基于BIM技術(shù)的深基坑支護(hù)施工技術(shù)應(yīng)用及案例探討

文｜南通建工集團(tuán)股份有限公司 李斯賢 宗俊

近年來我國經(jīng)濟(jì)和建筑業(yè)蓬勃發(fā)展，大型建筑工程越來越多且基坑開挖的深度也越來越深，深基坑技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。深基坑工程通常具有風(fēng)險系數(shù)高、施工難度大、專業(yè)性強(qiáng)等特點，通過引進(jìn)BIM 技術(shù)，技術(shù)人員對施工技術(shù)不斷改革創(chuàng)新，對工程施工過程進(jìn)行動態(tài)化分析，開發(fā)了經(jīng)濟(jì)合理、廣泛適用的深基坑施工技術(shù)。

1.基于BIM 技術(shù)的深基坑支護(hù)施工技術(shù)特點

1.1 關(guān)于BIM 技術(shù)

BIM 即建筑信息模型，是通過計算機(jī)將建筑工程的各項信息通過三維建筑信息模型演示出來，進(jìn)而使三維建筑信息模型在建筑工程的設(shè)計、施工、改造等各個階段被運用，可顯著提高建筑信息的傳達(dá)效率以及傳達(dá)完整性[1]。BIM 技術(shù)應(yīng)用于建筑工程，使得工程建設(shè)具有可視化、可模擬化以及易優(yōu)化改進(jìn)等特點。

1.2 深基坑支護(hù)施工技術(shù)特點

在建筑施工的過程中，深基坑施工技術(shù)主要包括地下連續(xù)墻、錨桿支護(hù)、鋼板樁支護(hù)、水泥攪拌樁支護(hù)、灌注樁支護(hù)以及土釘支護(hù)等方式。不同的支護(hù)方式有不同的特點，在實際施工過程中，須結(jié)合現(xiàn)場實際情況，選擇一種、兩種甚至多種支護(hù)相結(jié)合的方式。各種支護(hù)方案及其特點如表1所示。

表1 不同支護(hù)方案的特點

2.工程概況

華電科技園01 地塊項目位于南京市棲霞區(qū)邁皋橋街道。建筑高度99.9m；總建筑面積95496m2，地下建筑面積33275m2，地上建筑面積62221m2。其中主區(qū)地下室建筑面積為15217 m2，地下3 層，基坑開挖深度為15 m；次區(qū)地下室建筑面積為18058 m，地下6 層，基坑開挖深度為22m。地上建筑層數(shù)：主樓26 層（辦公），裙樓5 層（商業(yè)）。建筑結(jié)構(gòu)形式：鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。該項目北側(cè)及西側(cè)為已建地上5 層，地下兩層的商業(yè)，距離4m。東側(cè)為內(nèi)部道路距離基坑10m 左右，南側(cè)為3 層辦公樓，條形基礎(chǔ)，埋深3.5m，距基坑邊2m 左右。

基坑開挖土層地質(zhì)概況由上向下具體為：①-1 層雜填土，①-2 層素填土，②層粉質(zhì)粘土，③層粉質(zhì)粘土，④層全風(fēng)化閃長巖，⑤-1A 層強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，⑤-1 層強(qiáng)風(fēng)化閃長巖，⑤-2A 層中風(fēng)化閃長巖，⑤-2層中風(fēng)化閃長巖。穩(wěn)定地下水位，位于地面下1m 左右。

3.支護(hù)體系的優(yōu)化及選擇

3.1 初步設(shè)計方案

運用BIM 技術(shù)根據(jù)建筑工地地質(zhì)情況和環(huán)境來選擇支護(hù)形式。支護(hù)形式的選擇是以深基坑支護(hù)施工的設(shè)計方案為根本依據(jù)。設(shè)計方案的安全性、可靠性以及適用范圍，對于建筑施工而言意義重大。方案的確定要安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，便于施工，獲得專家認(rèn)同方可施工[2]。

根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，本工程初步設(shè)計采用的方案是使用柱列式排樁和混凝土桁架混凝土內(nèi)支撐擋土，采用的止水方式是三軸深層攪拌樁止水。在主區(qū)地下室設(shè)計2 道內(nèi)支撐，在次區(qū)地下室設(shè)置4 道內(nèi)支撐，因主區(qū)、次區(qū)深度相差較大，在主次區(qū)交接部位再設(shè)置一圈排樁。

3.2 設(shè)計方案的優(yōu)化

根據(jù)初步設(shè)計方案，邀請專家進(jìn)行方案的研討。因本工程場地狹小，基坑的南側(cè)、西側(cè)及北側(cè)均緊鄰已有建筑物，僅在場地東側(cè)設(shè)置臨時主干道。主樓所在區(qū)域?qū)蔚脑O(shè)置，極大的影響了土方開挖的速度以及主樓結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度。考慮基坑北側(cè)和西側(cè)為已建2 層地下室的商場，且該商場建設(shè)時，基坑周邊也設(shè)置了排樁支護(hù)，幾乎無土壓力，支護(hù)樁受到的最大側(cè)向壓力為基坑周邊肥槽內(nèi)的水壓力。只需增加幾口降水井，將基坑周邊肥槽內(nèi)的水位降下去即可?；幽蟼?cè)為已建3 層辦公樓，采用的是條形基礎(chǔ)，根據(jù)地勘報告該區(qū)域土質(zhì)情況很好，主區(qū)對撐拆除后，基坑南側(cè)的支護(hù)最為關(guān)鍵，須采取相應(yīng)的措施保證南側(cè)支護(hù)的穩(wěn)定性?；谝陨锨闆r，運用BIM 技術(shù)對支撐方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，取消主區(qū)地下室的對撐，改用其他支護(hù)方式[3]。

3.3 優(yōu)化方案重難點部位的計算

（1）工況分析

?

（2）內(nèi)力取值

段號內(nèi)力類型彈性法計算值經(jīng)典法計算值內(nèi)力設(shè)計值內(nèi)力實用值基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩(kN.m)1456.10 1262.36 2002.13 2002.13 1基坑外側(cè)最大彎矩(kN.m)990.64 1325.05 1362.13 1362.13最大剪力(kN)540.87 471.21 743.70 743.70

（3）整體穩(wěn)定驗算

計算方法：瑞典條分法

應(yīng)力狀態(tài)：總應(yīng)力法

條分法中的土條寬度: 1.00m

滑裂面數(shù)據(jù)

圓弧半徑(m) R = 33.738

圓心坐標(biāo)X(m) X = -1.418

圓心坐標(biāo)Y(m) Y = 18.644

整體穩(wěn)定安全系數(shù) Ks = 3.316 ＞ 1.35,滿足規(guī)范要求。（如圖1）。

圖1

3.4 最終的優(yōu)化方案

經(jīng)運用BIM 技術(shù)設(shè)計優(yōu)化修改，取消了主區(qū)地下室的對撐，在基坑南側(cè)豎向增設(shè)3 道錨索，再適當(dāng)增大支護(hù)樁的直徑。這樣可以最大程度減少對土方開挖的影響以及后期主體結(jié)構(gòu)的施工。修改后的支撐布置圖如圖2。

圖2

4.深基坑施工流程及過程控制要點

4.1 深基坑施工流程

因本工程主、次地下室的開挖深度相差較大，且在結(jié)構(gòu)上又相互關(guān)聯(lián)，彼此制約。因此本工程深基坑的施工流程比較復(fù)雜，施工難度很大，需精心組織各道工序的施工。（如圖3）。

圖3

運用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工模擬，基于進(jìn)度、成本、安全等因素考慮，本工程深基坑支護(hù)的施工流程包括：施工前準(zhǔn)備→支護(hù)樁施工→三軸深攪止水帷幕施工→管井施工→首層土方開挖→首道支撐梁與壓頂梁施工→第二層土方開挖→第二道支撐梁施工→第三層土方開挖→次區(qū)第三道支撐梁施工同時主區(qū)底板施工→主區(qū)底板施工完成后方可進(jìn)行次區(qū)第四層土方開挖→次區(qū)第四道支撐施工→次區(qū)第五層土方開挖→逐層施工主體結(jié)構(gòu)及換撐結(jié)構(gòu)→逐層拆除支撐梁。

4.2 施工過程控制要點

（1）止水帷幕：確保止水帷幕的質(zhì)量關(guān)鍵是，當(dāng)鉆孔灌注樁和深層攪拌樁位置接近時，為了保證深層攪拌樁的搭接良好，應(yīng)首先確保深層攪拌樁的連續(xù)施工，以避免水泥初凝后形成的搭接。

（2）土方開挖：因為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)有后澆帶，基礎(chǔ)被后澆帶分成6 塊。土方開挖遵循“分層開挖，先撐后挖”的原則。根據(jù)支護(hù)設(shè)計的要求，每層土方開挖前，相應(yīng)的支撐梁強(qiáng)度需達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%。因本工程土方開挖采用分區(qū)開挖，支撐梁也同步分段施工，為加快施工進(jìn)度，最后一段支撐梁可適當(dāng)提高砼的強(qiáng)度，使其強(qiáng)度早日達(dá)到設(shè)計要求，提前進(jìn)行土方開挖，加快施工，控制進(jìn)度。

（3）基坑到底后，為防止地基土擾動，減少坑底土回彈，盡早約束支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，應(yīng)立即分塊澆好混凝土墊層和底板。

（4）本工程主、次地下室的開挖深度相差較大，根據(jù)支護(hù)設(shè)計圖紙，需在主地下室基礎(chǔ)底板施工完成后，方可開挖次地下室土方。

5.換撐及支撐拆除方案的優(yōu)化及選擇

5.1 換撐的設(shè)置要求

拆除支撐前必須具備安全可靠的換撐措施，本工程利用BIM 技術(shù)模擬地下室主體結(jié)構(gòu)，合理改進(jìn)優(yōu)化施工方案，方便施工的同時降低了工程造價[4]。具體措施為：使用地下樓層板和基礎(chǔ)底板分別作為相應(yīng)的換撐結(jié)構(gòu)，使C30 混凝土澆至圍護(hù)排樁邊，澆過相鄰兩樁空隙中心線，等到混凝土強(qiáng)度達(dá)到C25 后，方能分別拆除相應(yīng)支撐；后澆帶換撐采用工字鋼作為傳力桿，每根梁處放置1 根，梁間的板內(nèi)工字鋼間距約2m，工字鋼本身強(qiáng)度較大，可以立即承受荷載，是聯(lián)系基礎(chǔ)各分塊混凝土的可靠支撐。

5.2 支撐拆除方案的優(yōu)化

因本工程主次地下室基坑的深度相差較大，主區(qū)主體結(jié)構(gòu)在由下向上逐層施工，而次區(qū)在由上向下逐層進(jìn)行土方開挖。又因第一道及第二道支撐在主、次區(qū)是一個整體，主區(qū)地下負(fù)三層結(jié)構(gòu)施工完成后第二道支撐無法拆除，將面臨停工等待的狀態(tài)，須等次區(qū)結(jié)構(gòu)逐層向上施工完成形成換撐后方可拆除第一道及第二道支撐。故對整個項目的進(jìn)度影響非常大，為此邀請了5 位專家專門對本項目的支撐拆除方案進(jìn)行論證和研討。經(jīng)專家研討，認(rèn)為主、次區(qū)支撐分開拆除后，最薄弱的地方為CD段，須采取加固措施。經(jīng)利用BIM 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化及專家認(rèn)可后，同意在采取一定的技術(shù)措施后，將主次地下室的支撐分別單獨拆除，既能保證基坑的安全，又能保證主區(qū)結(jié)構(gòu)的正常施工。（如圖4）。

圖4

5.3 具體采取的措施

（1）在負(fù)三層樓板處局部位置增加鋼筋混凝土臨時換撐板（梁板結(jié)合），混凝土強(qiáng)度同結(jié)構(gòu)板強(qiáng)度，JK 段換撐板長度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（2）基坑?xùn)|側(cè)D 軸往北負(fù)三層樓板與底板之間采用C15 素混凝土進(jìn)行回填，且回填混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度80%后，方可拆除第二層混凝土支撐。

6.基坑監(jiān)測

6.1 基坑監(jiān)測的必要性

經(jīng)實際測量及BIM 技術(shù)三維模型顯示可以看出，本項目的施工工況比較復(fù)雜，周邊建筑物及管線較多。針對基坑監(jiān)測工程，本項目邀請了多位專家對基坑監(jiān)測方案進(jìn)行了論證，根據(jù)BIM 技術(shù)模型顯示以及專家意見增加了部分臨近建筑物和附近道路的位移和沉降監(jiān)測點，并針對不同的施工階段采取不同的觀測頻率[5]，如第二道支撐向下的土方開挖期間，支撐拆除期間要求每天不小于2 次。

本基坑施工監(jiān)測主要設(shè)置內(nèi)容如表2。

表2 基坑施工監(jiān)測主要設(shè)置內(nèi)容

6.2 基坑監(jiān)測結(jié)果

一般情況下，深基坑開挖期間每天觀測一次，挖土至坑底和支撐期間或遇到位移、沉降以及變化速度較大時，則應(yīng)增加監(jiān)測頻次。對每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計并形成有關(guān)表格及相關(guān)的曲線，如位移隨時間的變化曲線或位移沿深度的變化曲線，支撐軸力測試值隨時間的變化曲線等。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)成果表，本項目在整個深基坑施工過程中的基坑監(jiān)測各項數(shù)據(jù)均平穩(wěn)正常，沒有一項數(shù)據(jù)達(dá)到警戒值。觀測數(shù)據(jù)總體上反映基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境累計變形速率，均處于正常范圍，無異常，為整個項目在深基坑施工過程中的安全提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

7.支護(hù)效果以及工程驗收

本工程運用BIM 技術(shù)進(jìn)行深基坑支護(hù)的設(shè)計及施工，在深基坑施工階段，支護(hù)設(shè)施無破裂及坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，通過儀器檢測，亦無明顯變形現(xiàn)象，各項檢測數(shù)據(jù)均正常。為建筑物在基礎(chǔ)施工階段的安全提供了有力保障，加快了主體結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度，降低了資金投入，減少了后期維護(hù)經(jīng)費的支出以及材料和人力的耗費，為接下來的施工奠定了良好的基礎(chǔ)。經(jīng)驗收，深基坑工程主要指標(biāo)均達(dá)到了相關(guān)規(guī)定的要求。

通過上述一系列基于BIM 技術(shù)的深基坑支護(hù)施工技術(shù)及組織措施，華電科技園01 地塊項目的深基坑施工順利完成。整個施工過程中未發(fā)生任何質(zhì)量、安全事故。且通過對支護(hù)設(shè)計的形式進(jìn)行優(yōu)化以及對支撐拆除方式進(jìn)行優(yōu)化，極大的方便了整個深基坑工程施工，并極大的加快了關(guān)鍵工作的施工進(jìn)度。

8.結(jié)束語

綜上所述，在目前的建設(shè)施工中，深基坑隨處可見，深基坑施工的質(zhì)量與高層建筑的安全穩(wěn)定密切相關(guān)。如何保證深基坑施工的安全，同時又能降低造價，加快施工進(jìn)度，方便結(jié)構(gòu)施工，是值得加以探討的課題[6]。在工程施工的過程中，深基坑支護(hù)的技術(shù)水平十分重要，其成敗往往事關(guān)工程的全局，施工人員應(yīng)對各方面因素進(jìn)行綜合考慮，統(tǒng)籌兼顧，因地制宜，使深基坑支護(hù)的作用得到充分發(fā)揮。深基坑的支護(hù)工程應(yīng)從設(shè)計和施工兩方面著手，進(jìn)而確保其安全可靠。因此，充分運用BIM 技術(shù)，深化建筑深基坑施工的可視化設(shè)計，對建筑深基坑施工技術(shù)的研究與探索意義重大。