三維可視化控制技術(shù)在基坑支護(hù)中的應(yīng)用*

葛世超，董 軍，丁克良，李國(guó)華

(1.北京建筑大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與新材料北京市高等學(xué)校工程研究中心，北京 102616；2.北京建筑大學(xué)測(cè)繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616)

0 引言

隨著綜合地下管廊的建設(shè)，城市管道更加密集?；又ёo(hù)有效避開基坑臨近地下管線，解決陰角處錨桿間的相交，既能提高施工速度，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，又能節(jié)約財(cái)力、物力，因此，解決此類問題意義重大。

林春平等[1]重點(diǎn)介紹了 BIM 技術(shù)在?？诒彼こ淘O(shè)計(jì)及施工中的應(yīng)用，通過(guò)在三維模型中整合基坑周邊管線物探資料，快速核查錨索與市政管線間的安全距離，確保后續(xù)施工安全，結(jié)果表明 BIM 技術(shù)可節(jié)約大量時(shí)間與成本，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。黃家健等[2]將Sketchup 和 Lumion 三維可視化技術(shù)應(yīng)用在海南共享農(nóng)莊規(guī)劃設(shè)計(jì)中，指出Sketchup具有使用簡(jiǎn)單明了、實(shí)時(shí)仿真、素材豐富、渲染簡(jiǎn)單且效果逼真等特點(diǎn)。司呈慶等[3]針對(duì)基坑開挖位置與現(xiàn)有馬路距離較近，基坑外側(cè)存在較多市政管線及電信光纜，支護(hù)施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)較大的基坑工程，選用樁錨支護(hù)方案，并在施工中采取安全控制措施應(yīng)對(duì)復(fù)雜邊界條件。但這種解決方法采取的支護(hù)方案唯一且不可變更，不適用更加復(fù)雜的周邊地下環(huán)境，借鑒前人成功將三維可視化運(yùn)用到石油礦產(chǎn)[4]、水利水電工程[5]，考慮是否可將三維可視化技術(shù)運(yùn)用到基坑支護(hù)工程中。

三維可視化技術(shù)應(yīng)用在隱蔽性工程中，可很好地解決施工中不可預(yù)見的施工風(fēng)險(xiǎn)[6]，林春平等[1]成功將BIM技術(shù)應(yīng)用于基坑支護(hù)，但BIM建模較復(fù)雜，硬件配置較高，并不經(jīng)濟(jì)；黃家健等[2]提出Sketchup建模相較于BIM更簡(jiǎn)單明了，硬件配置低，更加經(jīng)濟(jì)。因此，本文依據(jù)某深基坑支護(hù)工程，利用Sketchup軟件建立基坑支護(hù)的三維可視化模型，指導(dǎo)解決現(xiàn)場(chǎng)錨桿躲避市政管線、大陰角錨桿交錯(cuò)穿插問題。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

根據(jù)40.0m深度范圍內(nèi)所揭露地基土成因年代及地層巖性可分為9層：第①層為人工填土，第②～③ 層為新近沉積層，第④～⑨層為一般第四紀(jì)沖洪積層。

1.2 支護(hù)方案

基坑采用磚砌擋墻+樁錨支護(hù)體系，護(hù)坡樁采用旋挖鉆機(jī)施工；錨桿施工選用普通錨桿鉆機(jī)進(jìn)行成孔，1樁2錨。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)、周邊建筑及地質(zhì)情況將基坑劃分為8個(gè)區(qū)段,并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)分區(qū)段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 基坑邊界條件

2.1 周邊環(huán)境

周邊管線較復(fù)雜，基坑西側(cè)埋有電力管溝，電力隧道寬2 000mm，弧頂高2 300mm，西側(cè)中部有電力井室，直徑為5.1m，埋深約8.0m，東側(cè)電力管線較遠(yuǎn)可不考慮；西側(cè)及東側(cè)均有污水及雨水管線，埋置深度<4.0m。特別是基坑?xùn)|、西側(cè)布有多種市政管線，包括雨水井、污水井、電力井，且距基坑較近，埋深較深。

2.2 周邊條件分析

2.2.1市政管線分析

已探明管線包括雨水、污水、電力、通訊、給水、中壓燃?xì)夤芫€6條，管線明細(xì)如表1所示?；游鱾?cè)護(hù)坡樁外側(cè)距管線最近為0.3～0.8m，各類管線標(biāo)高如圖1所示。

圖1 各類管線標(biāo)高曲線

表1 管線明細(xì) m

2.2.2基坑大陰角分析

基坑西南角、西北側(cè)存在較大陰角(見圖2)，采用1樁2錨的形式。錨桿施工工序?yàn)椋捍蚩住落摻g線→注漿→張拉。因土質(zhì)原因采用打一孔注一孔的循環(huán)工藝，但采用此工藝施工大陰角時(shí)，易造成穿孔現(xiàn)象。當(dāng)錨桿機(jī)打孔遇到障礙物時(shí)，鉆桿會(huì)避開障礙物自動(dòng)上抬或下陷，導(dǎo)致偏離原設(shè)計(jì)位Z置，而當(dāng)設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，由于上抬或下陷陰角處達(dá)不到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，易造成錨桿機(jī)故障。若工期緊，打孔時(shí)上一個(gè)注漿還未凝固則會(huì)導(dǎo)致穿孔，極易造成鉆桿上纏繞上一個(gè)孔的鋼絞線，使錨桿機(jī)報(bào)廢，威脅駕駛員安全，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

圖2 基坑支護(hù)大陰角平面

3 確定影響管線

西側(cè)部分支護(hù)剖面為1—1，4—4，5—5，均為1樁2錨形式。以1—1剖面為例，冠梁頂標(biāo)高為38.600m，第1道錨桿標(biāo)高為35.100m，傾角θ=15°，長(zhǎng)25.5m；第2道錨桿標(biāo)高為31.600m，傾角θ=15°，長(zhǎng)26m。支護(hù)剖面計(jì)算參數(shù)如圖3所示。a為外錨點(diǎn)至管線中點(diǎn)的水平距離；b為管線中心至其垂直投影至錨桿外皮點(diǎn)的垂直距離；c為錨桿外錨點(diǎn)至管線中心垂直投影在錨桿外皮點(diǎn)的2點(diǎn)連線。

圖3 支護(hù)剖面計(jì)算參數(shù)示意

根據(jù)圖3中管線與錨桿間的相對(duì)關(guān)系，假設(shè)錨桿足夠長(zhǎng)，推出安全公式：

|H管-H桿|=h

(1)

式中：H管為管線高程；H桿=H孔-b；b=atanθ；θ為錨桿打孔角度；H桿為距錨桿孔水平a處標(biāo)高；H孔為錨桿打孔標(biāo)高。

D管為管線直徑。若h>D管，則安全；若h≤D管，則不安全。

將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)中，如雨水管分成(Smin，Hmin)，(Smin，Hmax)，(Smax，Hmin)，(Smax，Hmax)4組驗(yàn)證，分別編號(hào)為1,2,3,4。上安全線H安=H孔-atanθ+D管，下安全線H′安=H孔-atanθ-D管。

H管，H安，H′安比較結(jié)果如圖4所示。其中，各管線表示其埋深位置，上安全線1，2表示第1,2道錨桿上部安全線，即在該線之上安全；下安全線1，2表示第1,2道錨桿下部安全線，即在該線之下安全。

圖4 各類管道埋深

由圖4可知，電力管線與下安全線1、上安全線2分別相交，表明電力管線嚴(yán)重影響錨桿施工，其他管線均處在安全區(qū)域。對(duì)電力管線進(jìn)行實(shí)地勘察，管線類型以電力隧道為主，且有1個(gè)電力管室，電力管線影響整個(gè)基坑西側(cè)160m區(qū)域錨桿施工。電力隧道及管室構(gòu)造如圖5所示。

圖5 電力隧道及管室構(gòu)造

4 解決措施

在施工現(xiàn)場(chǎng)，常遇到管線影響施工的工況，一般有2種解決方案：①通過(guò)明挖或其他措施排除影響范圍內(nèi)的管線；②盡可能調(diào)整施工方案避開影響管線。第1種方案適用于廢舊管線且埋深較淺，易明挖易排除的情形，經(jīng)濟(jì)性較差；第2種方案適用于市政主要管線，民生管線，經(jīng)濟(jì)性較好。

4.1 二維CAD調(diào)控

運(yùn)用二維CAD調(diào)控法調(diào)整錨桿施工方案，從而避開管線達(dá)到支護(hù)目的。調(diào)控技術(shù)路線為：①?gòu)?fù)核管線實(shí)際標(biāo)高和尺寸，畫出相應(yīng)的CAD構(gòu)造圖；②將相應(yīng)位置管線圖配置到支護(hù)方案內(nèi)；③調(diào)整錨桿角度及打孔標(biāo)高，避開管線。

利用CAD軟件靈活調(diào)整打孔標(biāo)高及角度，避開管線，塔式起重機(jī)處第1道錨桿上調(diào)1m，角度15°，第2道錨桿保持原來(lái)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 塔式起重機(jī)處錨桿調(diào)整

二維CAD調(diào)控法具有局限性，通過(guò)實(shí)際復(fù)核發(fā)現(xiàn)，電力管線有一定坡度，平面CAD圖無(wú)法清晰表達(dá)坡度影響，且二維CAD調(diào)控法無(wú)法解決大陰角處錨桿交錯(cuò)穿插問題。為同時(shí)解決以上2個(gè)問題，可采用經(jīng)濟(jì)、方便的三維可視化控制技術(shù)。

4.2 三維可視化調(diào)控

將三維可視化技術(shù)運(yùn)用到基坑支護(hù)中，不僅能解決管線、陰角錨桿問題，還能更直觀形象地反映基坑成型后的狀態(tài)，施工與技術(shù)交底更方便，與業(yè)主及設(shè)計(jì)單位溝通更加直觀明確，有利于工程進(jìn)展。

基坑施工三維可視化控制流程為：收集基坑支護(hù)及周邊管線數(shù)據(jù)→復(fù)核管線數(shù)據(jù)、確定影響管線→利用Sketchup建立等比例三維模型→三維調(diào)控確定局部調(diào)整角度與標(biāo)高→三維可視化分析管線與大陰角區(qū)域→調(diào)控完成。

4.2.1建立三維模型

利用Sketchup軟件建立三維模型(見圖7，8)。

圖7 建立Sketchup模型小樣

圖8 基坑模型

4.2.2支護(hù)方案調(diào)控

對(duì)按原設(shè)計(jì)建立的三維模型進(jìn)行局部放大，發(fā)現(xiàn)基坑西側(cè)局部錨桿穿插電力管廊通過(guò)，第1道錨桿4根，第2道錨桿3根穿插通過(guò)，與現(xiàn)場(chǎng)施工現(xiàn)狀相符。為順利施工，對(duì)基坑西側(cè)附近錨桿進(jìn)行局部調(diào)整，如圖9～11所示。

圖9 電力室附近錨桿調(diào)整前后對(duì)比

圖10 電力管廊附近錨桿調(diào)整前后對(duì)比

圖11 大陰角處錨桿調(diào)整前后對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

1)詳細(xì)介紹了二維CAD解決方案、三維可視化調(diào)控技術(shù)等基坑支護(hù)躲避管線及陰角錨桿穿插的解決方案，并進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明三維模型能清晰地將隱蔽性工程障礙可視化，易發(fā)現(xiàn)支護(hù)方案與鄰近市政管線的沖突區(qū)域，能精確定位出需調(diào)整的錨桿，通過(guò)三維模型試調(diào)給出可行的調(diào)整高度與角度；實(shí)際工程案例順利施工驗(yàn)證了三維可視化調(diào)控可行性。

2)成功將Sketchup軟件引入基坑支護(hù)工程，更加方便經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)了基坑支護(hù)工程信息化發(fā)展；為基坑支護(hù)工程解決類似管線與錨桿沖突及大陰角錨桿交錯(cuò)穿插問題提供借鑒。