復(fù)雜條件巖質(zhì)深基坑炸藥爆破聯(lián)合靜態(tài)破碎方案設(shè)計與應(yīng)用

張昌太 張啟軍 張筱川 王永洪 白曉宇 劉永鑫 李學(xué)豐

（1.青島業(yè)高建設(shè)工程有限公司；2.西北綜合勘察設(shè)計研究院青島分院；3.青島慧?？萍加邢薰荆?.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院；5.山東大學(xué)齊魯醫(yī)院（青島））

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，對地下空間的開發(fā)力度越來越大，有很大一部分深基坑涉及到石方開挖，采用炸藥爆破無疑是一種最經(jīng)濟高效的方法。復(fù)雜環(huán)境條件下的石方爆破工程，對爆破的振動等有嚴(yán)格的要求，對于深基坑來說，一方面，要保證不能對周邊建（構(gòu)）筑物和管線的安全使用產(chǎn)生影響，另一方面，不能對基坑側(cè)壁的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞性影響。如何確定炸藥爆破和靜態(tài)破碎的范圍是石方開挖的一個重點和難點。

基坑的特點決定了爆源距離基坑側(cè)壁支護(hù)結(jié)構(gòu)最近，影響較大，但這種情況的研究相對較少，孫鵬昌等［1］進(jìn)行了深基坑開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響及其機理研究，研究表明爆破加載作用在波阻抗較小的巖土體邊界上，易使支護(hù)樁與巖土體的交界面產(chǎn)生受拉損傷，爆破加載使不同排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力產(chǎn)生重新分配調(diào)整，爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響主要是爆破地震波與支護(hù)樁以及巖土體相互作用的綜合結(jié)果。林潮等［2］進(jìn)行了爆破開挖對深基坑吊腳樁支護(hù)體系性能影響數(shù)值模擬研究，通過分析爆破震動引起深基坑巖土體塑性區(qū)的變化、應(yīng)力波傳播過程中速度放大效應(yīng)及特征監(jiān)測點速度時程變化，得出爆破震動對深基坑吊腳樁支護(hù)體系的動力響應(yīng)規(guī)律，并提出吊腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu)各部位振動速度的建議控制標(biāo)準(zhǔn)（基底邊緣振動速度控制在10～20 cm/s，而預(yù)留樁前巖肩速度控制在8～15 cm/s，地表土振動速度控制10 cm/s以下）。同時，對于周邊環(huán)境條件，針對不同的建（構(gòu)）筑物和管線，對安全允許支點振動速度具有不同的要求。不同的爆破部位需要滿足上述已有結(jié)構(gòu)最敏感的要求。

根據(jù)爆破振動衰減理論，爆源條件和傳播途徑是影響爆破振動的兩大因素。其中，爆源條件因素主要包含炸藥種類、孔網(wǎng)參數(shù)、單段最大裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)和延遲時間等；傳播途徑因素主要包含巖石性質(zhì)、地質(zhì)與地形條件、爆心距等。因此，在工程實踐中進(jìn)行爆破振動控制時，可采取調(diào)整爆破方法和爆破參數(shù)等措施，從爆源條件和傳播途徑2個方面對爆破振動進(jìn)行控制［3］。隨著數(shù)碼電子雷管的推廣應(yīng)用，逐孔爆破理論和技術(shù)得到了迅速發(fā)展，專家學(xué)者對此做了大量的研究。付天光等［4］分析了逐孔爆破合理微差時間選擇方法及爆破網(wǎng)路安全性問題，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗驗證。鄧秀艷等［5］采用逐孔起爆技術(shù)減少爆破振動，顯著降低了對周邊建筑物的影響。楊相志等［6］做了復(fù)雜環(huán)境條件下的逐孔松動爆破技術(shù)試驗研究。結(jié)合逐孔爆破和松動爆破各自的優(yōu)點，逐孔松動爆破技術(shù)在工程實踐中廣泛應(yīng)用，顯著降低爆破振動，控制爆破飛石，改善爆破效果明顯。

對于石方采用炸藥爆破的方法，即便采取逐孔松動爆破技術(shù)，要達(dá)到石方破碎后機械開挖較為容易，也需要確保一定的單方炸藥消耗量，臨近爆源區(qū)域的質(zhì)點振動速度仍然很大，孫鵬昌等［1］的研究表明，緊鄰爆區(qū)的支護(hù)樁最大爆破振動速度超過30 cm/s，遠(yuǎn)大于可參照的爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)，樁頂爆破振動存在放大效應(yīng)。因此，臨近基坑側(cè)壁的部位需要采取相應(yīng)的辦法，降低對臨近支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，使支護(hù)結(jié)構(gòu)正常運行，保證基坑的穩(wěn)定性。

炸藥爆破的減震措施常設(shè)置減震槽、減震孔等方法。鄒奕芳［7］通過減震槽減震效果的爆破試驗研究發(fā)現(xiàn)，爆心距為5 m 時，減震槽的減震率為29%～41%，爆破地震波的強度沿減震槽中垂線方向朝兩側(cè)擴散。與減震槽相比，減震孔雖然沒有減震槽的減震效果理想，但減震孔以施工簡單效率快的特點在工程實踐中應(yīng)用較多，也有這方面的一些試驗研究。黎罡［8］利用Midas/GTS模擬工程爆破中減震孔的隔震效果，得到爆心距為5 m 時，減震率為15% 左右，減震孔的孔距越小，隔震效果越好，減震孔的排數(shù)越多，隔震效果約好，減震孔的爆心距在一定范圍內(nèi)較小時，減震孔的隔震效果更好。

當(dāng)采取一定的減震措施，爆破振速仍然超過安全標(biāo)準(zhǔn)時，可采取非炸藥爆破破碎的方法，包括機械破碎和靜態(tài)膨脹破碎等，機械破碎錘的動力來源一般是挖掘機、裝載機或泵站提供的動力，驅(qū)動活塞往復(fù)運動，活塞沖程時高速撞擊釬桿，由釬桿破碎巖體，提高工作效率。該方法的優(yōu)點是對臨近結(jié)構(gòu)影響小，軟巖破碎的效率較高，缺點是噪音大、持續(xù)時間長，對硬巖破碎效率低、成本高。靜態(tài)膨脹破碎是在巖體上按一定密度和深度打孔，將靜態(tài)破碎劑加水?dāng)嚢?，灌入孔?nèi)，發(fā)生水化反應(yīng)，體積膨脹，把巖石漲破。該方法的優(yōu)點是對臨近結(jié)構(gòu)基本無影響，無振動和噪音，缺點是功效慢，造價很高。

深基坑工程是一項危險性較大的分部分項工程，巖質(zhì)基坑的開挖方法和施工組織是否合理，對支護(hù)體系是否能保證基坑的穩(wěn)定性有重大影響，對周邊環(huán)境能否正常使用有重大影響。不合理的土石方開挖方法、步驟可能導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)失效而造成基坑失穩(wěn)，也可能導(dǎo)致基坑周邊建（構(gòu)）筑物及管線的損壞，造成事故。因此，對于巖質(zhì)基坑的破碎開挖，應(yīng)因地制宜，兼顧安全、快速、經(jīng)濟的原則，合理劃分采用不同破碎方法的區(qū)段，制定合理的爆破（破碎）參數(shù)及順序等，都需要進(jìn)行周密設(shè)計。

青島某深基坑工程項目，通過現(xiàn)場炸藥爆破試驗，獲得在一定的爆破參數(shù)條件下、設(shè)置與未設(shè)置減震孔、不同爆心距的質(zhì)點振速測試數(shù)據(jù)，對基坑石方破碎方案進(jìn)行優(yōu)化細(xì)化，劃分出不同破碎方法的范圍，制定合理的爆破（破碎）施工參數(shù)與科學(xué)的爆破網(wǎng)路，施工過程中加強爆破振動測試以及基坑變形和應(yīng)力監(jiān)測，以保證基坑安全及周邊環(huán)境的正常使用。

1 工程概況

某項目位于青島市市北區(qū)，建設(shè)用地面積約4.1萬m2?；又荛L約800 m，基坑深度為15～49 m，基坑側(cè)壁土層采用吊腳樁錨支護(hù)，巖層采用鋼管樁+錨桿支護(hù)。

場區(qū)地形起伏較大，整體北高南低，場區(qū)西側(cè)原有一條自北向南的沖溝，后被人工回填。場區(qū)地貌類型屬于剝蝕斜坡-侵蝕堆積溝谷，后經(jīng)人工回填改造。根據(jù)地勘報告，場區(qū)需要破碎后開挖的石方地層：第（17）層中等風(fēng)化帶較廣泛揭露于場區(qū)，揭露厚度為0.5～5.0 m，巖石為軟巖，巖體較破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，屬碎裂狀塊狀結(jié)構(gòu)巖體；第（18）層微風(fēng)化帶較廣泛揭露于場區(qū)，揭露厚度為0.8～8.2 m，巖石為堅硬巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅱ級，為整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查分析，周邊環(huán)境條件復(fù)雜，最終確定爆破工程重點保護(hù)對象見表1。

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本項目采用了多種支護(hù)形式，以巖石邊坡為主的部分，根據(jù)深度的不同，有一級微型樁支護(hù)、二級微型樁支護(hù)、三級微型樁支護(hù)。東側(cè)與一期院區(qū)之間有垂直臨空面，采用微型鋼管樁+對穿錨索支護(hù)。南側(cè)西半部上部砂土層較厚，采用上部樁錨支護(hù)（灌注樁吊腳）、下部微型樁支護(hù)形式。北坡根據(jù)使用功能上半部（標(biāo)高52 m 以上）是永久邊坡，先做臨時支護(hù)，后做永久格構(gòu)梁板。

2 初步爆破方案與爆破試驗

2.1 初步爆破方案

該基坑設(shè)計要求支護(hù)結(jié)構(gòu)處爆破振速不高于2 cm/s，爆破公司提報的石方爆破方案是基坑內(nèi)周邊預(yù)留6 m 范圍采用靜態(tài)膨脹方法破碎，內(nèi)部采用城鎮(zhèn)控制爆破。靜態(tài)破碎的范圍較大，經(jīng)測算造價很高、工期太長。經(jīng)咨詢行業(yè)專家關(guān)于爆破減振措施及振速控制值方面的意見，決定采用逐孔松動爆破并設(shè)減震孔的措施，建議調(diào)整基坑及邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)安全振動速度允許值為10 cm/s，通過現(xiàn)場試驗進(jìn)行驗證與調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

2.2 炸藥爆破試驗方案

試驗方案一：試驗爆破區(qū)為5 m×5 m，均有臨空面，符合現(xiàn)場實際爆破工況。鉆孔直徑為42 mm，采用梅花形布置，孔位排距為0.5 m，孔距為0.6 m，單孔藥量為0.1 kg，孔深為1 m，超深0.3 m。設(shè)置2 排減振孔，孔徑為90 mm，孔距為200 mm，排距為200 mm，梅花形布置，孔深超過爆破打孔深度1 m。

試驗方案二：試驗爆破區(qū)為3 m×3 m，均有臨空面，臨空面符合現(xiàn)場實際爆破工況。鉆孔直徑為42 mm，采用梅花形布置孔位，孔位排距為0.5 m，孔距為0.6 m，單孔藥量為0.1 kg，孔深為1 m，超深0.3 m。減振孔設(shè)置同試驗一。

試驗材料設(shè)備：采用鑿巖機鉆孔，選用2#巖石乳化炸藥，數(shù)碼電子雷管起爆。

爆破試驗操作流程：鉆孔→裝藥入孔→炮孔填塞→進(jìn)入項目管理平臺→條碼錄入→并聯(lián)組網(wǎng)→網(wǎng)絡(luò)檢測→網(wǎng)絡(luò)授時→充電起爆→爆區(qū)檢查→數(shù)據(jù)上傳。

2.3 振速監(jiān)測數(shù)據(jù)

試驗方案一設(shè)置2個振速監(jiān)測點，監(jiān)測點與減振孔同側(cè)，監(jiān)測點1 距爆破區(qū)直線距離2 m，監(jiān)測點2 距離爆破區(qū)域10 m。實測數(shù)據(jù)見表2。

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試驗方案二設(shè)置3 個監(jiān)測點，監(jiān)測點1 和監(jiān)測點2 與減振孔同側(cè)，監(jiān)測點1、監(jiān)測點2 距爆破區(qū)直線距離分別為2、2.5 m，監(jiān)測點3 位于無減振孔一側(cè)，距離爆破區(qū)域2 m。實測數(shù)據(jù)見表3。

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通過2 次爆破試驗，對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，得出以下結(jié)論：

（1）爆破振速實測值均超出理論計算值，平均超出9.8%，最大超出14.6%。

（2）在設(shè)置減振孔的情況下，距離爆破區(qū)域2 m的振速不能滿足設(shè)計10 cm/s的控制值。

（3）在設(shè)置減振孔的情況下，距離爆破區(qū)域2.5 m的振速滿足設(shè)計10 cm/s的控制值。

（4）通過試驗二對比可發(fā)現(xiàn)，減震孔有一定的減震效果，本次試驗減震效果為（16.52-12.8）/16.52*100%=22.52%。

2.4 靜態(tài)破碎試驗及結(jié)論

試驗區(qū)域選在靠近基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的寬度3 m、長度5 m 范圍，對試驗區(qū)域上層軟巖機械挖掘、人工清運，裸露出堅硬巖石，并在臨近基坑內(nèi)側(cè)部分開挖出深度2 m 的臨空面。試驗靜態(tài)破碎孔距為0.4 m，排距為0.4 m，孔深2 m，鑿巖機鉆孔，鉆頭直徑為38～42 mm，灌裝主要成分為氧化鈣的靜態(tài)膨脹劑。

試驗材料設(shè)備：靜態(tài)膨脹劑600 kg，風(fēng)動鑿巖機2臺，450型挖掘機一臺。

試驗情況及結(jié)論：鉆孔、裝靜態(tài)膨脹劑時間為1 d，靜態(tài)膨脹約12 h。第二天挖掘機破碎、開挖半小時完成，對支護(hù)結(jié)構(gòu)無影響。

2.5 靜態(tài)破碎范圍建議

根據(jù)專家意見和設(shè)計要求，通過試驗實測數(shù)據(jù)分析，爆心距3 m 的理論振速計算值為6.95 cm/s，考慮實測值超出計算值15%，因此爆心距3 m 位置實際振速計算為8 cm/s，滿足設(shè)計要求。爆心距2 m 位置不設(shè)減振孔理論計算值為14.4 cm/s，超出設(shè)計允許值10 cm/s達(dá)44%；試驗實測爆心距2 m位置不設(shè)減振孔一側(cè)振速為16.52 cm/s，超出設(shè)計允許值達(dá)65.2%。經(jīng)分析，即使試驗條件、臨空面最理想狀態(tài)下也難以滿足設(shè)計允許的振速要求。據(jù)此，技術(shù)上提出2個可行的方案。

方案一：距支護(hù)結(jié)構(gòu)2.5 m 范圍采取靜態(tài)膨脹破碎，并按專家意見設(shè)減振孔。

方案二：距支護(hù)結(jié)構(gòu)3 m 范圍采取靜態(tài)膨脹破碎，不設(shè)減振孔。

對剩余工程量進(jìn)行經(jīng)濟性分析，方案一造價約為2 302.1萬元，方案二造價約為1 652.6萬元，方案一造價高出方案二649.5萬元，高出39%，方案二性價比優(yōu)于方案一，綜合考慮選用方案二。

3 石方爆破優(yōu)化方案

通過專家咨詢、圖紙優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗數(shù)據(jù)，縮小靜態(tài)膨脹破碎范圍，由原設(shè)計的6 m 范圍優(yōu)化為3 m。炸藥爆破區(qū)域采用城鎮(zhèn)淺孔逐孔松動微差爆破技術(shù)，爆破a 區(qū)域?qū)挾?0 m、臺階高度1 m；爆破b 區(qū)域?qū)挾?0 m、臺階高度2.0 m；核心爆破c 區(qū)域臺階高度3.0 m；爆破開挖順序自中間向四周（c→b→a）進(jìn)行，平面施工區(qū)段劃分見圖1。

根據(jù)最新設(shè)定的爆破區(qū)域范圍，依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，設(shè)定重點保護(hù)對象的爆破振速安全控制標(biāo)準(zhǔn)，見表4。

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3.1 爆破參數(shù)

3.1.1 孔網(wǎng)參數(shù)

鉆孔直徑d=38～42 mm，梅花形布孔，垂直鉆孔，臺階高度H=1.0～3.0 m，底盤抵抗線W1=（0.4～1.0）H，孔距a=0.3～1.4 m，排距b=0.2～1.3 m，超深h=0.3 m，孔深L=H+h=1.3～3.3 m。

3.1.2 裝藥參數(shù)

基坑爆破炸藥單耗q=0.3～0.40 kg/m3。依照藥量計算公式Q=kqabH（k=1.1～1.2）計算單孔藥量。不同臺階高度單孔藥量計算參考值見表5。

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3.1.3 單段藥量

由于爆源至保護(hù)物距離不同，所允許的最大單段藥量不同，因此需要設(shè)計出若干不同距離下對應(yīng)不同單段藥量，以滿足實際施工安全高效要求。依據(jù)項目環(huán)境特點和單段藥量計算公式Q=R3（V/K）3/α計算，確定本設(shè)計單段藥量及區(qū)域劃分為淺孔a區(qū)域單段藥量0.1 kg，淺孔b 區(qū)域單段藥量0.9 kg，淺孔c區(qū)域單段藥量1.8 kg。

3.1.4 試爆調(diào)整

以上計算藥量為試爆藥量，目的是在滿足周邊建（構(gòu)）筑物和管線振速控制要求的前提下，進(jìn)行多次試爆，實時收集不同點的振速和距離數(shù)據(jù)，通過回歸曲線方程，推導(dǎo)出存在密集空孔情況下K、α的真實值。然后在此基礎(chǔ)上，重新調(diào)整適合的爆破參數(shù)，達(dá)到滿足控制振動速度的同時，提高爆破作業(yè)的效果和經(jīng)濟性。

3.2 起爆網(wǎng)路設(shè)計

根據(jù)該工程周邊環(huán)境特點，為有效控制爆破地震及飛散物等有害效應(yīng)，起爆網(wǎng)路采用數(shù)碼電子雷管毫秒微差起爆網(wǎng)路，按不同距離及相應(yīng)單段最大藥量分段，控制最大一段起爆藥量不超過安全允許值。網(wǎng)路連接采用并聯(lián)網(wǎng)路，爆破主線分別卡入電子雷管快速接線夾卡槽內(nèi)。設(shè)定每個電子雷管的起爆延時時間。數(shù)碼電子雷管起爆延時時間的設(shè)定取決于單段起爆藥量和一次允許起爆藥量的大小。做到一次起爆的藥量和炮孔數(shù)量可有效控制，防止起爆過多、爆破振動過大而產(chǎn)生危害。

一次起爆網(wǎng)路連接的總延時設(shè)置應(yīng)小于16 000 ms。連接示意圖見圖2、圖3。

3.3 爆破振速安全校核

根據(jù)已進(jìn)行的爆破設(shè)計，對施工區(qū)周邊重點建筑物和管線進(jìn)行爆破振動校核，爆破振動安全允許振速校核公式為V=K（Q1/3/R）α。經(jīng)計算，爆區(qū)周邊重點保護(hù)物安全振速校核結(jié)果見表6。

4 靜態(tài)破碎方案實施

靜態(tài)破碎設(shè)計孔距按照試驗成功的參數(shù)設(shè)置：間距為0.4 m，排距為0.4 m，孔深2 m，鉆孔直徑為38～42 mm?；又虚g先采用炸藥爆破開挖，臨近基坑側(cè)壁3 m 時停止炸藥爆破，為靜態(tài)破碎提供良好臨空面。靜態(tài)破碎中產(chǎn)生大塊石時，采用大型挖掘機液動錘破碎巖塊裝車，對于靜態(tài)破碎效果不佳的，也使用液動錘配合破碎作業(yè)。

5 工程應(yīng)用情況

5.1 安全監(jiān)測情況

本項目的監(jiān)測內(nèi)容包括爆破振速監(jiān)測及基坑監(jiān)測，基坑監(jiān)測內(nèi)容包括坡頂水平位移及沉降觀測、周邊地面沉降觀測、管線沉降觀測、周邊建筑物沉降觀測、錨桿拉力監(jiān)測等。重點監(jiān)測部位的控制值和監(jiān)測值見表7。

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監(jiān)測各項數(shù)據(jù)表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑周邊環(huán)境均沒有發(fā)生過大的位移和沉降，基坑在安全受控范圍內(nèi)正常運行。

5.2 效果效益分析

本項目采用炸藥爆破部位，每天爆破方量為1 000～3 000 m3，采用靜態(tài)破碎部位，每天破碎方量為100～200 m3。炸藥爆破與靜態(tài)破碎相比，效率提高10倍以上，單方成本為靜態(tài)破碎的1/10 以內(nèi)，最大范圍的炸藥爆破為項目加快了工期，減短了對周邊居民的影響時間，節(jié)省了造價。

6 結(jié) 語

本項目基坑內(nèi)部石方采用城鎮(zhèn)淺孔逐孔松動爆破技術(shù)，控制單次起爆藥量，采用微差爆破技術(shù)，臨近支護(hù)結(jié)構(gòu)部位的爆破振速控制在10 cm/s 以內(nèi)，將周邊靜態(tài)破碎范圍由6 m 縮減為3 m，對支護(hù)結(jié)構(gòu)未造成破壞性影響，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全運行，使基坑開挖工期大大加快，造價得以控制。通過該項目設(shè)計與應(yīng)用實踐，總結(jié)如下幾點：

（1）基坑石方開挖方案設(shè)計前，要對基坑周邊環(huán)境條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對擬保護(hù)的建（構(gòu)）筑物及管線以及側(cè)壁支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全振速進(jìn)行合理確定，找出對爆破振速最敏感的重點保護(hù)對象。

（2）復(fù)雜環(huán)境基坑內(nèi)部石方爆破，應(yīng)采用城鎮(zhèn)淺孔逐孔松動爆破技術(shù)，控制單次起爆藥量，采用微差爆破技術(shù)，將重點保護(hù)對象的爆破振速控制在允許范圍以內(nèi)。距離太近采用炸藥爆破無法保證安全時，采用打眼灌注靜態(tài)膨脹劑破碎。

（3）應(yīng)先進(jìn)行爆破試驗，獲取試驗數(shù)據(jù)，為爆破范圍及參數(shù)設(shè)計提供第一手資料。爆破施工前期進(jìn)行多次試爆，校驗爆破振速等有害效應(yīng)，檢驗對臨近結(jié)構(gòu)及環(huán)境的影響程度。

（4）基坑開挖及支護(hù)過程中，應(yīng)嚴(yán)格進(jìn)行爆破振速、變形監(jiān)測及相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測，及時反饋設(shè)計、施工等各方主體單位，動態(tài)設(shè)計，信息化施工，保證基坑安全和周邊環(huán)境的正常使用。