三維可視化控制技術在基坑支護中的應用*

葛世超，董 軍，丁克良，李國華

(1.北京建筑大學工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心，北京 102616；2.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 102616)

0 引言

隨著綜合地下管廊的建設，城市管道更加密集。基坑支護有效避開基坑臨近地下管線，解決陰角處錨桿間的相交，既能提高施工速度，降低施工風險，又能節約財力、物力，因此，解決此類問題意義重大。

林春平等[1]重點介紹了 BIM 技術在海口北塔工程設計及施工中的應用，通過在三維模型中整合基坑周邊管線物探資料，快速核查錨索與市政管線間的安全距離，確保后續施工安全，結果表明 BIM 技術可節約大量時間與成本，產生顯著的經濟和社會效益。黃家健等[2]將Sketchup 和 Lumion 三維可視化技術應用在海南共享農莊規劃設計中，指出Sketchup具有使用簡單明了、實時仿真、素材豐富、渲染簡單且效果逼真等特點。司呈慶等[3]針對基坑開挖位置與現有馬路距離較近，基坑外側存在較多市政管線及電信光纜，支護施工過程風險較大的基坑工程，選用樁錨支護方案，并在施工中采取安全控制措施應對復雜邊界條件。但這種解決方法采取的支護方案唯一且不可變更，不適用更加復雜的周邊地下環境，借鑒前人成功將三維可視化運用到石油礦產[4]、水利水電工程[5]，考慮是否可將三維可視化技術運用到基坑支護工程中。

三維可視化技術應用在隱蔽性工程中，可很好地解決施工中不可預見的施工風險[6]，林春平等[1]成功將BIM技術應用于基坑支護，但BIM建模較復雜，硬件配置較高，并不經濟；黃家健等[2]提出Sketchup建模相較于BIM更簡單明了，硬件配置低，更加經濟。因此，本文依據某深基坑支護工程，利用Sketchup軟件建立基坑支護的三維可視化模型，指導解決現場錨桿躲避市政管線、大陰角錨桿交錯穿插問題。

1 工程概況

1.1 地質條件

根據40.0m深度范圍內所揭露地基土成因年代及地層巖性可分為9層：第①層為人工填土，第②～③ 層為新近沉積層，第④～⑨層為一般第四紀沖洪積層。

1.2 支護方案

基坑采用磚砌擋墻+樁錨支護體系，護坡樁采用旋挖鉆機施工；錨桿施工選用普通錨桿鉆機進行成孔，1樁2錨。根據建筑結構、周邊建筑及地質情況將基坑劃分為8個區段,并對支護結構分區段進行設計。

2 基坑邊界條件

2.1 周邊環境

周邊管線較復雜，基坑西側埋有電力管溝，電力隧道寬2 000mm，弧頂高2 300mm，西側中部有電力井室，直徑為5.1m，埋深約8.0m，東側電力管線較遠可不考慮；西側及東側均有污水及雨水管線，埋置深度<4.0m。特別是基坑東、西側布有多種市政管線，包括雨水井、污水井、電力井，且距基坑較近，埋深較深。

2.2 周邊條件分析

2.2.1市政管線分析

已探明管線包括雨水、污水、電力、通訊、給水、中壓燃氣管線6條，管線明細如表1所示。基坑西側護坡樁外側距管線最近為0.3～0.8m，各類管線標高如圖1所示。

圖1 各類管線標高曲線

表1 管線明細 m

2.2.2基坑大陰角分析

基坑西南角、西北側存在較大陰角(見圖2)，采用1樁2錨的形式。錨桿施工工序為：打孔→下鋼絞線→注漿→張拉。因土質原因采用打一孔注一孔的循環工藝，但采用此工藝施工大陰角時，易造成穿孔現象。當錨桿機打孔遇到障礙物時，鉆桿會避開障礙物自動上抬或下陷，導致偏離原設計位Z置，而當設計錨桿長度過大時，由于上抬或下陷陰角處達不到設計長度，易造成錨桿機故障。若工期緊，打孔時上一個注漿還未凝固則會導致穿孔，極易造成鉆桿上纏繞上一個孔的鋼絞線，使錨桿機報廢，威脅駕駛員安全，造成不必要的經濟損失。

圖2 基坑支護大陰角平面

3 確定影響管線

西側部分支護剖面為1—1，4—4，5—5，均為1樁2錨形式。以1—1剖面為例，冠梁頂標高為38.600m，第1道錨桿標高為35.100m，傾角θ=15°，長25.5m；第2道錨桿標高為31.600m，傾角θ=15°，長26m。支護剖面計算參數如圖3所示。a為外錨點至管線中點的水平距離；b為管線中心至其垂直投影至錨桿外皮點的垂直距離；c為錨桿外錨點至管線中心垂直投影在錨桿外皮點的2點連線。

圖3 支護剖面計算參數示意

根據圖3中管線與錨桿間的相對關系，假設錨桿足夠長，推出安全公式：

|H管-H桿|=h

(1)

式中：H管為管線高程；H桿=H孔-b；b=atanθ；θ為錨桿打孔角度；H桿為距錨桿孔水平a處標高；H孔為錨桿打孔標高。

D管為管線直徑。若h>D管，則安全；若h≤D管，則不安全。

將表1中數據代入式(1)中，如雨水管分成(Smin，Hmin)，(Smin，Hmax)，(Smax，Hmin)，(Smax，Hmax)4組驗證，分別編號為1,2,3,4。上安全線H安=H孔-atanθ+D管，下安全線H′安=H孔-atanθ-D管。

H管，H安，H′安比較結果如圖4所示。其中，各管線表示其埋深位置，上安全線1，2表示第1,2道錨桿上部安全線，即在該線之上安全；下安全線1，2表示第1,2道錨桿下部安全線，即在該線之下安全。

圖4 各類管道埋深

由圖4可知，電力管線與下安全線1、上安全線2分別相交，表明電力管線嚴重影響錨桿施工，其他管線均處在安全區域。對電力管線進行實地勘察，管線類型以電力隧道為主，且有1個電力管室，電力管線影響整個基坑西側160m區域錨桿施工。電力隧道及管室構造如圖5所示。

圖5 電力隧道及管室構造

4 解決措施

在施工現場，常遇到管線影響施工的工況，一般有2種解決方案：①通過明挖或其他措施排除影響范圍內的管線；②盡可能調整施工方案避開影響管線。第1種方案適用于廢舊管線且埋深較淺，易明挖易排除的情形，經濟性較差；第2種方案適用于市政主要管線，民生管線，經濟性較好。

4.1 二維CAD調控

運用二維CAD調控法調整錨桿施工方案，從而避開管線達到支護目的。調控技術路線為：①復核管線實際標高和尺寸，畫出相應的CAD構造圖；②將相應位置管線圖配置到支護方案內；③調整錨桿角度及打孔標高，避開管線。

利用CAD軟件靈活調整打孔標高及角度，避開管線，塔式起重機處第1道錨桿上調1m，角度15°，第2道錨桿保持原來設計，如圖6所示。

圖6 塔式起重機處錨桿調整

二維CAD調控法具有局限性，通過實際復核發現，電力管線有一定坡度，平面CAD圖無法清晰表達坡度影響，且二維CAD調控法無法解決大陰角處錨桿交錯穿插問題。為同時解決以上2個問題，可采用經濟、方便的三維可視化控制技術。

4.2 三維可視化調控

將三維可視化技術運用到基坑支護中，不僅能解決管線、陰角錨桿問題，還能更直觀形象地反映基坑成型后的狀態，施工與技術交底更方便，與業主及設計單位溝通更加直觀明確，有利于工程進展。

基坑施工三維可視化控制流程為：收集基坑支護及周邊管線數據→復核管線數據、確定影響管線→利用Sketchup建立等比例三維模型→三維調控確定局部調整角度與標高→三維可視化分析管線與大陰角區域→調控完成。

4.2.1建立三維模型

利用Sketchup軟件建立三維模型(見圖7，8)。

圖7 建立Sketchup模型小樣

圖8 基坑模型

4.2.2支護方案調控

對按原設計建立的三維模型進行局部放大，發現基坑西側局部錨桿穿插電力管廊通過，第1道錨桿4根，第2道錨桿3根穿插通過，與現場施工現狀相符。為順利施工，對基坑西側附近錨桿進行局部調整，如圖9～11所示。

圖9 電力室附近錨桿調整前后對比

圖10 電力管廊附近錨桿調整前后對比

圖11 大陰角處錨桿調整前后對比

5 結語

1)詳細介紹了二維CAD解決方案、三維可視化調控技術等基坑支護躲避管線及陰角錨桿穿插的解決方案，并進行對比分析，說明三維模型能清晰地將隱蔽性工程障礙可視化，易發現支護方案與鄰近市政管線的沖突區域，能精確定位出需調整的錨桿，通過三維模型試調給出可行的調整高度與角度；實際工程案例順利施工驗證了三維可視化調控可行性。

2)成功將Sketchup軟件引入基坑支護工程，更加方便經濟，促進了基坑支護工程信息化發展；為基坑支護工程解決類似管線與錨桿沖突及大陰角錨桿交錯穿插問題提供借鑒。