智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

吳皓功

（浙江中材工程勘測設(shè)計有限公司）

1 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，巖土基坑工程已成為現(xiàn)代城市建設(shè)的重要組成部分。然而，基坑開挖和支護(hù)過程中存在的安全風(fēng)險、施工難度和成本壓力等問題，一直是工程施工中的難點和瓶頸。為了解決這些問題，近年來，智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)應(yīng)運而生，成為巖土基坑工程施工中的重要技術(shù)手段。

2 巖土基坑支護(hù)技術(shù)概述

2.1 巖土基坑的定義和分類

巖土基坑是指在地下進(jìn)行的挖掘作業(yè)，通常用于建筑施工、地鐵、隧道等工程的建設(shè)過程中?；拥拈_挖對于工程建設(shè)有著重要的意義，同時也帶來了工程安全隱患和環(huán)境影響?；娱_挖時需要采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)措施，以防止土體失穩(wěn)坍塌，保證基坑工程的安全順利進(jìn)行。根據(jù)基坑開挖的方式和土體的性質(zhì)，巖土基坑可以分為多種類型，按開挖方式可分為明挖和暗挖基坑；按土體性質(zhì)可分為軟土基坑、淤泥基坑、砂土基坑、黏土基坑、粉土基坑、礫石基坑、巖石基坑等；按支護(hù)形式可分為鋼支撐、混凝土框架、擋土墻、鋼筋混凝土等多種形式。在基坑開挖過程中，需要根據(jù)不同類型的巖土基坑，采用不同的支護(hù)方式和措施。例如，軟土基坑開挖時需要采用鋼支撐、水平支撐等措施進(jìn)行支護(hù)，而巖石基坑則需要采用爆破等方式進(jìn)行開挖，同時采用錨桿、鋼筋網(wǎng)等支護(hù)措施[1]。

2.2 巖土基坑開挖過程中的支護(hù)技術(shù)

巖土基坑開挖過程中的支護(hù)技術(shù)是確?；邮┕ぐ踩晚樌M(jìn)行的重要措施。在基坑開挖過程中，土體受到剪切力和重力的作用，容易出現(xiàn)坍塌和失穩(wěn)現(xiàn)象，因此需要采取適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)技術(shù)。基坑支護(hù)技術(shù)的選擇需要考慮多個因素，包括土體性質(zhì)、開挖深度、地下水情況、周邊環(huán)境條件、工期等因素。常見的基坑支護(hù)技術(shù)包括鋼支撐、混凝土框架、擋土墻、鋼筋混凝土等多種形式，同時也可以采用多種支護(hù)方式相結(jié)合的形式進(jìn)行支護(hù)。在基坑支護(hù)技術(shù)的實施過程中，需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計和施工計劃，同時還需要進(jìn)行監(jiān)測和控制，確保支護(hù)措施的有效性和安全性。例如，可以采用測斜儀、傾斜儀、沉降儀等多種監(jiān)測手段，對基坑的變形和位移進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，及時調(diào)整支護(hù)措施和方案，確保施工過程的安全和順利進(jìn)行。

2.3 巖土基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程

巖土基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程可以追溯到古代文明時期，如埃及金字塔、中國秦始皇陵等古代建筑遺址中就有巖土基坑開挖和支護(hù)的痕跡。隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，基坑開挖和支護(hù)技術(shù)也得到了不斷改進(jìn)和完善。20世紀(jì)初，鋼支撐技術(shù)開始應(yīng)用于巖土基坑支護(hù)中，逐漸替代了傳統(tǒng)的木材支護(hù)方式，這種技術(shù)具有輕便、快速、適應(yīng)性強等優(yōu)點[2]。1950年，混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用使得混凝土框架支護(hù)技術(shù)逐漸成為基坑支護(hù)的主要形式。1970年，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用使得其成為了基坑支護(hù)的主流技術(shù)，其具有承載力大、剛性好、施工周期短等優(yōu)點。隨著近年來工程建設(shè)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，基坑工程在城市建設(shè)中所占的比例越來越大，基坑開挖和支護(hù)技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。智能化數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，為巖土基坑支護(hù)技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機遇。例如，基于3D建模技術(shù)的基坑開挖和支護(hù)仿真，實現(xiàn)基坑施工過程的數(shù)字化模擬和優(yōu)化設(shè)計，提高基坑施工效率和質(zhì)量，同時也能夠有效降低施工風(fēng)險和成本。

3 智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)

3.1 定義和特點

智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)是指利用智能化和數(shù)字化技術(shù)，對基坑開挖和支護(hù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，以提高基坑施工效率和質(zhì)量，降低施工風(fēng)險和成本的新型巖土基坑支護(hù)技術(shù)。該技術(shù)采用現(xiàn)代計算機、軟件、傳感器等設(shè)備，通過實時監(jiān)測、分析和反饋基坑施工過程的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基坑施工的自動化、智能化和數(shù)字化。智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的特點主要包括以下幾個方面：①數(shù)字化建模技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對基坑施工過程的數(shù)字化建模和仿真，以便于對施工過程進(jìn)行分析和預(yù)測，同時也能夠輔助設(shè)計和決策；②實時監(jiān)測技術(shù)，能夠?qū)邮┕み^程的變形和位移進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，以便于調(diào)整和優(yōu)化支護(hù)措施和方案；③智能化決策技術(shù)，能夠根據(jù)施工過程的實時數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，進(jìn)行智能化決策和優(yōu)化，以實現(xiàn)基坑施工的自動化和智能化。智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，將為基坑施工過程帶來諸多優(yōu)勢，例如提高基坑施工效率和質(zhì)量、降低施工風(fēng)險和成本、減少施工對環(huán)境的影響等。因此，該技術(shù)已成為當(dāng)前巖土工程領(lǐng)域的研究熱點和發(fā)展方向，其應(yīng)用前景廣闊。

3.2 智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的研究內(nèi)容

數(shù)字化建模技術(shù)是智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的核心，其研究內(nèi)容包括基坑土體參數(shù)的獲取和建模、開挖過程中的土體變形和位移模擬、支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計等方面，可以實現(xiàn)對基坑施工過程的數(shù)字化模擬和優(yōu)化設(shè)計，以便于對施工過程進(jìn)行分析和預(yù)測。實時監(jiān)測技術(shù)包括監(jiān)測手段的選擇和布置、監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析、監(jiān)測結(jié)果的反饋和控制等方面，實現(xiàn)對基坑變形和位移等重要參數(shù)的實時監(jiān)測和控制，以便于及時調(diào)整支護(hù)措施和方案，確保施工過程的安全和順利進(jìn)行。智能化決策技術(shù)是智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其研究內(nèi)容包括決策模型的建立和優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析和處理、決策結(jié)果的反饋和控制等方面，可以根據(jù)施工過程的實時數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，進(jìn)行智能化決策和優(yōu)化，以實現(xiàn)基坑施工的自動化和智能化[3]。

3.3 智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的實施方法

智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的實施方法包括基坑土體參數(shù)的獲取和建模、支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計、基坑施工過程的數(shù)字化仿真和優(yōu)化、基坑施工過程的實時監(jiān)測和控制、基于智能化決策技術(shù)的施工過程優(yōu)化和自動化。具體來說，通過實驗室試驗和現(xiàn)場勘探，獲取基坑土體的物理和力學(xué)參數(shù)，并利用數(shù)字化建模技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，以便于進(jìn)行數(shù)字化仿真和優(yōu)化設(shè)計，將收集到的數(shù)值進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計，選擇合適的支護(hù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以滿足基坑施工過程中的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性要求。實時監(jiān)測和控制是基于施工狀況選擇監(jiān)測手段的選擇和布置，對基坑施工過程中的變形和位移等重要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，以便于及時調(diào)整支護(hù)措施和方案，確保施工過程的安全和順利進(jìn)行。

4 智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用實例

上海中心大廈是一座位于上海市中心的世界頂級超高層建筑，高度632m，基坑面積達(dá)到了9萬㎡，深度超過30m。在基坑開挖和支護(hù)方面，采用了智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)，取得了良好的效果。在該工程的設(shè)計要求方面，要求支護(hù)結(jié)構(gòu)需要具有足夠的穩(wěn)定性和承載能力，同時又要盡量減少對周圍環(huán)境和建筑物的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)，實現(xiàn)了基坑開挖和支護(hù)的數(shù)字化建模和仿真，以便于對施工過程進(jìn)行分析和優(yōu)化。

4.1 數(shù)字化建模技術(shù)

在上海中心大廈工程中，數(shù)字化建模技術(shù)被應(yīng)用于基坑開挖前的設(shè)計與仿真方案，獲取基坑土體參數(shù)并進(jìn)行建模，實現(xiàn)了基坑開挖和支護(hù)方案的模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計?；诂F(xiàn)場勘探數(shù)據(jù)和實驗室測試結(jié)果，通過采用地質(zhì)雷達(dá)、電磁波法等非破壞性測試手段，獲取了基坑周邊土體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層位置、土體密度、抗剪強度等參數(shù)，以建立土體力學(xué)參數(shù)的三維模型。之后，結(jié)合該工程的實際施工情況，對基坑的開挖和支護(hù)方案進(jìn)行模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計，建立基坑的三維模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基坑開挖和支護(hù)方案的模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計。通過分析和比較不同方案的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性和施工可行性等方面，最終確定基坑開挖和支護(hù)的最佳方案。在基坑開挖和支護(hù)過程中，通過實時監(jiān)測和反饋，對基坑開挖和支護(hù)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行實時調(diào)整和優(yōu)化，以保證基坑施工的安全性和穩(wěn)定性。

4.2 實時監(jiān)測技術(shù)

實時監(jiān)測技術(shù)對該工程的基坑施工過程中的變形和位移等重要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，以便于及時調(diào)整支護(hù)措施和方案。在基坑開挖過程中，利用全站儀、傾斜儀、位移傳感器等現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)對基坑變形和位移等重要參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，處理基坑開挖和支護(hù)過程中出現(xiàn)的變形和位移等問題，為后續(xù)施工提供有效的保障。在實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測技術(shù)，對基坑開挖和支護(hù)的效果進(jìn)行實時評估，解決可能存在的質(zhì)量問題[4]。

4.3 智能化決策技術(shù)

在上海中心大廈工程中，采用自動化導(dǎo)向鉆機和智能化激光測距儀等先進(jìn)設(shè)備，在基坑開挖和支護(hù)過程中實現(xiàn)了自動化控制和智能化決策。在基坑開挖和支護(hù)過程中，采用了自動化導(dǎo)向鉆機，通過激光測距技術(shù)實現(xiàn)對基坑開挖和支護(hù)過程中的自動化控制和精確導(dǎo)向，提高了施工的精度和效率[5]。此外，智能化激光測距儀等先進(jìn)設(shè)備對基坑的施工參數(shù)和效果進(jìn)行實時監(jiān)測和分析，為施工過程的優(yōu)化和調(diào)整提供了數(shù)據(jù)支持。在基于決策模型和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，對施工過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析和處理，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高了施工的效率和質(zhì)量，降低了施工風(fēng)險和成本。

5 結(jié)語

智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)是當(dāng)今巖土工程領(lǐng)域的研究熱點，它不僅是巖土基坑工程施工的重要技術(shù)手段，更是推動城市建設(shè)和發(fā)展的關(guān)鍵因素。在基于上海中心大廈工程的實際情況，詳細(xì)探討了智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的定義、特點、研究內(nèi)容、實施方法和應(yīng)用實例等方面。通過對智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)的研究和應(yīng)用，不僅提高了工程施工效率和質(zhì)量，還為城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，智能化數(shù)字化巖土基坑支護(hù)技術(shù)必將在未來的巖土工程中發(fā)揮越來越重要的作用。