淺談數(shù)字化技術(shù)的深基坑工程施工管理系統(tǒng)

熊保強(qiáng)

（中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司）

1 引言

城市土地資源日益緊缺，地下空間的開發(fā)成為重要突破口，有助于緩解城市發(fā)展高需求與土地資源低供應(yīng)的矛盾[1]。但地下空間的開發(fā)難度較大，易受到既有建（構(gòu)）筑物的干擾，在施工技術(shù)不合理或是缺乏管理措施時(shí)均容易引發(fā)質(zhì)量或安全層面的問(wèn)題。在高度復(fù)雜的施工環(huán)境下，僅憑施工人員的技能和經(jīng)驗(yàn)顯然難以順利將各項(xiàng)工作落實(shí)到位，因此亟需探討科學(xué)的施工管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌兼顧。

2 工程概況

某深基坑工程，開挖深度15.3m，基坑臨近管溝部分為重難點(diǎn)施工區(qū)域，于該處采取地下連續(xù)墻加三軸攪拌樁止水帷幕相結(jié)合的方式，除此之外的其它區(qū)域均為鉆孔灌注樁+止水帷幕?；迂Q向設(shè)3 道水平支撐，以混凝土為材料澆筑而得。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察可知，深基坑施工區(qū)域含大面積的潛水層和承壓含水層，埋深3.0m ～11.0m。深基坑周邊分布大量建（構(gòu)）筑物，易對(duì)施工造成干擾，同時(shí)隨深基坑施工的推進(jìn)，在缺乏行之有效的管理措施時(shí)，以發(fā)生建（構(gòu)）筑物失穩(wěn)甚至坍塌事故。

3 深基坑工程施工管理系統(tǒng)概述

3.1 施工管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)

圖1 深基坑工程施工管理控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)深基坑工程的施工特點(diǎn)，確定相適應(yīng)的管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，具體內(nèi)容如圖1 所示。結(jié)合圖中信息展開分析，依托于技術(shù)管理平臺(tái)，可以將創(chuàng)建所得的施工方案導(dǎo)入系統(tǒng)內(nèi)，以便系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)化管理操作。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員負(fù)責(zé)采集信息，接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將信息及時(shí)且完整地傳輸至施工管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)在接收到該部分?jǐn)?shù)據(jù)后自動(dòng)做出分析，明確其中的問(wèn)題及具體成因，將結(jié)果反饋給各級(jí)管理層，以便組織后續(xù)的應(yīng)對(duì)工作。通過(guò)施工管理系統(tǒng)的應(yīng)用，可提供一套高效的管理機(jī)制，做到“及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、正確解決問(wèn)題”，全流程均具有規(guī)范化的特征。

3.2 施工管理的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)體系

深基坑工程建設(shè)期間將產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)資源，彼此間的差異性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

①采集方式的差異化，指的是數(shù)據(jù)源自于不同的信息采集系統(tǒng)；

②存儲(chǔ)方式的差異化，現(xiàn)階段較為典型的有文檔、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)等方式，所采用的存儲(chǔ)機(jī)制存在差別。

在綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)后，可以有效保證信息存儲(chǔ)的安全性，但其存在較顯著的分散性特征，不利于信息的高效查詢與判斷[2]。此時(shí)，以數(shù)據(jù)模型為核心，完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理將是重點(diǎn)工作內(nèi)容，但其難度較大，在確保數(shù)據(jù)模型具有輕量化特征的同時(shí)還需滿足模型讀取速度方面的需求。由于深基坑工程施工期間將產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)源，因此在施工管理系統(tǒng)創(chuàng)建中引入了規(guī)范化程序，在經(jīng)過(guò)工藝流程的分解、關(guān)鍵參數(shù)的確定后，創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)體系，其能夠有效地滿足工程施工管理需求，提高信息模型的規(guī)范性，與此同時(shí)還可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接的應(yīng)用 效果。

3.3 數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)架構(gòu)

以數(shù)字化技術(shù)為支撐，形成數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)架構(gòu)，具體組成如圖2 所示。根據(jù)圖中內(nèi)容可知，該架構(gòu)細(xì)分為3 個(gè)層次，通過(guò)各層的協(xié)同運(yùn)行，能夠快速采集數(shù)據(jù)，對(duì)其執(zhí)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換操作，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)碎片化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。各數(shù)據(jù)分別表征不同的意義，覆蓋信息包含物理名、采集人、采集時(shí)間、存儲(chǔ)時(shí)間、方案參數(shù)等。邏輯層的關(guān)鍵功能在于確定數(shù)據(jù)源所具有的邏輯關(guān)系，較為常見的有異常情況判斷邏輯、報(bào)警提醒邏輯等。在采集到數(shù)據(jù)后，由技術(shù)人員將其完整錄入系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)可啟用預(yù)設(shè)的邏輯程序和閾值，將其與采集的數(shù)據(jù)展開對(duì)比分析，對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性情況作出判斷。系統(tǒng)充分考慮工程施工方案和技術(shù)規(guī)程，進(jìn)一步圍繞施工質(zhì)量做出判斷，從中發(fā)現(xiàn)不達(dá)標(biāo)之處，并觸發(fā)“施工問(wèn)題”的提示。表現(xiàn)層建立在邏輯計(jì)算的基礎(chǔ)上，其反映的是單元數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后所得到的分析結(jié)果，涵蓋多方面具有可參考價(jià)值的信息，例如異常情況匯總、施工日志等，在取得此方面的成果后，管理層工作人員可以更為精準(zhǔn)地鎖定具體問(wèn)題，以便展開針對(duì)性的分析，從而采取合適的應(yīng)對(duì)策略，從源頭上規(guī)避工程風(fēng)險(xiǎn)（見圖2）。

圖2 深基坑工程施工管理控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)架構(gòu)

4 數(shù)字化深基坑工程施工管理系統(tǒng)的具體應(yīng)用

4.1 數(shù)值模擬，預(yù)測(cè)施工狀況

數(shù)字化技術(shù)融入現(xiàn)階段較主流的數(shù)值模擬方法，在其支持下可確定最優(yōu)化組織方案，在隧道施工作業(yè)持續(xù)推進(jìn)之下，能夠提前展開風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，全局把控施工狀況，及時(shí)反饋現(xiàn)階段的施工安全情況，取得的等效力學(xué)參數(shù)則具備反映地層土體狀況的能力。計(jì)算環(huán)節(jié)應(yīng)用的是FEM 模型，順利完成計(jì)算的必要前提在于確定土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的單元形式。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬方法的應(yīng)用，可預(yù)測(cè)后續(xù)施工中所存在的擾動(dòng)位移情況。

4.2 創(chuàng)建FEM 模型

以監(jiān)測(cè)反饋的等效力學(xué)參數(shù)為立足點(diǎn)，在經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算后可對(duì)當(dāng)前步段的實(shí)際狀況做出分析，主要體現(xiàn)在施工擾動(dòng)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)兩個(gè)方面。此處以截面1 為例展開分析，在完成第1 層土體開挖作業(yè)后，匯總期間所采集的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，在此基礎(chǔ)上反演，從而求得等效力學(xué)參數(shù)，引入FEM 模型，可進(jìn)一步預(yù)測(cè)后續(xù)第2、第3 及第4 層土體開挖的擾動(dòng)位移狀況具體，如圖3 所示。

4.3 基于模擬結(jié)果的分析

①根據(jù)圖中信息展開分析，可知最大水平位移量達(dá)到56.36mm，所處位置集中在鉆孔灌注樁周邊土體處；發(fā)生的最大豎向位移量達(dá)到424.00mm，位置為坑內(nèi)底部土體。

②圖中曲線中存在若干個(gè)空心點(diǎn)，其指的是經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)后，測(cè)點(diǎn)P13 和P1 對(duì)應(yīng)于第3 層及第4 層開挖水平位移分布情況。對(duì)位移的分布特點(diǎn)展開分析，可知其沿深度方向呈現(xiàn)出類似拋物線的形狀，最大值對(duì)應(yīng)區(qū)域?yàn)榛拥撞块_挖標(biāo)高的周邊，為60mm，其它各處的位移均小于該值。圖中還存在一系列實(shí)心點(diǎn)，為對(duì)應(yīng)于基坑第3 層、第4 層開挖完成時(shí)P13 測(cè)點(diǎn)和P1 測(cè)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)值。通過(guò)對(duì)比分析可知，測(cè)點(diǎn)P13 所產(chǎn)生的預(yù)測(cè)位移趨勢(shì)具有較高的可靠性，即能夠與實(shí)測(cè)位移高度吻合。

圖3 第4 層土體開挖基坑預(yù)測(cè)位移云圖

③第3、第4 層土體在經(jīng)過(guò)開挖處理后，測(cè)點(diǎn)P1 的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)值具有高度的相似性，主要體現(xiàn)在水平位移最大值所處區(qū)域這一層面；但對(duì)于第3 層土體開挖工況而言，此條件下取得的最大水平位移預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)情況存在較明顯的偏差。究其原因，主要與施工環(huán)境高度復(fù)雜的特性有關(guān)，基坑的土體性質(zhì)在不同階段均存在變動(dòng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果難以準(zhǔn)確反映實(shí)際情況；此外，監(jiān)測(cè)結(jié)果的指向性也頗為特殊，其涵蓋了土體蠕變位移量，因此取得的模擬結(jié)果與實(shí)際值間必然會(huì)存在一定程度的偏差。就總體情況來(lái)看，盡管存在誤差，但依然可以給工程項(xiàng)目的開展提供富有指導(dǎo)意義的信息。

④取截面2 測(cè)點(diǎn)，確定各自在水平位移預(yù)測(cè)值和實(shí)際值方面的表現(xiàn)，具體情況如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)P10的預(yù)測(cè)結(jié)果可靠性高，其與實(shí)測(cè)位移變化趨勢(shì)具有高度的相似性。在經(jīng)過(guò)第3、第4 層土體開挖作業(yè)后，于測(cè)點(diǎn)P3 而言，其水平位移最大值的預(yù)測(cè)發(fā)生位置和實(shí)際位置高度接近，但就具體數(shù)值而言則存在偏差。究其原因，與現(xiàn)場(chǎng)土體蠕變位移所帶來(lái)的影響有密切關(guān)聯(lián)，同時(shí)計(jì)算和監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的操作誤差也起到加大偏差的作用。在原位監(jiān)測(cè)結(jié)果中，其涵蓋了土體蠕動(dòng)位移量，但取得的FEM 模擬計(jì)算結(jié)果則僅考慮的是單純的位移量，即并未包含土體蠕動(dòng)情況，由此出現(xiàn)差距。在土體應(yīng)力提高的背景下，其剪應(yīng)力也將同步增加，表現(xiàn)出的土體蠕變位移現(xiàn)象明顯，兩項(xiàng)結(jié)果間的差異顯著。

結(jié)合上述的分析結(jié)果，在確定FEM模型和等效力學(xué)參數(shù)后，能夠?qū)⑵涔餐糜诨娱_挖狀況的預(yù)測(cè)工作中，以明確其在應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)方面的實(shí)際情況，再進(jìn)一步判斷基坑工程是否存在安全隱患以及發(fā)生安全事故的可能性。但預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果中未涵蓋土體蠕變，而實(shí)際情況中則包含該部分內(nèi)容，因此所得的計(jì)算結(jié)果普遍要小于實(shí)際值，在工程人員的分析與判斷中應(yīng)重視該情況。

5 深基坑工程施工管理控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

以數(shù)字化技術(shù)為支撐，保證深基坑施工管理系統(tǒng)具有顯著的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化特征，打破以往人工管理受技術(shù)水平限制的僵局，信息溝通渠道高效而穩(wěn)定，可以兼顧工程質(zhì)量、安全性、效率性、環(huán)保性等多重要求[3]。

5.1 施工行為規(guī)范化

標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)體系的創(chuàng)建及運(yùn)營(yíng)能夠用于約束施工行為，保證其具有規(guī)范化特征。

5.2 管理全面化

施工管理系統(tǒng)提供了一套完善的人機(jī)操作界面，為用戶與數(shù)據(jù)間搭建起溝通的“橋梁”，同時(shí)用戶也可根據(jù)需求作出相應(yīng)的操作，管理對(duì)象擴(kuò)展至全員。

5.3 數(shù)據(jù)完整化

施工管理系統(tǒng)的覆蓋面較廣，數(shù)據(jù)類型豐富，有選擇型、指標(biāo)型及照片型三種形式的數(shù)據(jù)。

5.4 分析智能化

在得到施工管理系統(tǒng)的支持后，能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)展開分析并創(chuàng)建施工圖表，也可提供風(fēng)險(xiǎn)智能預(yù)判等實(shí)用性較強(qiáng)的功能。

6 結(jié)語(yǔ)

深基坑工程施工質(zhì)量對(duì)于地下建設(shè)事業(yè)的發(fā)展而言具有直接影響，而此類工程普遍具有施工復(fù)雜化的特點(diǎn)，為協(xié)調(diào)好各項(xiàng)生產(chǎn)要素的關(guān)系，有必要?jiǎng)?chuàng)建施工管理系統(tǒng)。現(xiàn)階段的信息技術(shù)發(fā)展迅猛，可將數(shù)字化技術(shù)融入系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、匯總結(jié)果等方面的工作能力，作為深基坑施工的“得力助手”。