數(shù)字技術(shù)在中心城區(qū)道路基坑施工中的應(yīng)用

李冀清

1. 上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應(yīng)用機(jī)器人工程技術(shù)研究中心 上海 200072

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

武寧路快速化改建工程位于上海市普陀區(qū)，武寧路現(xiàn)狀交通繁忙，兩側(cè)建筑物密集，地下管線較多，環(huán)境復(fù)雜，對既有設(shè)施的保護(hù)要求高。該工程西起中環(huán)線真北路立交東側(cè)，向東穿越內(nèi)環(huán)高架路后至東新路，全長約3.5 km，其中明挖地道主線長2.86 km，采用明挖隧道形式，自西向東依次下穿大渡河路、蘭溪路、曹楊路、中山北路等交叉口。

1.2 基坑概況

武寧路A23基坑位于蘭溪路和武寧路交叉口。A23基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚800 mm地下連續(xù)墻，槽深28.95 m，φ1 000 mm立柱樁的樁長42 m，坑內(nèi)加固采用高壓旋噴樁裙邊加抽條的形式，基坑開挖深度15 m，設(shè)置4道支撐，第1道采用混凝土支撐（800 mm×800 mm支撐、1 000 mm×1 000 mm圈梁），其余3道采用φ609 mm鋼支撐。

1.3 施工難點(diǎn)

1）既有建筑物距離基坑較近。武寧路規(guī)劃道路紅線為50 m，A23基坑西北側(cè)43.5 m處為第一酒市，西南側(cè)32.8 m處為真如一村居民樓，東北側(cè)17.7 m處為蘭溪公寓，東南側(cè)9.8 m處為北嶺園居民樓。東南側(cè)既有建筑物在2倍開挖深度內(nèi)，需要重點(diǎn)監(jiān)測。

2）既有地下市政管線復(fù)雜。武寧路路面下排布有各大管線，周邊存在管線種類較齊全，地道施工，將管線空間壓縮得較小，導(dǎo)致管線均距離基坑較近，施工過程中基坑兩側(cè)的路燈、污水、雨水、燃?xì)?、給水、電力、信息（非開挖）等管線，除了部分搬遷管線外，還需做好保護(hù)工作，維持居民的生活使用（圖1）。

圖1 蘭溪路A22、A23基坑與市政管線的關(guān)系

3）交通組織難度大，施工場地狹小。由于武寧路施工斷面較小，根據(jù)實(shí)施線位置，斷面寬度50 m，需滿足8根機(jī)動(dòng)車道＋2根人行通道的正常運(yùn)行（約32 m），因此施工可用空間不足18 m，基坑寬度13 m，致使基坑南北方向基本無施工通道。

針對上述難點(diǎn)，該工程采用數(shù)字化技術(shù)輔助項(xiàng)目施工方案的制定和實(shí)施。

2 基于BIM的施工籌劃模擬

2.1 施工初步策劃

由于需要保證武寧路東西向交通，A23基坑將在圍護(hù)施工階段進(jìn)行分階段施工，第1階段先施工A23北側(cè)圍護(hù)（圖2中1），道路翻交后進(jìn)行第2階段南側(cè)圍護(hù)施工（圖2中2），最后基坑進(jìn)行整體開挖和結(jié)構(gòu)施工，待A23基坑完成，實(shí)施左側(cè)A22基坑（圖2中3）。

圖2 蘭溪路A22、A23基坑施工順序

2.2 交通組織細(xì)化

A23北側(cè)基坑施工時(shí)，在北側(cè)地下連續(xù)墻外預(yù)留窨井，并新建雨水管；A23南側(cè)基坑施工時(shí)，需將南北雨水管接通，此時(shí)需完成既有雨水井的改造工作，因此該階段的交通組織，需同時(shí)考慮蘭溪路北側(cè)φ2 400 mm雨水井的改造和南側(cè)基坑施工的交通占道情況（圖3）。

圖3 蘭溪路基坑北側(cè)φ2 400 mm雨水井改造對交通組織的影響

整個(gè)路口施工共分為4個(gè)階段，第1階段施工高壓旋噴樁（MJS）對原雨水管進(jìn)行加固，施工期間路口南向北單向通行；第2階段施工拉森鋼板樁基坑圍護(hù)，施工期間南向北車道移至圍場西側(cè)，同時(shí)路口南側(cè)圍場向西外擴(kuò)進(jìn)行A23節(jié)段老管清障；第3階段施工臨封臨排鋼沉井及排水鋼管，施工期間圍場東側(cè)區(qū)域釋放，路口東向南左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車由此處通行，同時(shí)A23圍場回收至第1階段位置；第4階段施工雨水井結(jié)構(gòu)，施工期間圍場東側(cè)僅留人非通道，路口東向南左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車道再調(diào)整到圍場西側(cè)通行，同時(shí)路口南側(cè)圍場再次向西外擴(kuò)進(jìn)行A23節(jié)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工（圖4）。

圖4 蘭溪路基坑南側(cè)交通組織4階段模擬

基于BIM模擬，該工程的交通組織方案保證了基坑施工時(shí)，蘭溪路南北向的正常通行，武寧路東西向維持始終保持7車道通行，最大可能地保證了道路交通的通暢。同時(shí)，通過基坑施工將蘭溪路原φ1 500 mm雨水管，改造為東西φ1 800 mm和南北φ2 200 mm雨水管，優(yōu)化了雨水管網(wǎng)布置。

2.3 基坑施工模擬

根據(jù)交通組織籌劃，首先施工北側(cè)基坑，包括北側(cè)基坑的槽壁加固和地下連續(xù)墻圍護(hù)施工，坑底立樁施工和旋噴樁加固，首層混凝土支撐，至首層棧橋板施工完成，隨后開放北側(cè)交通。

南側(cè)基坑施工時(shí)，同樣首先進(jìn)行基坑圍護(hù)施工，即利用三軸攪拌樁機(jī)進(jìn)行槽壁加固，成槽機(jī)地下連續(xù)墻施工，鉆孔灌注樁施工，并采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固。

隨后，采用1臺反鏟挖機(jī)和2臺小挖機(jī)配合施工，反鏟挖機(jī)先將南坑開挖，后續(xù)小挖機(jī)配合反鏟挖機(jī)掏挖北坑棧橋板下以及角落土體。鋼支撐安裝采用25 t汽車吊配合挖機(jī)及棧橋下預(yù)留吊鉤進(jìn)行安裝，先安裝西南角角撐，順時(shí)針安裝西北、東北、東南角角撐，最后形成對撐。

在基于BIM模擬的施工過程中，發(fā)現(xiàn)在A23基坑的南北兩坑施工時(shí)，需在基坑內(nèi)西側(cè)頂部分別預(yù)留管線橋，用于通信管線的搬遷。經(jīng)評估，采用該種施工方式可以節(jié)約通信割接2個(gè)月時(shí)間，即在支撐棧橋節(jié)段預(yù)留3 m×2 m的U形槽通信管線橋，在基坑開挖過程中即可進(jìn)行管線割接（圖5）。

圖5 基于BIM模擬優(yōu)化基坑開挖中的通信管線的搬遷

A23基坑采用半蓋挖法進(jìn)行施工，南北兩側(cè)施工方式相同。首層棧橋板用于施工機(jī)械停放和車輛行駛。首先，圍護(hù)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)過程中進(jìn)行基坑降水，降水完成后將基坑分為4層進(jìn)行開挖，按照牛腿、鋼筋混凝土角撐、鋼支撐的順序，隨挖隨撐，鋼支撐通過先前地下連續(xù)墻施工預(yù)留的鋼板完成和地下連續(xù)墻的焊接。當(dāng)土方開挖至基坑底部，施工底板混凝土墊層，澆筑底板與部分側(cè)墻，待底板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求值后，拆除第3、第4道鋼支撐和角撐，再向上澆筑側(cè)墻和中隔墻。搭設(shè)滿堂腳手架，施工地道主體結(jié)構(gòu)頂板。地道主體施工完畢后，施工南北向φ2 200 mm雨水管，最后割除第1道混凝土支撐，回填土方恢復(fù)交通。頂板預(yù)留通風(fēng)井洞口，待中央綠化帶施工時(shí)，同步澆筑通風(fēng)井。

3 基于軸力監(jiān)測系統(tǒng)保證基坑施工安全

僅通過BIM優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)是不夠的，在工程實(shí)施過程中，由于蘭溪路所處的曹楊地塊的建筑物建于20世紀(jì)八九十年代，建筑物本身有一定的沉降和傾斜，因此采用鋼支撐及伺服系統(tǒng)控制基坑的沉降變形。對第2道和第3道支撐，采用單端伺服鋼支撐系統(tǒng)，最大設(shè)計(jì)軸力達(dá)到593 kN/m。當(dāng)軸力損失達(dá)到設(shè)計(jì)值的20%時(shí)，須進(jìn)行軸力補(bǔ)償。

基坑支撐軸力自動(dòng)控制系統(tǒng)是采用機(jī)電液一體化控制與監(jiān)控的系統(tǒng)，對支撐軸力進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)測與采集，系統(tǒng)根據(jù)傳感器所測得的支撐軸力作為反饋，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控支撐軸力，形成力的閉環(huán)伺服系統(tǒng)，有效控制和減少建筑深基坑施工引起的基坑變形，確保地鐵生命線等管線的安全[1-4]。

該系統(tǒng)采用了以下技術(shù)：

1）液壓控制技術(shù)。油泵從油箱吸油后向系統(tǒng)供油，通過比例溢流閥調(diào)壓，經(jīng)電磁換向閥切換油路，千斤頂作為執(zhí)行器。電磁換向閥中位可無內(nèi)泄保壓，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，油泵為間歇性工作。

2）集散控制技術(shù)（DCS）。實(shí)施基于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的分散控制和集中管理。分散控制包括：各工作站自行檢測、調(diào)控各支撐的軸力；各工作站自行檢測故障和異常情況，自動(dòng)報(bào)警并執(zhí)行安全措施。集中管理包括：集中設(shè)置、管理整個(gè)系統(tǒng)和各工作站的性能參數(shù)、控制參數(shù)；統(tǒng)一管理各工作站的運(yùn)行，正常運(yùn)行時(shí)封鎖各工作站的操作界面，確保安全；特殊情況下，在總控站對部分指定工作站進(jìn)行調(diào)整；集中采集各工作站施工數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，也可進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸、異地監(jiān)控。

3）支撐軸力調(diào)控技術(shù)。支撐首次安裝后處于空載狀態(tài)，先進(jìn)行預(yù)撐，將支撐頂緊基坑，預(yù)撐壓力按支撐軸力設(shè)定值的百分比設(shè)置。支撐預(yù)撐后檢查支撐狀態(tài)，通過檢查后，進(jìn)行支撐加載，使支撐軸力達(dá)到設(shè)定值。支撐壓力低于軸力設(shè)定值的偏差下限時(shí)，啟動(dòng)泵站，執(zhí)行支撐軸力欠載調(diào)控功能，使支撐壓力恢復(fù)到設(shè)定值。支撐壓力高于軸力設(shè)定值的偏差上限時(shí)，啟動(dòng)泵站，執(zhí)行支撐軸力超載調(diào)控功能，使支撐壓力恢復(fù)到設(shè)定值。支撐軸力調(diào)控到位后，關(guān)停泵站，支撐壓力以液壓鎖保持。

為確?；邮┕さ陌踩?，在建立伺服軸力預(yù)警機(jī)制的基礎(chǔ)上，還同步建立了變形預(yù)警機(jī)制。設(shè)置以下3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)層級，提醒項(xiàng)目部進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。

1）正常：無變形異常加速，變形特征曲線趨于收斂。

2）預(yù)警二級：變形異常加速，變形特征曲線無收斂跡象，日均變形速率差值連續(xù)2 d大于2 mm/d。

3）預(yù)警一級：變形異常加速，變形特征曲線無收斂跡象，日均變形速率差值連續(xù)3 d大于2 mm/d。

4 結(jié)語

武寧路快速化改建工程是上海市快速路系統(tǒng)規(guī)劃“一橫三環(huán)＋十字九射”布局形態(tài)中的一“射”，也是上海西部中心城的一條重要射線快速通道，更是銜接G2京滬高速公路入城段的一條內(nèi)外交通轉(zhuǎn)換的重要通道。該工程的進(jìn)度和質(zhì)量管理不言而喻，但同時(shí)還需最大限度地保證居民生活和出行不受影響?；贐IM和軸力監(jiān)測系統(tǒng)等數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，不僅優(yōu)化了工程施工組織設(shè)計(jì)，確保了有序施工和按期完工，而且更容易得到相關(guān)審批部門和附近居民的理解，助推工程建設(shè)順利實(shí)施。

數(shù)字化技術(shù)的不斷應(yīng)用，使中心城區(qū)市政工程施工組織和施工過程的精細(xì)化管理成為可能，并進(jìn)一步增強(qiáng)了中心城區(qū)城市更新建設(shè)的可操作性。