基于三維地質模型的深基坑土方開挖管理研究

摘" 要：建設項目棄土的資源化利用可有效降低施工企業的成本，同時按照棄土的工程特性進行預處理并分類填筑施工，可有效降低棄土邊坡的穩定風險。基于巖土工程勘察成果，建立工程場地范圍內的三維地質模型，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行工程量計算及統計，結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；加強開挖過程中土質的分類和管理，可有效控制棄土的綜合成本，同時為合理組織棄土的預處理與回填施工提供依據。

關鍵詞：三維地質模型；深基坑；土石方開挖；施工管理；模型分析

中圖分類號：TU712+.3" " " 文獻標志碼：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，建設項目棄土逐漸成為城市管理中需要重點關注的問題，同時棄土場運行中的安全問題也逐步凸顯。應針對開發建設項目棄土的產生和消納進行規范管理，解決日益突出的由棄土所產生的社會問題[1-2]。根據已有研究及調查，估算自“十五”規劃以來，我國每5年由生產建設項目產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]調查研究了深圳“12·20”渣土場災難滑坡成災機理，研究發現：在渣土堆填過程中，沒有對含水量高的泥漿或淤泥進行固化處理，或者與干土混合碾壓填埋，而是直接排入渣土場，未對填料進行分類預處理及不規范的填筑施工導致坡體安全系數明顯降低。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行分析，發現此類項目不僅可以降低棄土成本，還可以節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填埋方式的工程費用降幅比達到74%，外運渣土數量降幅達到50%，經濟效益和設計效益可觀。關曉堯等[6]通過對基坑土方進行分層、分類詳細統計，通過精準評估可資源化利用的土方來有效降低預算，并在項目實施中有效降低了外棄土方量，同時也節約了項目成本。巖土工程勘察與三維地質建模軟件及接口的開發，打通了利用鉆孔信息建立三維地質模型的通道，為三維地質模型的應用提供了便利條件。

本文基于巖土工程勘察鉆孔資料，建立了工程場地范圍內的三維地質模型，通過模型計算及分析，對擬開挖的土石方進行了精準計算及分類統計，并結合土質的工程特點，有效指導土方開挖和外運。

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，其中技術性鉆孔45個，鉆孔深度不少于25 m且入微風化巖面以下不少于10 m；鑒別性鉆孔25個，鉆孔深度不少于25 m且入微風化巖面以下不少于8 m。

1.2" 工程地質條件

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，揭露層厚2.70～8.00 m。

2）第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）。①有機質黏土：深灰、灰黑色，飽和，軟塑狀態，含有機質，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，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，由花崗巖風化殘積而成，揭露層厚2.40～14.00 m。

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

1.3" 基坑設計概況

本項目擬設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+三道內支撐體系，局部為咬合樁+錨索支護；首層支撐梁設置封板，作為施工堆料平臺；為方便基坑內土方運輸，在基坑中部設置混凝土棧橋。基坑土石方量約19.05萬方。基坑支護體系模型如圖1所示。

2" 三維地質建模方法及過程

2.1" 建模方法

本文以項目勘探鉆孔數據為基礎，利用三維地質軟件，建立起該項目場地的三維地質模型，進而分析各地層的平面及空間分布、基坑側壁巖土條件、土石方量計算等。三維地質建模工作流程如圖2所示。

2.2" 建模過程

2.2.1" 鉆孔數據預處理

按照GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》、JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》等規范的要求，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，應對場地內的地層分布進行研究，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分布的地層，應結合其發育范圍、發育厚度等因素進行適當歸并。完成的鉆孔模型如圖3所示。

2.2.2" 地質剖面建模

在軟件生成剖面后，應結合勘察報告和地層發育特征等進行人工核查，使各剖面的地層層序、界線等符合地質學原理。完成的剖面模型如圖4所示。

2.2.3" 構建三維地質模型

完成鉆孔數據預處理、地質剖面建模后，可利用軟件生成三維地質模型，生成模型時可以根據地層特征設置地層曲面的插值密度，提高地層曲面的精度。圖5為完成的三維地質模型及剖切成果展示。

3" 模型分析及工程應用

3.1" 模型剖切

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

三維地質模型創建完成后，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），通過查看基坑側壁巖性、地層起伏等，結合豎向支護結構施工情況，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模型，統計本項目開挖的總土方量結果詳見表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區域和撐外區域，撐內區域按照支撐梁的標高將土層分為4層進行開挖。施工前，通過對模型按照上述原則進行分區剖切后，可以便捷地分區域、分層計算擬開挖的土石方量，例如北側撐內土方分層計算結果查詢如圖6所示。

3.3" 土石方開挖管理

1）土質管理。通常在建設項目土石方工程中，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）、淤泥或淤泥質土。按照土體表觀特征在棄土場進行簡易分類，手捏成團、掉落不分散，即為濕土；手捏不成團或掉落松散則為干雜土。棄土費用為干雜土最低，濕土居中，淤泥或淤泥質土最高。經調研，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鍵。本基坑內開挖土方中的殘積土、全風化及強風化等約占52.39%，該土質受其礦物組成的影響，具有遇水易軟化、易崩解的顯著特征，遇水后極易轉變為濕土。需提前考慮降雨、倒運等不利因素對土質的影響，避免土質變差，造成工程成本的增加。必要時，應增設降水井，提前疏干開挖土體內的地下水。

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

利用三維地質模型，對撐內土方按照支撐梁標高進行精細化剖切，得到每一層開挖土方的方量和土質分類，合理安排機械設備和轉土路線，降低土方翻轉次數，防止土質變差，提高施工工效。

3）本基坑內的有機質粉質黏土為第四系全新統沖洪積層，勘察報告描述性狀：深灰、灰黑色，飽和，軟塑狀態，含有機質，不均勻含有砂礫及腐木碎屑。根據查閱地質和地形資料，該工程場地原始地貌為山間谷地，在長期的地質作用下，形成該有機質粉質黏土，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土，因其為飽和、軟塑狀態，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，應重點控制開挖范圍和深度，做好土質確認和分類，避免與其他土類混雜，造成淤泥質土類的方量增加。

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進行固化處理，防止在填方體中形成薄弱滑動帶，造成邊坡失穩。該層土運至棄土場后，應采取預處理措施或與干雜土混合后進行回填。

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，提前對場地內的地下水進行疏干。經開挖驗證，降水對于淺部回填土、粉砂、含黏性土礫砂、礫質黏性土等地層效果較好，開挖過程中土質均保持干燥狀態。對于有機質粉質黏土和粉質黏土層，因其滲透系數較低，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，實際開挖方量統計結果顯示，有機質粉質黏土和粉質黏土總方量有所增加，占總方量約為6%（預估占比約為4.49%）。對于深部全風化花崗巖、強風化花崗巖（預估占比約為14.46%）等地層，地下水主要賦存于基巖強—中風化帶中，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，經統計，該部分土方約有3.5%按照濕土進行分類。

經最終統計結果顯示，本項目實際土質分類中濕土占比總體增加約5.3%，雖然濕土方量較策劃結果有所增加，但依據企業及地區經驗，總體處于可控狀態。

4" 結論與建議

本文通過建立三維地質模型，對土方進行了精細化的分區、分層和土質分類，并在開挖施工過程中嚴格控制土質分類和管理，有效控制了土方工程的綜合成本，取得了良好的經濟和社會效益，并形成以下結論與建議。

1）信息化的三維地質模型可以有效地指導施工。施工企業應充分利用巖土勘察成果，建立三維地質模型，有利于土石方量的計算、分層統計，為施工策劃提供詳細的數據。

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

3）隨著環境保護的要求越來越高，棄土場的規劃和管理也趨于嚴格。對工程棄土進行分類，針對工程性質較差的泥漿、淤泥和淤泥質土進行預處理，可降低棄土場回填邊坡的安全風險。

參考文獻：

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[3] 李建明，王志剛，張長偉，等.生產建設項目棄土棄渣特性及資源化利用潛力評價[J].水土保持學報，2020，34（2）：1-8.

[4] 殷躍平，李濱，王文沛，等.深圳“12·20”渣土場災難滑坡成災機理與巖土工程風險控制研究[J].Engineering，2016，2（2）：176-216.

[5] 黃桐，寇世聰，李大望，等.CASE STUDY OF THE EXCAVATED SOIL'S SOURCE REDUCTION[C]//中國環境科學學會環境工程分會.中國環境科學學會2022年科學技術年會--環境工程技術創新與應用分會場論文集（二）.中國地震局工程力學研究所;廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室;深圳大學土木與交通工程學院，2022：7.

[6] 關曉堯，羅濤.土石方精確計算在城市廢棄物管理中的應用研究——以深圳市某工程為例[J].房地產世界，2022（21）：105-108.

[7] 劉欣，岳玉梅，郭甲騰.三維地質建模在巖土工程勘察中的應用——以盛京金融廣場項目為例[J].城市勘測，2020（1）：203-208.

[8] 黃漢林，盧玉南.基于三維地質模型分析的深基坑支護應用研究[J].工程勘察，2020，48（8）：18-24.