岩石产状及倾向、倾角等岩性地质情况等数据并回存数据库,服务施工期地质BIM模型更新、隧洞稳定性分析及施工建议等,可有效避免地质信息在转交过程中的流失问题。
  • 隧道运营维修养护阶段,地质BIM模型成果十分宝贵,是不能二次获得的,它是隧道运营维修养护的重要参考依据。未来可建立基于地质BIM的智能化分析模块,着重解决地下隧道赋存地质体的监测数据接入和地质体的状态反演分析及实时更新和基于深度学习的状态演化预测等。

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创建时间:2019-04-26 15:36