基于BIM模型的某復(fù)雜深大基坑實例分析

山東巖土勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 煙臺 264000

隨著城市建設(shè)規(guī)模的日益擴大，地下空間的開發(fā)向著更大、更深、更復(fù)雜的方向發(fā)展，巖土工程技術(shù)人員在保證基坑支護結(jié)構(gòu)安全的前提下，也越來越重視對基坑周邊環(huán)境的保護。當(dāng)前，BIM技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑工程，三維數(shù)字化設(shè)計得到了良好發(fā)展。文章以某周邊環(huán)境復(fù)雜的深大基坑為案例，建立BIM模型，通過三維立體模型，解決了周邊環(huán)境保護、地下水控制、支護構(gòu)件沖突等重難點問題。根據(jù)基坑施工過程及竣工后兩階段實測數(shù)據(jù)的分析，得出一些有意義的結(jié)論，為該地區(qū)類似工程提供參考。

1 工程概況

基坑工程位于濱海臨海區(qū)域，地下三層，基坑周長約為920m，開挖深度為14～15m。擬建地庫東側(cè)邊線距已建住宅地下車庫（地下兩層）外墻7.2m，距某學(xué)校教學(xué)樓（無地庫）13.5m；北側(cè)距已建商務(wù)辦公樓（地下三層）外墻僅5.4m；西側(cè)距已建在用加油站院墻線約15.7m；距用地紅線5.2～10.1m。用地紅線西側(cè)為市政綠地區(qū)域，南側(cè)場地相對開闊。

基坑開挖影響范圍內(nèi)土層自上而下依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、含黏性土角礫、碎石土、全風(fēng)化及強風(fēng)化斜長角閃巖。其中，基坑?xùn)|、北側(cè)已建地庫為放坡開挖，后回填雜填土，土體結(jié)構(gòu)松散。該場區(qū)地下水平均埋深為2.2m。

2 支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 支護選型

綜合考慮基坑周邊環(huán)境、地質(zhì)分布以及水文地質(zhì)等因素，支護結(jié)構(gòu)分區(qū)段采用支護樁+預(yù)應(yīng)力錨索、懸臂樁與放坡聯(lián)合支護形式，地下水控制采用止水帷幕結(jié)合管井降水。支護結(jié)構(gòu)BIM模型如圖1所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)BIM模型

2.2 支護剖面

（1）東側(cè)教學(xué)樓區(qū)域。東側(cè)教學(xué)樓為獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為3.0m。為保證基坑施工期間教學(xué)樓的正常使用，該區(qū)段采用單排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護，支護結(jié)構(gòu)如圖2所示。綜合考慮該工程前期已有降水經(jīng)驗及地層分布情況，該區(qū)域采用管井降水。

圖2 基坑?xùn)|側(cè)教學(xué)樓區(qū)域支護剖面

（2）東側(cè)住宅樓區(qū)域。東側(cè)已建住宅樓為地下二層結(jié)構(gòu)，放坡支護后采用雜填土回填，未做壓實處理。考慮該區(qū)域回填土較厚且土體性質(zhì)較差，支護結(jié)構(gòu)采用雙排樁+旋噴錨索支護形式，支護結(jié)構(gòu)如圖3所示。考慮到降水會引起雜填土沉降，該區(qū)域采用旋噴止水帷幕。

圖3 基坑?xùn)|側(cè)住宅樓區(qū)域支護剖面

（3）北側(cè)辦公樓區(qū)域。基坑距北側(cè)已建辦公樓地庫（地下三層）僅5.4m，兩地庫基底高差為2.8m，該區(qū)域采用單排懸臂灌注樁支護形式，支護結(jié)構(gòu)如圖4所示。該區(qū)域采用高壓旋噴止水帷幕。

圖4 基坑北側(cè)辦公樓區(qū)域支護剖面

3 BIM應(yīng)用

3.1 模型應(yīng)用意義

在巖土工程中應(yīng)用BIM技術(shù)，可創(chuàng)建三維地質(zhì)模型，并在此基礎(chǔ)上建立支護結(jié)構(gòu)與周邊建（構(gòu)）筑物模型。通過建立三維立體模型，可有效展示支護整體情況，檢查支護構(gòu)件與周邊環(huán)境是否發(fā)生沖突，并開展施工管理分析，對基坑施工進行信息化指導(dǎo)。

3.2 模型解決的問題

（1）三維可視化展示。利用BIM模型將支護結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、周邊建（構(gòu)）筑物三者結(jié)合到一起，形成三維可視化模型。周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑各區(qū)段支護形式不同，通過模型，能有效展示各段支護形式及不同支護形式銜接處節(jié)點的細部大樣[1-2]。

（2）碰撞分析。該工程基坑?xùn)|側(cè)采用樁錨支護結(jié)構(gòu)，錨索設(shè)計的水平投影長度大于錨索與東側(cè)已建住宅樓基礎(chǔ)底下抗浮樁之間的距離，利用三維模型可視化的優(yōu)勢，通過調(diào)整錨索位置及角度，可避免錨索與已施工抗浮樁的沖突問題，如圖5所示。

圖5 基坑?xùn)|側(cè)錨索碰撞模型

（3）工程量統(tǒng)計。BIM模型是根據(jù)實際尺寸建立，基坑支護的各構(gòu)件均包含在三維模型中，通過模型中的統(tǒng)計分析，計算出各個構(gòu)件的工程量，進而可測算出基坑支護的工程概算。

（4）施工管理。三維模型可實現(xiàn)分段、分項的開挖與支護演示，將各分項的施工工期輸進系統(tǒng)內(nèi)，可提供工期計劃表。在實際施工中，工期安排也可以根據(jù)實際情況動態(tài)調(diào)整，真正意義上實現(xiàn)動態(tài)化管理。

4 實測數(shù)據(jù)分析

4.1 東側(cè)住宅樓區(qū)域

基坑深層位移實測值在基坑頂部比理論計算值小，在基坑底部比理論計算值大，如圖6所示[3-4]。考慮基坑底距離東側(cè)已有地庫外墻線僅7.2m，基坑開挖深度為14～15m，此區(qū)域為有限土體作用。根據(jù)應(yīng)宏偉等[5]的相關(guān)研究，有限土體區(qū)域上部與下部均有滑裂面存在，通過對該基坑實測數(shù)據(jù)的分析，該觀點得到了驗證。

圖6 基坑?xùn)|側(cè)住宅樓區(qū)域深層位移

4.2 東側(cè)教學(xué)樓區(qū)域

支護樁樁頂水平與豎向位移隨土方開挖逐漸加大，豎向位移值大于水平向位移值，如圖7所示。11月7日的位移發(fā)生突變，1d內(nèi)水平位移值增加34mm，豎向位移值增加10mm。該突變發(fā)生的原因是當(dāng)日建設(shè)單位對基坑20m位置處的一棟廢棄教學(xué)樓進行爆破施工，雖然進行了一定的防護，但從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，該爆破震動影響明顯。

圖7 基坑?xùn)|側(cè)教學(xué)樓區(qū)域樁頂水平豎向位移

歐章煜等[6]指出，基坑開挖2倍深度范圍內(nèi)為主影響區(qū)域，2～4倍深度范圍內(nèi)為次影響區(qū)域，爆破教學(xué)樓位于2倍開挖深度范圍內(nèi)，較好驗證了上述觀點。爆破后，水平位移值遠高于豎向位移值，橫向位移值遠大于縱向位移值，可見爆破震動的影響。

4.3 北側(cè)辦公樓區(qū)域

基坑北側(cè)區(qū)域兩基底高差為2.8m，單排剛性樁懸臂支護，如圖8所示。北側(cè)辦公樓沉降隨著開挖增加，最大變形小于5mm，滿足建筑物使用要求，由此可見支護結(jié)構(gòu)能夠滿足支護要求，保證了周邊建筑物的正常使用。

圖8 基坑北側(cè)辦公樓沉降變形

5 結(jié)論

文章以實際工程案例為依托，采用BIM技術(shù)為輔助設(shè)計手段，有效地解決了傳統(tǒng)單一設(shè)計手段可能遇到的問題。通過對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，相關(guān)觀點得到了驗證。

（1）該基坑規(guī)模較大且周邊環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)不同的地層及周邊環(huán)境情況，分別采用雙排樁+錨索、單排樁+錨索、單排懸臂樁及放坡等多種支護形式，根據(jù)實際開挖情況及監(jiān)測數(shù)據(jù)，證明該組合支護形式可靠、有效。

（2）基坑采用BIM技術(shù)為輔助設(shè)計手段，將周邊環(huán)境、場區(qū)地層以及支護結(jié)構(gòu)三者建立空間模，可實現(xiàn)多角度、近距離的三維可視化展示。利用BIM模型模擬施工，解決了支護構(gòu)件的碰撞問題，同時可以準確統(tǒng)計工程量、制訂材料計劃并合理調(diào)整施工工期，有利于工程項目的順利實施。

（3）通過對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，在距已有建筑物（樁基礎(chǔ)）較近條件下采用雙排樁支護形式合理、有效。

（4）基坑開挖深度2倍范圍內(nèi)為顯著影響區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡量減少施工擾動。

（5）臨近已有地庫開挖時，對于基底高差不大的情況下，采用剛性樁懸臂支護是可行的。