基于BIM和Modflow的隧道涌水量預測研究

王璐瑋

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

公路工程項目的建設，尤其是隧道工程的開工建設，難免會對隧址區水環境造成影響，隧道涌水對隧址區地下水的影響尤為顯著。因此，需要對隧道涌水量進行精準預測，以保證隧道的順利施工[1]。通過數值模擬分析軟件Modflow對隧址區地下水進行分析，進而模擬計算隧道涌水，其原理是通過區域水均衡對隧址區地下水分布進行模擬分析，通過對參數的不斷反饋修正精準預測地下水分布情況，再通過添加排水溝邊界的方式模擬隧道排水，得到隧道涌水量。

然而該軟件對地形、地質模型處理能力非常局限，需要行之有效的方法來先進行隧址區地質模型的建立。筆者采取了BIM技術進行Modflow軟件的數據處理，提出了基于隧址區地質BIM模型的隧道涌水量預測方法。實踐證明，該方法開展的隧址區地質BIM模型構建方法研究及基于上述研究而提出的隧道涌水量預測可作為重要的輔助手段，能夠提高工程建設質量和安全，提升隧道工程建設品質。

1 隧址區概況

計算區域水文地質具有以下特點：a）隧址區山體陡峻，起伏變化較大，地形破碎，地貌復雜多變；植被覆蓋茂密，巖體出露總體較差，巖體露頭不足隧址區面積20%；隧道圍巖由元古界-太古界變質巖組成，巖性復雜多變；區域范圍巖漿活動較為強烈，區域變質程度較高；洞體穿越蘆芽山-赤堅嶺梭形褶皺構造帶，隧址范圍內斷裂褶皺構造發育；隧道洞身長，埋深大；b）隧道走向與圍巖巖層走向近于垂直正交，隧道進出口及洞身左右兩側大型侵蝕沖溝發育且溝谷內巖體出露較為連續。c）隧址區總屬黃河流域，隧道自進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、變質巖類裂隙水、構造裂隙水等。e）研究區屬溫帶大陸季風性氣候，高山峽谷間溫差懸殊，表現特征為山高風勁，春季干旱多風升溫較快，氣溫較低，夏季短暫溫涼多雨，秋季多陰雨天，晝夜溫差較大，無霜期短，冬季少雪干冷，多晴朗天；區域內年平均氣溫6.3℃～11℃，年平均降雨量約625 mm，以偏南風為主，全年無霜期170～180 d，凍土深度100～130 cm。

2 地質BIM模型建立

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

圖1 地層界面TIN網格模型

在Civil 3D建立點集，自動讀取TIN三角網格模型各個頂點的空間信息，并將包含空間信息的海量點集數據以CSV格式按照不同地層界面分別導出、保存，形成可被Modflow識別、讀取、應用的數據。

3 水文地質概念模型的建立

在Modflow建立項目，確定影響半徑并添加隧址區計算邊界，將在Civil 3D中處理好的點云數據導入生成地層曲面，對不同條件的地質進行賦值，包括滲透系數、孔隙率、入滲系數、影響范圍內河流流量或水位等。基于以上條件生成隧址區水文地質模型，進行地下水模擬分析，其原理是對上述水文地質模型進行分割，用有限的、離散的微單元體代替連續的地下水滲流場，用代數方程求解得到某一時刻的地下水位。

3.1 模型參數選取及條件邊界概化

根據隧道施工影響范圍、隧址區存在的定流量、定水頭邊界等條件，確定隧址區水文地質模型范圍（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驗公式計算，得出影響范圍半徑為90 m。

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

通過水文地質報告、巖土工程試驗監測手冊等確定隧址區地層性質并進行滲透系數選取和賦值。

依據勘測數據中鉆孔資料設置觀測井孔口及底板高程、監測水位等數據。

3.2 模型構建

3.2.1 建立初始滲流場

根據Civil 3D導出的點云數據建立隧址區地質概念模型（如圖2），對水文地質性質不同的區域分別賦值，并將其進行離散形成差分網格（如圖3），以10個水文年為計算年限，在初始滲流場階段不考慮隧道開挖，即不設置排水溝邊界，把地表、空氣及地下水量的交換作為補給條件，添加邊界條件。用穩定流對隧址區地下水流態以穩定流進行模擬計算，當運行結果收斂，且滿足校驗條件，該滲流場的預測結果就可作為隧址區在隧道施工前的初始水位。

圖2 概念模型

圖3 差分網格

計算完成隧址區初始滲流場，如圖4。

圖4 初始滲流場

3.2.2 初始滲流場校驗

在初始滲流場建立完成并模擬計算之后，需要對結果進行校驗，其原理遵循地下水均衡的原則。還需要遵循模擬計算水位與實際水位盡量一致的原則，將模型模擬計算結果在觀測井位置的水位與鉆孔數據中的初始水位或各地表監測點水位進行比較，以此為標準對參數進行反饋修正[3]。

各觀測井觀測水位和計算水位見表1。

表1 水位模型誤差對照表

由于該隧道為特長隧道，導致研究區域面積較大，用于計算隧址區地下水的資料收集困難、數據不足，但考慮到隧址區地勢起伏較大，地質條件復雜等情況，同時結合觀測井數據與實測數據的比對，可認為該模型的模擬結果能夠較為準確地描述隧址區地下水滲流場，能夠用來進行隧道涌水量模擬計算。

3.3 建立排水模型及涌水量預測

對初始滲流場進行校驗、參數反饋修正得到的結果作為隧道涌水量計算的初始條件。

在隧址區水文地質模型中添加Drain（排水溝邊界），概化模擬隧道。

按照隧道工期4年，采用雙洞同時從起終點開始施工的方式將Drain邊界分為16段，并按照從兩側洞口處向中間開挖的方法將Drain邊界添加進概念模型中，用上述同樣的方法對模型進行離散生成數字模型，并結合初始滲流場模擬結果進行非穩定流模擬，得到結果如圖5所示。

圖5 水均衡分析

在圖5中，分別得到了4個施工階段的隧址區地下水流入與流出的水量，其中Drain表示隧址區地下水通過隧道進行的水量交換，即涌水量。

4 方法比選

將軟件預測結果與目前常用方法水平巷道法以及施工現場實際情況作比較，見表2。

表2 隧道涌水量預測結果比較

通過比較可以看出，運用該方法對該隧道涌水量的預測結果比水平巷道法更為接近現場調研數據，偏差可接受。在計算過程中也得到了預測更為精準的方法，即在從勘察設計到施工建設完成整個階段根據超前地質報告和施工中出現的與設計不符的情況對模型進行不斷的反饋修正，實現水文地質模型參數更貼近實際狀況，保證隧道涌水量預測效果。

綜上所述，水文地質模型基本上能夠比較準確地反映隧址區的水文地質條件，基于BIM和Modflow的隧道涌水量預測方法可以作為預測涌水量的一種有效手段，能夠充分發揮BIM技術在隧道涌水量計算中的優勢，繼而進行隧道防排水方案優化，可實現資源極大化利用，提高安全保障，減少工程費用損失，提高施工效率，保證施工進度，更好適應公路工程建設“提質、降本、增效”總要求；可作為公路隧道提高工程建設質量、安全和建設品質的關鍵一環。