基于三維地質(zhì)模型的深基坑土方開挖管理研究

摘" 要：建設(shè)項目棄土的資源化利用可有效降低施工企業(yè)的成本，同時按照棄土的工程特性進(jìn)行預(yù)處理并分類填筑施工，可有效降低棄土邊坡的穩(wěn)定風(fēng)險。基于巖土工程勘察成果，建立工程場地范圍內(nèi)的三維地質(zhì)模型，通過模型分析及計算，對擬開挖的土石方按照巖性及工程位置進(jìn)行工程量計算及統(tǒng)計，結(jié)合工程位置和土體的工程特點，合理組織施工，提高施工效率；加強(qiáng)開挖過程中土質(zhì)的分類和管理，可有效控制棄土的綜合成本，同時為合理組織棄土的預(yù)處理與回填施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維地質(zhì)模型；深基坑；土石方開挖；施工管理；模型分析

中圖分類號：TU712+.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0108-04

Abstract： The resource utilization of spoil soil in construction projects can effectively reduce the cost of construction enterprises. At the same time， pretreatment and classified filling construction according to the engineering characteristics of the spoil soil can effectively reduce the stability risk of spoil soil slopes. Based on the geotechnical engineering survey results， a three-dimensional geological model within the scope of the project site is established. Through model analysis and calculation， the quantity of the earth-rock to be excavated is calculated and counted according to the lithology and project location， and combined with the engineering location and the engineering characteristics of the soil mass. Organize construction reasonably and improve construction efficiency; strengthening the classification and management of soil quality during the excavation process can effectively control the comprehensive cost of spoil soil and provide a basis for reasonably organizing pretreatment and backfilling construction of spoil soil.

Keywords： 3D geological model; deep foundation pit; earth-rock excavation; construction management; model analysis

隨著城市地下空間的開發(fā)，建設(shè)項目棄土逐漸成為城市管理中需要重點關(guān)注的問題，同時棄土場運行中的安全問題也逐步凸顯。應(yīng)針對開發(fā)建設(shè)項目棄土的產(chǎn)生和消納進(jìn)行規(guī)范管理，解決日益突出的由棄土所產(chǎn)生的社會問題[1-2]。根據(jù)已有研究及調(diào)查，估算自“十五”規(guī)劃以來，我國每5年由生產(chǎn)建設(shè)項目產(chǎn)生的棄土棄渣量均接近100億t，加之原有的存量，棄土棄渣總量超過400億t[3]。殷躍平等[4]調(diào)查研究了深圳“12·20”渣土場災(zāi)難滑坡成災(zāi)機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)：在渣土堆填過程中，沒有對含水量高的泥漿或淤泥進(jìn)行固化處理，或者與干土混合碾壓填埋，而是直接排入渣土場，未對填料進(jìn)行分類預(yù)處理及不規(guī)范的填筑施工導(dǎo)致坡體安全系數(shù)明顯降低。黃桐等[5]通過對深圳某體育場館工程棄土源頭減量項目進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此類項目不僅可以降低棄土成本，還可以節(jié)約土地資源和減輕交通壓力，采用工程棄土源頭減量比傳統(tǒng)填埋方式的工程費用降幅比達(dá)到74%，外運渣土數(shù)量降幅達(dá)到50%，經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)計效益可觀。關(guān)曉堯等[6]通過對基坑土方進(jìn)行分層、分類詳細(xì)統(tǒng)計，通過精準(zhǔn)評估可資源化利用的土方來有效降低預(yù)算，并在項目實施中有效降低了外棄土方量，同時也節(jié)約了項目成本。巖土工程勘察與三維地質(zhì)建模軟件及接口的開發(fā)，打通了利用鉆孔信息建立三維地質(zhì)模型的通道，為三維地質(zhì)模型的應(yīng)用提供了便利條件。

本文基于巖土工程勘察鉆孔資料，建立了工程場地范圍內(nèi)的三維地質(zhì)模型，通過模型計算及分析，對擬開挖的土石方進(jìn)行了精準(zhǔn)計算及分類統(tǒng)計，并結(jié)合土質(zhì)的工程特點，有效指導(dǎo)土方開挖和外運。

1" 項目概況

1.1" 勘察工作

巖土工程勘察工作共完成勘探點70個，其中技術(shù)性鉆孔45個，鉆孔深度不少于25 m且入微風(fēng)化巖面以下不少于10 m；鑒別性鉆孔25個，鉆孔深度不少于25 m且入微風(fēng)化巖面以下不少于8 m。

1.2" 工程地質(zhì)條件

工程場地原始地貌單元為殘丘陵地貌，場地有稍微起伏。場地內(nèi)分布的地層及特征描述如下。

1）人工填土層（Qml）：褐紅、灰褐、褐黃色，主要由黏性土堆填而成，局部含約5%～10%碎磚塊、碎石、混凝砼塊等硬雜質(zhì)，揭露層厚2.70～8.00 m。

2）第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）。①有機(jī)質(zhì)黏土：深灰、灰黑色，飽和，軟塑狀態(tài)，含有機(jī)質(zhì)，揭露層厚0.50～3.50 m。②含黏性土粉砂：褐黃色，飽和，松散—稍密狀態(tài)，揭露層厚0.50～5.10 m。

3）第四系殘積層（Qel）：褐黃色，可塑—硬塑狀態(tài)，由花崗巖風(fēng)化殘積而成，揭露層厚2.40～14.00 m。

4）燕山四期花崗巖（γβ3K1）。根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露和巖石的風(fēng)化程度可劃分為全、強(qiáng)、中3個風(fēng)化帶，各風(fēng)化帶的特征描述如下：①全風(fēng)化花崗巖：褐黃、灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，揭露層厚0.60～6.90 m。②強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：褐黃、灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)大部分破壞，揭露厚度0.40～4.10 m。③中風(fēng)化花崗巖：褐黃、淺肉紅色，揭露厚度0.3～0.90 m。

1.3" 基坑設(shè)計概況

本項目擬設(shè)4層地下室，基坑外圍周長429.3 m，面積為11 187.2 m2，基坑深度為18.5～22.2 m。采用咬合樁+三道內(nèi)支撐體系，局部為咬合樁+錨索支護(hù)；首層支撐梁設(shè)置封板，作為施工堆料平臺；為方便基坑內(nèi)土方運輸，在基坑中部設(shè)置混凝土棧橋。基坑土石方量約19.05萬方?；又ёo(hù)體系模型如圖1所示。

2" 三維地質(zhì)建模方法及過程

2.1" 建模方法

本文以項目勘探鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用三維地質(zhì)軟件，建立起該項目場地的三維地質(zhì)模型，進(jìn)而分析各地層的平面及空間分布、基坑側(cè)壁巖土條件、土石方量計算等。三維地質(zhì)建模工作流程如圖2所示。

2.2" 建模過程

2.2.1" 鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理

按照GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》、JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》等規(guī)范的要求，對于基坑工程勘察的平面范圍宜超出開挖邊界外開挖深度的2～3倍。限于建筑紅線外場地的權(quán)屬問題，勘察范圍通常不超出紅線。因此對于勘探范圍無法覆蓋基坑時，應(yīng)對場地內(nèi)的地層分布進(jìn)行研究，利用臨近的鉆孔信息補充推定鉆孔，完善模型邊界。

對于部分鉆孔揭露的呈透鏡體形態(tài)分布的地層，應(yīng)結(jié)合其發(fā)育范圍、發(fā)育厚度等因素進(jìn)行適當(dāng)歸并。完成的鉆孔模型如圖3所示。

2.2.2" 地質(zhì)剖面建模

在軟件生成剖面后，應(yīng)結(jié)合勘察報告和地層發(fā)育特征等進(jìn)行人工核查，使各剖面的地層層序、界線等符合地質(zhì)學(xué)原理。完成的剖面模型如圖4所示。

2.2.3" 構(gòu)建三維地質(zhì)模型

完成鉆孔數(shù)據(jù)預(yù)處理、地質(zhì)剖面建模后，可利用軟件生成三維地質(zhì)模型，生成模型時可以根據(jù)地層特征設(shè)置地層曲面的插值密度，提高地層曲面的精度。圖5為完成的三維地質(zhì)模型及剖切成果展示。

3" 模型分析及工程應(yīng)用

3.1" 模型剖切

三維地質(zhì)模型分析在基坑支護(hù)設(shè)計項目中有一定的參考應(yīng)用價值，可方便設(shè)計者或施工者更直觀把握基坑開挖過程中側(cè)壁及基底土層分布情況[7-8]。

三維地質(zhì)模型創(chuàng)建完成后，通過基坑開挖功能，在輸入開挖范圍、開挖深度或開挖底高程后，可輸出基坑開挖模型（如圖5所示），通過查看基坑側(cè)壁巖性、地層起伏等，結(jié)合豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)施工情況，為基坑開挖施工提供參考信息。

3.2" 土石方量計算

利用建立的三維地質(zhì)模型，統(tǒng)計本項目開挖的總土方量結(jié)果詳見表1。

土方開挖時，因受基坑支撐體系的影響，本項目對擬開挖土方分為撐內(nèi)區(qū)域和撐外區(qū)域，撐內(nèi)區(qū)域按照支撐梁的標(biāo)高將土層分為4層進(jìn)行開挖。施工前，通過對模型按照上述原則進(jìn)行分區(qū)剖切后，可以便捷地分區(qū)域、分層計算擬開挖的土石方量，例如北側(cè)撐內(nèi)土方分層計算結(jié)果查詢?nèi)鐖D6所示。

3.3" 土石方開挖管理

1）土質(zhì)管理。通常在建設(shè)項目土石方工程中，按照土體含水量、巖性等特征將渣土分為干雜土、濕土（或爛土）、淤泥或淤泥質(zhì)土。按照土體表觀特征在棄土場進(jìn)行簡易分類，手捏成團(tuán)、掉落不分散，即為濕土；手捏不成團(tuán)或掉落松散則為干雜土。棄土費用為干雜土最低，濕土居中，淤泥或淤泥質(zhì)土最高。經(jīng)調(diào)研，濕土的棄土費較干雜土高約15%～20%，淤泥的棄土費較干雜土高約25%～30%。

土方開挖過程中，對于濕土量的控制最為關(guān)鍵。本基坑內(nèi)開挖土方中的殘積土、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化等約占52.39%，該土質(zhì)受其礦物組成的影響，具有遇水易軟化、易崩解的顯著特征，遇水后極易轉(zhuǎn)變?yōu)闈裢?。需提前考慮降雨、倒運等不利因素對土質(zhì)的影響，避免土質(zhì)變差，造成工程成本的增加。必要時，應(yīng)增設(shè)降水井，提前疏干開挖土體內(nèi)的地下水。

2）土石方分層、分區(qū)管理。本項目基坑支護(hù)主要采用內(nèi)支撐體系，南北兩側(cè)設(shè)置角撐，基坑中部設(shè)置出土棧橋。按照前述原則，將基坑內(nèi)土方區(qū)分為撐內(nèi)和撐外區(qū)域，撐內(nèi)土方的開挖受到支撐梁和立柱的影響，無法采用大型挖機(jī)直接裝車，施工時需要采用小型挖機(jī)（PC120型）轉(zhuǎn)運至支撐外進(jìn)行裝車，施工工效低、管理難度大。撐外土方開挖的工作面良好，通過設(shè)置臨時便道和裝土點，可以直接采用大型挖機(jī)（PC200型）進(jìn)行裝車，施工工效高。

利用三維地質(zhì)模型，對撐內(nèi)土方按照支撐梁標(biāo)高進(jìn)行精細(xì)化剖切，得到每一層開挖土方的方量和土質(zhì)分類，合理安排機(jī)械設(shè)備和轉(zhuǎn)土路線，降低土方翻轉(zhuǎn)次數(shù)，防止土質(zhì)變差，提高施工工效。

3）本基坑內(nèi)的有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土為第四系全新統(tǒng)沖洪積層，勘察報告描述性狀：深灰、灰黑色，飽和，軟塑狀態(tài)，含有機(jī)質(zhì)，不均勻含有砂礫及腐木碎屑。根據(jù)查閱地質(zhì)和地形資料，該工程場地原始地貌為山間谷地，在長期的地質(zhì)作用下，形成該有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土，該層土方量約5 034.50方，占比約為2.64%。該層土在外運時歸類為淤泥質(zhì)土，因其為飽和、軟塑狀態(tài)，裝載過程中，無法充分裝填密實，單車裝載量較低，約為干雜土裝載量的75%，同時淤泥質(zhì)土的棄土費用最高。因此，該層土的綜合棄土成本較干雜土高約33%～39%。該層土在開挖過程中，應(yīng)重點控制開挖范圍和深度，做好土質(zhì)確認(rèn)和分類，避免與其他土類混雜，造成淤泥質(zhì)土類的方量增加。

研究表明[2]，棄土在堆填過程中，對含水量高的泥漿或淤泥應(yīng)進(jìn)行固化處理，防止在填方體中形成薄弱滑動帶，造成邊坡失穩(wěn)。該層土運至棄土場后，應(yīng)采取預(yù)處理措施或與干雜土混合后進(jìn)行回填。

3.4" 效果評價

項目在工程樁施工階段，利用部分工程樁的空樁段作為降水井，提前對場地內(nèi)的地下水進(jìn)行疏干。經(jīng)開挖驗證，降水對于淺部回填土、粉砂、含黏性土礫砂、礫質(zhì)黏性土等地層效果較好，開挖過程中土質(zhì)均保持干燥狀態(tài)。對于有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土層，因其滲透系數(shù)較低，降水效果不理想，同時該土層開挖過程中易擾動、與其他土類混雜，實際開挖方量統(tǒng)計結(jié)果顯示，有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土總方量有所增加，占總方量約為6%（預(yù)估占比約為4.49%）。對于深部全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（預(yù)估占比約為14.46%）等地層，地下水主要賦存于基巖強(qiáng)—中風(fēng)化帶中，以裂隙水形式賦存，降水效果不理想；同時施工期間受降雨影響，經(jīng)統(tǒng)計，該部分土方約有3.5%按照濕土進(jìn)行分類。

經(jīng)最終統(tǒng)計結(jié)果顯示，本項目實際土質(zhì)分類中濕土占比總體增加約5.3%，雖然濕土方量較策劃結(jié)果有所增加，但依據(jù)企業(yè)及地區(qū)經(jīng)驗，總體處于可控狀態(tài)。

4" 結(jié)論與建議

本文通過建立三維地質(zhì)模型，對土方進(jìn)行了精細(xì)化的分區(qū)、分層和土質(zhì)分類，并在開挖施工過程中嚴(yán)格控制土質(zhì)分類和管理，有效控制了土方工程的綜合成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，并形成以下結(jié)論與建議。

1）信息化的三維地質(zhì)模型可以有效地指導(dǎo)施工。施工企業(yè)應(yīng)充分利用巖土勘察成果，建立三維地質(zhì)模型，有利于土石方量的計算、分層統(tǒng)計，為施工策劃提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

2）工程棄土的成本與土質(zhì)分類密不可分，施工企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)施工管理，在充分研究土體工程特性的基礎(chǔ)上，采取必要的降水、土質(zhì)分類和管理手段，降低棄土的綜合成本。

3）隨著環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，棄土場的規(guī)劃和管理也趨于嚴(yán)格。對工程棄土進(jìn)行分類，針對工程性質(zhì)較差的泥漿、淤泥和淤泥質(zhì)土進(jìn)行預(yù)處理，可降低棄土場回填邊坡的安全風(fēng)險。

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