張 晴 郭春雷 魏鉑佳

參數(shù)化建模軟件 GC（Generative Component）是Bentley公司開(kāi)發(fā)的一款基于MicroStation平臺(tái)的關(guān)聯(lián)參數(shù)化建模系統(tǒng)。用戶(hù)可利用GC設(shè)定元素間的關(guān)系，從而模擬各類(lèi)空間形狀，達(dá)到用戶(hù)建模的目的。

GC通過(guò)元素及其相互關(guān)系形成圖形，有效地展示設(shè)計(jì)方案，直觀，立體，便于方案調(diào)整。利用GC，設(shè)計(jì)人員既可完全采用圖形方式工作，也可適時(shí)將圖形與腳本和編程結(jié)合使用。例如，可以與現(xiàn)有的MicroStation元素結(jié)合使用，既可以在當(dāng)前的*.dgn文件中使用，也可以從參考文件中使用。

1 采用GC參數(shù)化建模進(jìn)行超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 高效

在超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)中，為了減少無(wú)效的超前預(yù)注漿鉆孔和灌漿工程量，通常在隧洞斷面內(nèi)布置多個(gè)機(jī)位。機(jī)位、孔深、漿液擴(kuò)散半徑、設(shè)計(jì)帷幕厚度等要求使灌漿體形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。為了確定合理的鉆孔排數(shù)和孔數(shù)，傳統(tǒng)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)布孔后，持續(xù)自前（鉆孔方向）向后在不同位置剖切，計(jì)算各孔中心平面坐標(biāo)，再畫(huà)出該斷面位置剖面圖，求出該斷面最小帷幕厚度。當(dāng)帷幕厚度接近或等于設(shè)計(jì)帷幕厚度時(shí)，即需增設(shè)下一排鉆孔。當(dāng)中心孔和周邊孔未能形成封閉實(shí)體時(shí)，則需增加周邊孔或中心孔孔數(shù)。其過(guò)程機(jī)械、重復(fù)、耗時(shí)長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)合理布孔方案至成圖往往需數(shù)天時(shí)間。而GC參數(shù)化建模方法是通過(guò)設(shè)置一系列參數(shù)和節(jié)點(diǎn)，通過(guò)三維軟件由點(diǎn)到線再到體，或通過(guò)其腳本語(yǔ)言直接修改參數(shù)和計(jì)算式，快速畫(huà)出立體圖，再采用其剖切、量測(cè)工具，快速判斷需增加鉆孔排數(shù)的位置和需增加的周邊孔或中心孔孔數(shù)，過(guò)程簡(jiǎn)單、明了、快速，將建模至成圖時(shí)間縮短到5～6 h，提高工作效率達(dá)5～10倍。

1.2 直觀

通過(guò)GC參數(shù)化建模，直接繪出灌漿體的立體圖，能直觀、全方位地展現(xiàn)超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)的灌漿效果，可直觀地判斷鉆孔布置的合理性，簡(jiǎn)化了計(jì)算環(huán)節(jié)；斷面的剖切及量測(cè)過(guò)程中，可直觀地獲得帷幕厚度等，判斷需增設(shè)鉆孔排數(shù)和孔數(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程直觀、明了。

1.3 精確、節(jié)省

通過(guò)對(duì)GC參數(shù)化建模生成的三維圖形的剖切，可精確找到需增設(shè)鉆孔排數(shù)的斷面位置和增加的孔數(shù)，通過(guò)對(duì)不同鉆孔布置方案的比較，可獲得鉆孔及灌漿工程量最小的方案，從而使超前預(yù)注漿的實(shí)施更為精確和節(jié)省，同時(shí)也縮短各注漿段實(shí)施的工期。

2 采用GC進(jìn)行超前預(yù)注漿建模設(shè)計(jì)案例

2.1 工程概況

某工程輸水隧洞全長(zhǎng)41.82 km，最大埋深約2 268 m；設(shè)計(jì)輸水流量70 m3/s，洞徑5.3 m，圓形斷面，無(wú)壓流，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌；進(jìn)口底高程1 269 m，出口底高程1 195 m，縱坡1/565。

因隧洞沿線存在高外水（地下水位距隧洞底板的最大水頭高度約1 760 m）及富水?dāng)鄬訋挥克鹊刭|(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，超前預(yù)注漿成為穿越此類(lèi)不良地質(zhì)洞段必不可少的手段。

2.2 采用GC進(jìn)行超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)過(guò)程

2.2.1 確定設(shè)計(jì)參數(shù)

利用柱形擴(kuò)散公式確定漿液擴(kuò)散半徑；根據(jù)折減后外水水頭和不同帷幕厚度下允許水力坡降試算來(lái)確定帷幕厚度。具體求法如式（1）、式（2）。再依據(jù)漿液擴(kuò)散半徑和帷幕厚度來(lái)確定超前預(yù)注漿鉆孔孔數(shù)和排數(shù)等參數(shù)。

漿液擴(kuò)散半徑基本公式：

式中 r——漿液擴(kuò)散半徑，m；

k——灌漿前巖層的滲透系數(shù)，m/s；

t——在設(shè)計(jì)灌漿壓力下灌漿延續(xù)的時(shí)間，s；

h——灌漿壓力，m；

β——漿液黏度系數(shù)與水黏度系數(shù)之比，β=μs/μw，μs、μw分別為漿液黏度系數(shù)和水的黏度系數(shù)，Pa·s；r0——灌漿孔半徑，m；

n——巖層的孔隙率。

r值通過(guò)試算獲得，取最接近0.5的整數(shù)倍作為設(shè)計(jì)值。

帷幕厚度基本公式：

式中 T——帷幕厚度，m；

H——折減后外水水頭，m。

帷幕厚度向上取0.5 m的整數(shù)倍數(shù)。

2.2.2 參數(shù)化建模及模型分析

2.2.2.1 設(shè)置圖形變量

通過(guò)GC中Graph Vaviables命令將設(shè)計(jì)好的參數(shù)來(lái)設(shè)置圖形變量。

2.2.2.2 創(chuàng)建鉆孔終孔及開(kāi)孔斷面的中心點(diǎn)

利用 GC 中 Create Node→Point→ ByCartesianCo?ordinates命令進(jìn)行編輯生成超前預(yù)注漿鉆孔終孔及開(kāi)孔斷面的中心點(diǎn)，見(jiàn)圖1。

圖1 創(chuàng)建點(diǎn)

2.2.2.3 生成注漿孔中心線

利用GC中Create Node→Line→ ByPoints命令進(jìn)行編輯生成鉆孔中心線，也就是終孔及開(kāi)孔斷面的中心點(diǎn)的連線，見(jiàn)圖2。

圖2 生成線

2.2.2.4 形成注漿體

利用GC中Create Node→Cone→ ByLines命令進(jìn)行編輯生成注漿體，見(jiàn)圖3。

圖3 形成注漿體

2.2.2.5 模型分析

在ABD（AECOsim Building Designer）中對(duì)建好的模型進(jìn)行斷面剖切，切出斷面測(cè)量其厚度，看是否能夠滿(mǎn)足灌漿帷幕厚度。如果不滿(mǎn)足，則需在GC里面調(diào)整參數(shù)（孔數(shù)及排數(shù)），再進(jìn)行剖切分析，直到確定合理方案，見(jiàn)圖4、5。

圖4 ABD中剖切

圖5 剖切的斷面

整個(gè)建模過(guò)程就是從點(diǎn)到線，從線到體的過(guò)程，邏輯清晰，形成的注漿體直觀立體，便于分析，高效確定最終方案。

2.3 成果

以該工程Ⅱ標(biāo)Z2支洞鉆爆法施工段為例，進(jìn)行超前預(yù)注漿設(shè)計(jì)。

通過(guò)計(jì)算確定預(yù)注漿基本參數(shù)：漿液擴(kuò)散半徑3 m，帷幕厚度4 m，30 m灌漿段共布置4排孔，每排12孔，中心孔6孔。三維建模過(guò)程如圖1～5。利用三維直接剖切，形成超前預(yù)注漿鉆孔終孔布置圖及剖視圖，見(jiàn)圖6、7。

圖6 Ⅱ標(biāo)Z2支洞超前預(yù)注漿鉆孔終孔布置圖

圖7 Ⅱ標(biāo)Z2支洞A-A剖視圖

3 結(jié)語(yǔ)

自本方法開(kāi)發(fā)以來(lái)，已采用GC參數(shù)化建模技術(shù)完成了某工程輸水隧洞工程土建Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ標(biāo)鉆爆法施工段超前預(yù)注漿鉆孔布置圖；在施工過(guò)程中能根據(jù)實(shí)際揭露的地質(zhì)條件，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)對(duì)施工要求的快速反應(yīng)。