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(tǒng)鑿井工程的技術(shù)信息主要通過CAD 圖紙進(jìn)行表達(dá)；BIM，信息建筑模型，以較高的集成性和協(xié)調(diào)性已獲得技術(shù)認(rèn)可。 從技術(shù)趨勢(shì)和行業(yè)特點(diǎn)出發(fā)， 鑿井行業(yè)亟須發(fā)展BIM 技術(shù)以變革工程信息表達(dá)方式。凍結(jié)法是一種解決涌水、涌泥、 流砂等復(fù)雜地層問題的最常用和最可靠的鑿井方法之一[1]。凍結(jié)鉆孔質(zhì)量，包括單孔偏斜率和孔間距，是凍結(jié)帷幕按設(shè)計(jì)順利發(fā)展的重要前提， 糾偏效果關(guān)系到整個(gè)鑿井工程的質(zhì)量安全。 鉆孔測(cè)斜技術(shù)不斷發(fā)展使得測(cè)斜數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性和精度上有了保證[2-4]，測(cè)斜后主要使用CAD 類軟件測(cè)量、計(jì)算、校核，并繪制鉆孔偏斜平面圖進(jìn)行偏斜分析[5-6]，動(dòng)態(tài)檢查效率不高，成孔軌跡也不直觀。 本文根據(jù)凍結(jié)鉆孔工藝及其質(zhì)量控制要求，借鑒BIM 技術(shù)在管道設(shè)計(jì)和施工中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[7-8]，使用Dynamo 和Clash Detective 工具， 提出了基于BIM 的凍結(jié)鉆孔軌跡控制及研究方法，參數(shù)化繪制動(dòng)態(tài)鉆孔三維模型，提高了鉆孔質(zhì)量檢查效率， 進(jìn)一步展現(xiàn)了該項(xiàng)目區(qū)域的鉆孔偏斜規(guī)律，形成可視化信息模型供技術(shù)交底與工程參考。

2 BI M技術(shù)及凍結(jié)鉆孔質(zhì)量規(guī)定

BIM，是信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)建筑行業(yè)革新的典型代表，其以信息為核心主要包括3 個(gè)部分：建筑信息建模、信息模型表達(dá)和工程信息管理，貫穿于整個(gè)工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段[9-10]。BIM 技術(shù)改變了傳統(tǒng)工程作業(yè)流程， 能夠讓大部分工程問題在設(shè)計(jì)或模擬施工階段得以發(fā)現(xiàn)和解決， 大幅提高了施工效率并保障了質(zhì)量安全。

在鉆孔測(cè)斜方面， 現(xiàn)有三維鉆孔軌跡測(cè)量技術(shù)已得到迅速發(fā)展，其與BIM 的技術(shù)交叉應(yīng)用必不可少。 平面鉆孔偏斜測(cè)量結(jié)果是以下放測(cè)量電纜深度、 設(shè)定坐標(biāo)系中的偏量計(jì)算得到平面偏角、偏值進(jìn)行偏斜分析，表達(dá)為鉆孔平面偏斜圖。依據(jù)GB/T 50511—2022《煤礦井巷工程施工標(biāo)準(zhǔn)》[11]：（1）位于沖積層的鉆孔偏率不宜大于0.3%；（2）位于風(fēng)化帶及含水基巖的鉆孔偏率不宜大于0.5%；（3）單圈凍結(jié)孔、多圈孔的主凍結(jié)孔在沖積層中相鄰兩個(gè)鉆孔終孔間距不應(yīng)大于3.0 m；（4）在風(fēng)化帶及含水基巖中相鄰兩個(gè)鉆孔終孔間距不應(yīng)大于5.0 m。

3 基于BI M的凍結(jié)鉆孔軌跡控制

3.1 BI M實(shí)現(xiàn)流程與方法

凍結(jié)鉆孔軌跡控制的最終目的是動(dòng)態(tài)掌握鉆孔軌跡，檢查質(zhì)量指標(biāo)并給出糾偏建議， 主要流程如圖1 所示。 其中，Excel 用于測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與鏈接，Revit 和Navisworks 用于BIM 建模和模型應(yīng)用軟件，Dynamo 則是一款可用于Revit 參數(shù)化建模的可視化編程工具。 通過現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員測(cè)斜， 使用Excel 記錄并處理凍結(jié)孔設(shè)計(jì)及測(cè)斜信息，鏈接Dynamo 編程完成參數(shù)化建模 （見圖2）， 進(jìn)一步由Revit 轉(zhuǎn)換模型至Navisworks，選擇Clash Detective 對(duì)象并設(shè)定條件后，分別對(duì)鉆孔單孔偏率和孔間距進(jìn)行檢查。

圖1 基于BI M的凍結(jié)孔檢查方法流程

圖2 Dynamo 參數(shù)化鉆孔建模程序示意圖

3.2 工程應(yīng)用案例

東龐礦西龐風(fēng)井位于河北省邢臺(tái)市內(nèi)丘縣大孟村鎮(zhèn)胡里村西北0.7 km 處，凍結(jié)孔布孔圈徑9.556 m，開孔間距1.247 m，孔數(shù)24，孔深166 m，風(fēng)井凍結(jié)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(nèi)；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(guī)范要求一致。

應(yīng)用BIM 實(shí)現(xiàn)流程，建模、檢查與鉆孔施工動(dòng)態(tài)同步，通過查看三維模型和碰撞結(jié)果采取一定糾偏措施來保證鉆孔質(zhì)量。 各個(gè)測(cè)量深度的檢查匯總結(jié)果如表1 所示。

表1 基于BI M的凍結(jié)孔偏斜檢查結(jié)果

4 基于BI M的鉆孔軌跡規(guī)律研究

對(duì)于鉆孔作業(yè)， 雖然區(qū)域地層條件和構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn)有所不同，但在某一空間范圍內(nèi)呈一定的相似的變化規(guī)律，鉆孔的偏斜也因此有一定規(guī)律性[12-14]。 不同于傳統(tǒng)計(jì)算分析方法[15]，鏈接測(cè)斜數(shù)據(jù)后的動(dòng)態(tài)三維模型可以實(shí)時(shí)更新， 即從已完工的孔位偏斜分析來指導(dǎo)下一孔位施工（見圖3）。統(tǒng)計(jì)分析不同深度的偏向分布后得到，22 m 鉆進(jìn)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(qū)均勻向兩邊擴(kuò)散相對(duì)應(yīng)；除去個(gè)別點(diǎn)值的計(jì)算結(jié)果（見表2）表明，22 m 層位之上由于地層較淺，雜質(zhì)較多而偏向不一，22 m 層位之下土體整體均勻，層理結(jié)構(gòu)較好，偏斜幅度均小于±10.5°。

圖3 5 號(hào)凍結(jié)孔動(dòng)態(tài)三維模型變化示意

圖4 不同深度鉆孔的偏向統(tǒng)計(jì)

表2 不同深度地層情況及偏向統(tǒng)計(jì)計(jì)算

5 結(jié)論與展望

依托真實(shí)工況和凍結(jié)鑿井工程特點(diǎn)，使用BIM 技術(shù)建立三維凍結(jié)鉆孔模型， 可視化鉆孔軌跡， 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢查鉆孔質(zhì)量，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)鉆孔偏斜規(guī)律分析，形成了可視化信息模型供技術(shù)交底， 方便技術(shù)人員及時(shí)采取糾偏措施以保證鉆孔質(zhì)量符合規(guī)定， 該方法應(yīng)用效果良好， 對(duì)鉆孔行業(yè)使用具有參考意義。 然而，BIM 在鑿井行業(yè)的使用還具有很大的局限性，若需要進(jìn)一步滿足專業(yè)需求，對(duì)BIM 軟件二次開發(fā)或定制是今后的重點(diǎn)研究方向。