基于BI M的冻结钻孔轨迹检查及规律研究

和晓楠，徐荣，李林川，马川，孙颜顶，雷海波

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 引言

目前，传统凿井工程的技术信息主要通过CAD 图纸进行表达；BIM，信息建筑模型，以较高的集成性和协调性已获得技术认可。 从技术趋势和行业特点出发， 凿井行业亟须发展BIM 技术以变革工程信息表达方式。冻结法是一种解决涌水、涌泥、 流砂等复杂地层问题的最常用和最可靠的凿井方法之一[1]。冻结钻孔质量，包括单孔偏斜率和孔间距，是冻结帷幕按设计顺利发展的重要前提， 纠偏效果关系到整个凿井工程的质量安全。 钻孔测斜技术不断发展使得测斜数据在准确性和精度上有了保证[2-4]，测斜后主要使用CAD 类软件测量、计算、校核，并绘制钻孔偏斜平面图进行偏斜分析[5-6]，动态检查效率不高，成孔轨迹也不直观。 本文根据冻结钻孔工艺及其质量控制要求，借鉴BIM 技术在管道设计和施工中的应用经验[7-8]，使用Dynamo 和Clash Detective 工具， 提出了基于BIM 的冻结钻孔轨迹控制及研究方法，参数化绘制动态钻孔三维模型，提高了钻孔质量检查效率， 进一步展现了该项目区域的钻孔偏斜规律，形成可视化信息模型供技术交底与工程参考。

2 BI M技术及冻结钻孔质量规定

BIM，是信息技术对传统建筑行业革新的典型代表，其以信息为核心主要包括3 个部分：建筑信息建模、信息模型表达和工程信息管理，贯穿于整个工程的设计、施工、运维阶段[9-10]。BIM 技术改变了传统工程作业流程， 能够让大部分工程问题在设计或模拟施工阶段得以发现和解决， 大幅提高了施工效率并保障了质量安全。

在钻孔测斜方面， 现有三维钻孔轨迹测量技术已得到迅速发展，其与BIM 的技术交叉应用必不可少。 平面钻孔偏斜测量结果是以下放测量电缆深度、 设定坐标系中的偏量计算得到平面偏角、偏值进行偏斜分析，表达为钻孔平面偏斜图。依据GB/T 50511—2022《煤矿井巷工程施工标准》[11]：（1）位于冲积层的钻孔偏率不宜大于0.3%；（2）位于风化带及含水基岩的钻孔偏率不宜大于0.5%；（3）单圈冻结孔、多圈孔的主冻结孔在冲积层中相邻两个钻孔终孔间距不应大于3.0 m；（4）在风化带及含水基岩中相邻两个钻孔终孔间距不应大于5.0 m。

3 基于BI M的冻结钻孔轨迹控制

3.1 BI M实现流程与方法

冻结钻孔轨迹控制的最终目的是动态掌握钻孔轨迹，检查质量指标并给出纠偏建议， 主要流程如图1 所示。 其中，Excel 用于测量数据储存与链接，Revit 和Navisworks 用于BIM 建模和模型应用软件，Dynamo 则是一款可用于Revit 参数化建模的可视化编程工具。 通过现场技术人员测斜， 使用Excel 记录并处理冻结孔设计及测斜信息，链接Dynamo 编程完成参数化建模 （见图2）， 进一步由Revit 转换模型至Navisworks，选择Clash Detective 对象并设定条件后，分别对钻孔单孔偏率和孔间距进行检查。

图1 基于BI M的冻结孔检查方法流程

图2 Dynamo 参数化钻孔建模程序示意图

3.2 工程应用案例

东庞矿西庞风井位于河北省邢台市内丘县大孟村镇胡里村西北0.7 km 处，冻结孔布孔圈径9.556 m，开孔间距1.247 m，孔数24，孔深166 m，风井冻结孔采用靶域半径和最大孔间距控制：靶域半径不大于0.5 m，即钻孔开孔至终孔，孔斜水平投影偏斜值位于半径不大于0.5 m 的圆内；深度小于100 m 以上最大孔间距不大于1.8 m，深度超过100 m 最大孔间距不大于2.0 m；与规范要求一致。

应用BIM 实现流程，建模、检查与钻孔施工动态同步，通过查看三维模型和碰撞结果采取一定纠偏措施来保证钻孔质量。 各个测量深度的检查汇总结果如表1 所示。

表1 基于BI M的冻结孔偏斜检查结果

4 基于BI M的钻孔轨迹规律研究

对于钻孔作业， 虽然区域地层条件和构造发育特点有所不同，但在某一空间范围内呈一定的相似的变化规律，钻孔的偏斜也因此有一定规律性[12-14]。 不同于传统计算分析方法[15]，链接测斜数据后的动态三维模型可以实时更新， 即从已完工的孔位偏斜分析来指导下一孔位施工（见图3）。统计分析不同深度的偏向分布后得到，22 m 钻进完成后偏向集中在方位角60°～90°和210°～265°方向，接下来的钻孔轨迹在22 m 深度孔位条件下均匀分布， 与图4 中扇形集中区均匀向两边扩散相对应；除去个别点值的计算结果（见表2）表明，22 m 层位之上由于地层较浅，杂质较多而偏向不一，22 m 层位之下土体整体均匀，层理结构较好，偏斜幅度均小于±10.5°。

图3 5 号冻结孔动态三维模型变化示意

图4 不同深度钻孔的偏向统计

表2 不同深度地层情况及偏向统计计算

5 结论与展望

依托真实工况和冻结凿井工程特点，使用BIM 技术建立三维冻结钻孔模型， 可视化钻孔轨迹， 动态实时检查钻孔质量，简化现场钻孔偏斜规律分析，形成了可视化信息模型供技术交底， 方便技术人员及时采取纠偏措施以保证钻孔质量符合规定， 该方法应用效果良好， 对钻孔行业使用具有参考意义。 然而，BIM 在凿井行业的使用还具有很大的局限性，若需要进一步满足专业需求，对BIM 软件二次开发或定制是今后的重点研究方向。