采用GC参数化建模技术实现高效超前预注浆设计

张 晴 郭春雷 魏铂佳

参数化建模软件 GC（Generative Component）是Bentley公司开发的一款基于MicroStation平台的关联参数化建模系统。用户可利用GC设定元素间的关系，从而模拟各类空间形状，达到用户建模的目的。

GC通过元素及其相互关系形成图形，有效地展示设计方案，直观，立体，便于方案调整。利用GC，设计人员既可完全采用图形方式工作，也可适时将图形与脚本和编程结合使用。例如，可以与现有的MicroStation元素结合使用，既可以在当前的*.dgn文件中使用，也可以从参考文件中使用。

1 采用GC参数化建模进行超前预注浆设计的优点

1.1 高效

在超前预注浆设计中，为了减少无效的超前预注浆钻孔和灌浆工程量，通常在隧洞断面内布置多个机位。机位、孔深、浆液扩散半径、设计帷幕厚度等要求使灌浆体形成复杂的空间结构。为了确定合理的钻孔排数和孔数，传统方法是根据经验布孔后，持续自前（钻孔方向）向后在不同位置剖切，计算各孔中心平面坐标，再画出该断面位置剖面图，求出该断面最小帷幕厚度。当帷幕厚度接近或等于设计帷幕厚度时，即需增设下一排钻孔。当中心孔和周边孔未能形成封闭实体时，则需增加周边孔或中心孔孔数。其过程机械、重复、耗时长，设计一个合理布孔方案至成图往往需数天时间。而GC参数化建模方法是通过设置一系列参数和节点，通过三维软件由点到线再到体，或通过其脚本语言直接修改参数和计算式，快速画出立体图，再采用其剖切、量测工具，快速判断需增加钻孔排数的位置和需增加的周边孔或中心孔孔数，过程简单、明了、快速，将建模至成图时间缩短到5～6 h，提高工作效率达5～10倍。

1.2 直观

通过GC参数化建模，直接绘出灌浆体的立体图，能直观、全方位地展现超前预注浆设计的灌浆效果，可直观地判断钻孔布置的合理性，简化了计算环节；断面的剖切及量测过程中，可直观地获得帷幕厚度等，判断需增设钻孔排数和孔数，整个设计过程直观、明了。

1.3 精确、节省

通过对GC参数化建模生成的三维图形的剖切，可精确找到需增设钻孔排数的断面位置和增加的孔数，通过对不同钻孔布置方案的比较，可获得钻孔及灌浆工程量最小的方案，从而使超前预注浆的实施更为精确和节省，同时也缩短各注浆段实施的工期。

2 采用GC进行超前预注浆建模设计案例

2.1 工程概况

某工程输水隧洞全长41.82 km，最大埋深约2 268 m；设计输水流量70 m3/s，洞径5.3 m，圆形断面，无压流，采用现浇钢筋混凝土衬砌；进口底高程1 269 m，出口底高程1 195 m，纵坡1/565。

因隧洞沿线存在高外水（地下水位距隧洞底板的最大水头高度约1 760 m）及富水断层带突涌水等地质风险，超前预注浆成为穿越此类不良地质洞段必不可少的手段。

2.2 采用GC进行超前预注浆设计过程

2.2.1 确定设计参数

利用柱形扩散公式确定浆液扩散半径；根据折减后外水水头和不同帷幕厚度下允许水力坡降试算来确定帷幕厚度。具体求法如式（1）、式（2）。再依据浆液扩散半径和帷幕厚度来确定超前预注浆钻孔孔数和排数等参数。

浆液扩散半径基本公式：

式中 r——浆液扩散半径，m；

k——灌浆前岩层的渗透系数，m/s；

t——在设计灌浆压力下灌浆延续的时间，s；

h——灌浆压力，m；

β——浆液黏度系数与水黏度系数之比，β=μs/μw，μs、μw分别为浆液黏度系数和水的黏度系数，Pa·s；r0——灌浆孔半径，m；

n——岩层的孔隙率。

r值通过试算获得，取最接近0.5的整数倍作为设计值。

帷幕厚度基本公式：

式中 T——帷幕厚度，m；

H——折减后外水水头，m。

帷幕厚度向上取0.5 m的整数倍数。

2.2.2 参数化建模及模型分析

2.2.2.1 设置图形变量

通过GC中Graph Vaviables命令将设计好的参数来设置图形变量。

2.2.2.2 创建钻孔终孔及开孔断面的中心点

利用 GC 中 Create Node→Point→ ByCartesianCo⁃ordinates命令进行编辑生成超前预注浆钻孔终孔及开孔断面的中心点，见图1。

图1 创建点

2.2.2.3 生成注浆孔中心线

利用GC中Create Node→Line→ ByPoints命令进行编辑生成钻孔中心线，也就是终孔及开孔断面的中心点的连线，见图2。

图2 生成线

2.2.2.4 形成注浆体

利用GC中Create Node→Cone→ ByLines命令进行编辑生成注浆体，见图3。

图3 形成注浆体

2.2.2.5 模型分析

在ABD（AECOsim Building Designer）中对建好的模型进行断面剖切，切出断面测量其厚度，看是否能够满足灌浆帷幕厚度。如果不满足，则需在GC里面调整参数（孔数及排数），再进行剖切分析，直到确定合理方案，见图4、5。

图4 ABD中剖切

图5 剖切的断面

整个建模过程就是从点到线，从线到体的过程，逻辑清晰，形成的注浆体直观立体，便于分析，高效确定最终方案。

2.3 成果

以该工程Ⅱ标Z2支洞钻爆法施工段为例，进行超前预注浆设计。

通过计算确定预注浆基本参数：浆液扩散半径3 m，帷幕厚度4 m，30 m灌浆段共布置4排孔，每排12孔，中心孔6孔。三维建模过程如图1～5。利用三维直接剖切，形成超前预注浆钻孔终孔布置图及剖视图，见图6、7。

图6 Ⅱ标Z2支洞超前预注浆钻孔终孔布置图

图7 Ⅱ标Z2支洞A-A剖视图

3 结语

自本方法开发以来，已采用GC参数化建模技术完成了某工程输水隧洞工程土建Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ标钻爆法施工段超前预注浆钻孔布置图；在施工过程中能根据实际揭露的地质条件，及时调整设计参数，实现设计对施工要求的快速反应。