基于BI M的凍結鉆孔軌跡檢查及規律研究

和曉楠，徐榮，李林川，馬川，孫顏頂，雷海波

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 引言

目前，傳統鑿井工程的技術信息主要通過CAD 圖紙進行表達；BIM，信息建筑模型，以較高的集成性和協調性已獲得技術認可。 從技術趨勢和行業特點出發， 鑿井行業亟須發展BIM 技術以變革工程信息表達方式。凍結法是一種解決涌水、涌泥、 流砂等復雜地層問題的最常用和最可靠的鑿井方法之一[1]。凍結鉆孔質量，包括單孔偏斜率和孔間距，是凍結帷幕按設計順利發展的重要前提， 糾偏效果關系到整個鑿井工程的質量安全。 鉆孔測斜技術不斷發展使得測斜數據在準確性和精度上有了保證[2-4]，測斜后主要使用CAD 類軟件測量、計算、校核，并繪制鉆孔偏斜平面圖進行偏斜分析[5-6]，動態檢查效率不高，成孔軌跡也不直觀。 本文根據凍結鉆孔工藝及其質量控制要求，借鑒BIM 技術在管道設計和施工中的應用經驗[7-8]，使用Dynamo 和Clash Detective 工具， 提出了基于BIM 的凍結鉆孔軌跡控制及研究方法，參數化繪制動態鉆孔三維模型，提高了鉆孔質量檢查效率， 進一步展現了該項目區域的鉆孔偏斜規律，形成可視化信息模型供技術交底與工程參考。

2 BI M技術及凍結鉆孔質量規定

BIM，是信息技術對傳統建筑行業革新的典型代表，其以信息為核心主要包括3 個部分：建筑信息建模、信息模型表達和工程信息管理，貫穿于整個工程的設計、施工、運維階段[9-10]。BIM 技術改變了傳統工程作業流程， 能夠讓大部分工程問題在設計或模擬施工階段得以發現和解決， 大幅提高了施工效率并保障了質量安全。

在鉆孔測斜方面， 現有三維鉆孔軌跡測量技術已得到迅速發展，其與BIM 的技術交叉應用必不可少。 平面鉆孔偏斜測量結果是以下放測量電纜深度、 設定坐標系中的偏量計算得到平面偏角、偏值進行偏斜分析，表達為鉆孔平面偏斜圖。依據GB/T 50511—2022《煤礦井巷工程施工標準》[11]：（1）位于沖積層的鉆孔偏率不宜大于0.3%；（2）位于風化帶及含水基巖的鉆孔偏率不宜大于0.5%；（3）單圈凍結孔、多圈孔的主凍結孔在沖積層中相鄰兩個鉆孔終孔間距不應大于3.0 m；（4）在風化帶及含水基巖中相鄰兩個鉆孔終孔間距不應大于5.0 m。

3 基于BI M的凍結鉆孔軌跡控制

3.1 BI M實現流程與方法

凍結鉆孔軌跡控制的最終目的是動態掌握鉆孔軌跡，檢查質量指標并給出糾偏建議， 主要流程如圖1 所示。 其中，Excel 用于測量數據儲存與鏈接，Revit 和Navisworks 用于BIM 建模和模型應用軟件，Dynamo 則是一款可用于Revit 參數化建模的可視化編程工具。 通過現場技術人員測斜， 使用Excel 記錄并處理凍結孔設計及測斜信息，鏈接Dynamo 編程完成參數化建模 （見圖2）， 進一步由Revit 轉換模型至Navisworks，選擇Clash Detective 對象并設定條件后，分別對鉆孔單孔偏率和孔間距進行檢查。

圖1 基于BI M的凍結孔檢查方法流程

圖2 Dynamo 參數化鉆孔建模程序示意圖

3.2 工程應用案例

東龐礦西龐風井位于河北省邢臺市內丘縣大孟村鎮胡里村西北0.7 km 處，凍結孔布孔圈徑9.556 m，開孔間距1.247 m，孔數24，孔深166 m，風井凍結孔采用靶域半徑和最大孔間距控制：靶域半徑不大于0.5 m，即鉆孔開孔至終孔，孔斜水平投影偏斜值位于半徑不大于0.5 m 的圓內；深度小于100 m 以上最大孔間距不大于1.8 m，深度超過100 m 最大孔間距不大于2.0 m；與規范要求一致。

應用BIM 實現流程，建模、檢查與鉆孔施工動態同步，通過查看三維模型和碰撞結果采取一定糾偏措施來保證鉆孔質量。 各個測量深度的檢查匯總結果如表1 所示。

表1 基于BI M的凍結孔偏斜檢查結果

4 基于BI M的鉆孔軌跡規律研究

對于鉆孔作業， 雖然區域地層條件和構造發育特點有所不同，但在某一空間范圍內呈一定的相似的變化規律，鉆孔的偏斜也因此有一定規律性[12-14]。 不同于傳統計算分析方法[15]，鏈接測斜數據后的動態三維模型可以實時更新， 即從已完工的孔位偏斜分析來指導下一孔位施工（見圖3）。統計分析不同深度的偏向分布后得到，22 m 鉆進完成后偏向集中在方位角60°～90°和210°～265°方向，接下來的鉆孔軌跡在22 m 深度孔位條件下均勻分布， 與圖4 中扇形集中區均勻向兩邊擴散相對應；除去個別點值的計算結果（見表2）表明，22 m 層位之上由于地層較淺，雜質較多而偏向不一，22 m 層位之下土體整體均勻，層理結構較好，偏斜幅度均小于±10.5°。

圖3 5 號凍結孔動態三維模型變化示意

圖4 不同深度鉆孔的偏向統計

表2 不同深度地層情況及偏向統計計算

5 結論與展望

依托真實工況和凍結鑿井工程特點，使用BIM 技術建立三維凍結鉆孔模型， 可視化鉆孔軌跡， 動態實時檢查鉆孔質量，簡化現場鉆孔偏斜規律分析，形成了可視化信息模型供技術交底， 方便技術人員及時采取糾偏措施以保證鉆孔質量符合規定， 該方法應用效果良好， 對鉆孔行業使用具有參考意義。 然而，BIM 在鑿井行業的使用還具有很大的局限性，若需要進一步滿足專業需求，對BIM 軟件二次開發或定制是今后的重點研究方向。