基于BIM和Modflow的隧道涌水量预测研究

王璐玮

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

公路工程项目的建设，尤其是隧道工程的开工建设，难免会对隧址区水环境造成影响，隧道涌水对隧址区地下水的影响尤为显著。因此，需要对隧道涌水量进行精准预测，以保证隧道的顺利施工[1]。通过数值模拟分析软件Modflow对隧址区地下水进行分析，进而模拟计算隧道涌水，其原理是通过区域水均衡对隧址区地下水分布进行模拟分析，通过对参数的不断反馈修正精准预测地下水分布情况，再通过添加排水沟边界的方式模拟隧道排水，得到隧道涌水量。

然而该软件对地形、地质模型处理能力非常局限，需要行之有效的方法来先进行隧址区地质模型的建立。笔者采取了BIM技术进行Modflow软件的数据处理，提出了基于隧址区地质BIM模型的隧道涌水量预测方法。实践证明，该方法开展的隧址区地质BIM模型构建方法研究及基于上述研究而提出的隧道涌水量预测可作为重要的辅助手段，能够提高工程建设质量和安全，提升隧道工程建设品质。

1 隧址区概况

计算区域水文地质具有以下特点：a）隧址区山体陡峻，起伏变化较大，地形破碎，地貌复杂多变；植被覆盖茂密，岩体出露总体较差，岩体露头不足隧址区面积20%；隧道围岩由元古界-太古界变质岩组成，岩性复杂多变；区域范围岩浆活动较为强烈，区域变质程度较高；洞体穿越芦芽山-赤坚岭梭形褶皱构造带，隧址范围内断裂褶皱构造发育；隧道洞身长，埋深大；b）隧道走向与围岩岩层走向近于垂直正交，隧道进出口及洞身左右两侧大型侵蚀冲沟发育且沟谷内岩体出露较为连续。c）隧址区总属黄河流域，隧道自进口至出口段地表水系包括晋西入黄的蔚汾河水系和汾河中上游段岚河水系，与隧道有关的河流有岚河支流上明河、蔚汾河源头水沟子河、蔚汾河支流岚尾河。d）分布于隧道周边范围内的地下水主要有松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、碎屑岩类裂隙水、变质岩类裂隙水、构造裂隙水等。e）研究区属温带大陆季风性气候，高山峡谷间温差悬殊，表现特征为山高风劲，春季干旱多风升温较快，气温较低，夏季短暂温凉多雨，秋季多阴雨天，昼夜温差较大，无霜期短，冬季少雪干冷，多晴朗天；区域内年平均气温6.3℃～11℃，年平均降雨量约625 mm，以偏南风为主，全年无霜期170～180 d，冻土深度100～130 cm。

2 地质BIM模型建立

对地形图、钻孔数据、物探成果进行梳理，并添加在Civil 3D中建立的空白曲面中，形成不规则三角形（TIN）网格曲面，分别模拟不同地质的顶部曲面，即为初始地层界面TIN网格模型。用几何自适应方法对初始地层界面TIN网格模型进行非线性插值光滑处理，得到最终地层界面TIN网格模型，如图1。

图1 地层界面TIN网格模型

在Civil 3D建立点集，自动读取TIN三角网格模型各个顶点的空间信息，并将包含空间信息的海量点集数据以CSV格式按照不同地层界面分别导出、保存，形成可被Modflow识别、读取、应用的数据。

3 水文地质概念模型的建立

在Modflow建立项目，确定影响半径并添加隧址区计算边界，将在Civil 3D中处理好的点云数据导入生成地层曲面，对不同条件的地质进行赋值，包括渗透系数、孔隙率、入渗系数、影响范围内河流流量或水位等。基于以上条件生成隧址区水文地质模型，进行地下水模拟分析，其原理是对上述水文地质模型进行分割，用有限的、离散的微单元体代替连续的地下水渗流场，用代数方程求解得到某一时刻的地下水位。

3.1 模型参数选取及条件边界概化

根据隧道施工影响范围、隧址区存在的定流量、定水头边界等条件，确定隧址区水文地质模型范围（X：533 550～548 850 m，Y：4 242 000～4 250 150 m，Z：1 100～2 195 m）。隧道施工的影响范围利用经验公式计算，得出影响范围半径为90 m。

概化边界条件并确定类型，对隧址区存在的地质断裂带、分水岭、不透水层、河流、湖泊等进行建模和赋值，按照水头一定、流量已知、水头和流量存在线性关系将其分为3类边界[2]。

通过水文地质报告、岩土工程试验监测手册等确定隧址区地层性质并进行渗透系数选取和赋值。

依据勘测数据中钻孔资料设置观测井孔口及底板高程、监测水位等数据。

3.2 模型构建

3.2.1 建立初始渗流场

根据Civil 3D导出的点云数据建立隧址区地质概念模型（如图2），对水文地质性质不同的区域分别赋值，并将其进行离散形成差分网格（如图3），以10个水文年为计算年限，在初始渗流场阶段不考虑隧道开挖，即不设置排水沟边界，把地表、空气及地下水量的交换作为补给条件，添加边界条件。用稳定流对隧址区地下水流态以稳定流进行模拟计算，当运行结果收敛，且满足校验条件，该渗流场的预测结果就可作为隧址区在隧道施工前的初始水位。

图2 概念模型

图3 差分网格

计算完成隧址区初始渗流场，如图4。

图4 初始渗流场

3.2.2 初始渗流场校验

在初始渗流场建立完成并模拟计算之后，需要对结果进行校验，其原理遵循地下水均衡的原则。还需要遵循模拟计算水位与实际水位尽量一致的原则，将模型模拟计算结果在观测井位置的水位与钻孔数据中的初始水位或各地表监测点水位进行比较，以此为标准对参数进行反馈修正[3]。

各观测井观测水位和计算水位见表1。

表1 水位模型误差对照表

由于该隧道为特长隧道，导致研究区域面积较大，用于计算隧址区地下水的资料收集困难、数据不足，但考虑到隧址区地势起伏较大，地质条件复杂等情况，同时结合观测井数据与实测数据的比对，可认为该模型的模拟结果能够较为准确地描述隧址区地下水渗流场，能够用来进行隧道涌水量模拟计算。

3.3 建立排水模型及涌水量预测

对初始渗流场进行校验、参数反馈修正得到的结果作为隧道涌水量计算的初始条件。

在隧址区水文地质模型中添加Drain（排水沟边界），概化模拟隧道。

按照隧道工期4年，采用双洞同时从起终点开始施工的方式将Drain边界分为16段，并按照从两侧洞口处向中间开挖的方法将Drain边界添加进概念模型中，用上述同样的方法对模型进行离散生成数字模型，并结合初始渗流场模拟结果进行非稳定流模拟，得到结果如图5所示。

图5 水均衡分析

在图5中，分别得到了4个施工阶段的隧址区地下水流入与流出的水量，其中Drain表示隧址区地下水通过隧道进行的水量交换，即涌水量。

4 方法比选

将软件预测结果与目前常用方法水平巷道法以及施工现场实际情况作比较，见表2。

表2 隧道涌水量预测结果比较

通过比较可以看出，运用该方法对该隧道涌水量的预测结果比水平巷道法更为接近现场调研数据，偏差可接受。在计算过程中也得到了预测更为精准的方法，即在从勘察设计到施工建设完成整个阶段根据超前地质报告和施工中出现的与设计不符的情况对模型进行不断的反馈修正，实现水文地质模型参数更贴近实际状况，保证隧道涌水量预测效果。

综上所述，水文地质模型基本上能够比较准确地反映隧址区的水文地质条件，基于BIM和Modflow的隧道涌水量预测方法可以作为预测涌水量的一种有效手段，能够充分发挥BIM技术在隧道涌水量计算中的优势，继而进行隧道防排水方案优化，可实现资源极大化利用，提高安全保障，减少工程费用损失，提高施工效率，保证施工进度，更好适应公路工程建设“提质、降本、增效”总要求；可作为公路隧道提高工程建设质量、安全和建设品质的关键一环。