基于BIM技术的深基坑支护施工技术应用及案例探讨

文｜南通建工集团股份有限公司 李斯贤 宗俊

近年来我国经济和建筑业蓬勃发展，大型建筑工程越来越多且基坑开挖的深度也越来越深，深基坑技术的应用也越来越广泛。深基坑工程通常具有风险系数高、施工难度大、专业性强等特点，通过引进BIM 技术，技术人员对施工技术不断改革创新，对工程施工过程进行动态化分析，开发了经济合理、广泛适用的深基坑施工技术。

1.基于BIM 技术的深基坑支护施工技术特点

1.1 关于BIM 技术

BIM 即建筑信息模型，是通过计算机将建筑工程的各项信息通过三维建筑信息模型演示出来，进而使三维建筑信息模型在建筑工程的设计、施工、改造等各个阶段被运用，可显著提高建筑信息的传达效率以及传达完整性[1]。BIM 技术应用于建筑工程，使得工程建设具有可视化、可模拟化以及易优化改进等特点。

1.2 深基坑支护施工技术特点

在建筑施工的过程中，深基坑施工技术主要包括地下连续墙、锚杆支护、钢板桩支护、水泥搅拌桩支护、灌注桩支护以及土钉支护等方式。不同的支护方式有不同的特点，在实际施工过程中，须结合现场实际情况，选择一种、两种甚至多种支护相结合的方式。各种支护方案及其特点如表1所示。

表1 不同支护方案的特点

2.工程概况

华电科技园01 地块项目位于南京市栖霞区迈皋桥街道。建筑高度99.9m；总建筑面积95496m2，地下建筑面积33275m2，地上建筑面积62221m2。其中主区地下室建筑面积为15217 m2，地下3 层，基坑开挖深度为15 m；次区地下室建筑面积为18058 m，地下6 层，基坑开挖深度为22m。地上建筑层数：主楼26 层（办公），裙楼5 层（商业）。建筑结构形式：钢筋混凝土框架剪力墙结构。该项目北侧及西侧为已建地上5 层，地下两层的商业，距离4m。东侧为内部道路距离基坑10m 左右，南侧为3 层办公楼，条形基础，埋深3.5m，距基坑边2m 左右。

基坑开挖土层地质概况由上向下具体为：①-1 层杂填土，①-2 层素填土，②层粉质粘土，③层粉质粘土，④层全风化闪长岩，⑤-1A 层强风化粉砂岩，⑤-1 层强风化闪长岩，⑤-2A 层中风化闪长岩，⑤-2层中风化闪长岩。稳定地下水位，位于地面下1m 左右。

3.支护体系的优化及选择

3.1 初步设计方案

运用BIM 技术根据建筑工地地质情况和环境来选择支护形式。支护形式的选择是以深基坑支护施工的设计方案为根本依据。设计方案的安全性、可靠性以及适用范围，对于建筑施工而言意义重大。方案的确定要安全可靠，经济合理，便于施工，获得专家认同方可施工[2]。

根据现场的实际情况，本工程初步设计采用的方案是使用柱列式排桩和混凝土桁架混凝土内支撑挡土，采用的止水方式是三轴深层搅拌桩止水。在主区地下室设计2 道内支撑，在次区地下室设置4 道内支撑，因主区、次区深度相差较大，在主次区交接部位再设置一圈排桩。

3.2 设计方案的优化

根据初步设计方案，邀请专家进行方案的研讨。因本工程场地狭小，基坑的南侧、西侧及北侧均紧邻已有建筑物，仅在场地东侧设置临时主干道。主楼所在区域对撑的设置，极大的影响了土方开挖的速度以及主楼结构的施工进度。考虑基坑北侧和西侧为已建2 层地下室的商场，且该商场建设时，基坑周边也设置了排桩支护，几乎无土压力，支护桩受到的最大侧向压力为基坑周边肥槽内的水压力。只需增加几口降水井，将基坑周边肥槽内的水位降下去即可。基坑南侧为已建3 层办公楼，采用的是条形基础，根据地勘报告该区域土质情况很好，主区对撑拆除后，基坑南侧的支护最为关键，须采取相应的措施保证南侧支护的稳定性。基于以上情况，运用BIM 技术对支撑方案进行优化调整，取消主区地下室的对撑，改用其他支护方式[3]。

3.3 优化方案重难点部位的计算

（1）工况分析

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（2）内力取值

段号内力类型弹性法计算值经典法计算值内力设计值内力实用值基坑内侧最大弯矩(kN.m)1456.10 1262.36 2002.13 2002.13 1基坑外侧最大弯矩(kN.m)990.64 1325.05 1362.13 1362.13最大剪力(kN)540.87 471.21 743.70 743.70

（3）整体稳定验算

计算方法：瑞典条分法

应力状态：总应力法

条分法中的土条宽度: 1.00m

滑裂面数据

圆弧半径(m) R = 33.738

圆心坐标X(m) X = -1.418

圆心坐标Y(m) Y = 18.644

整体稳定安全系数 Ks = 3.316 ＞ 1.35,满足规范要求。（如图1）。

图1

3.4 最终的优化方案

经运用BIM 技术设计优化修改，取消了主区地下室的对撑，在基坑南侧竖向增设3 道锚索，再适当增大支护桩的直径。这样可以最大程度减少对土方开挖的影响以及后期主体结构的施工。修改后的支撑布置图如图2。

图2

4.深基坑施工流程及过程控制要点

4.1 深基坑施工流程

因本工程主、次地下室的开挖深度相差较大，且在结构上又相互关联，彼此制约。因此本工程深基坑的施工流程比较复杂，施工难度很大，需精心组织各道工序的施工。（如图3）。

图3

运用BIM 技术进行施工模拟，基于进度、成本、安全等因素考虑，本工程深基坑支护的施工流程包括：施工前准备→支护桩施工→三轴深搅止水帷幕施工→管井施工→首层土方开挖→首道支撑梁与压顶梁施工→第二层土方开挖→第二道支撑梁施工→第三层土方开挖→次区第三道支撑梁施工同时主区底板施工→主区底板施工完成后方可进行次区第四层土方开挖→次区第四道支撑施工→次区第五层土方开挖→逐层施工主体结构及换撑结构→逐层拆除支撑梁。

4.2 施工过程控制要点

（1）止水帷幕：确保止水帷幕的质量关键是，当钻孔灌注桩和深层搅拌桩位置接近时，为了保证深层搅拌桩的搭接良好，应首先确保深层搅拌桩的连续施工，以避免水泥初凝后形成的搭接。

（2）土方开挖：因为基础结构设计设有后浇带，基础被后浇带分成6 块。土方开挖遵循“分层开挖，先撑后挖”的原则。根据支护设计的要求，每层土方开挖前，相应的支撑梁强度需达到设计强度的80%。因本工程土方开挖采用分区开挖，支撑梁也同步分段施工，为加快施工进度，最后一段支撑梁可适当提高砼的强度，使其强度早日达到设计要求，提前进行土方开挖，加快施工，控制进度。

（3）基坑到底后，为防止地基土扰动，减少坑底土回弹，尽早约束支护结构的水平位移，应立即分块浇好混凝土垫层和底板。

（4）本工程主、次地下室的开挖深度相差较大，根据支护设计图纸，需在主地下室基础底板施工完成后，方可开挖次地下室土方。

5.换撑及支撑拆除方案的优化及选择

5.1 换撑的设置要求

拆除支撑前必须具备安全可靠的换撑措施，本工程利用BIM 技术模拟地下室主体结构，合理改进优化施工方案，方便施工的同时降低了工程造价[4]。具体措施为：使用地下楼层板和基础底板分别作为相应的换撑结构，使C30 混凝土浇至围护排桩边，浇过相邻两桩空隙中心线，等到混凝土强度达到C25 后，方能分别拆除相应支撑；后浇带换撑采用工字钢作为传力杆，每根梁处放置1 根，梁间的板内工字钢间距约2m，工字钢本身强度较大，可以立即承受荷载，是联系基础各分块混凝土的可靠支撑。

5.2 支撑拆除方案的优化

因本工程主次地下室基坑的深度相差较大，主区主体结构在由下向上逐层施工，而次区在由上向下逐层进行土方开挖。又因第一道及第二道支撑在主、次区是一个整体，主区地下负三层结构施工完成后第二道支撑无法拆除，将面临停工等待的状态，须等次区结构逐层向上施工完成形成换撑后方可拆除第一道及第二道支撑。故对整个项目的进度影响非常大，为此邀请了5 位专家专门对本项目的支撑拆除方案进行论证和研讨。经专家研讨，认为主、次区支撑分开拆除后，最薄弱的地方为CD段，须采取加固措施。经利用BIM 技术进行设计优化及专家认可后，同意在采取一定的技术措施后，将主次地下室的支撑分别单独拆除，既能保证基坑的安全，又能保证主区结构的正常施工。（如图4）。

图4

5.3 具体采取的措施

（1）在负三层楼板处局部位置增加钢筋混凝土临时换撑板（梁板结合），混凝土强度同结构板强度，JK 段换撑板长度进行适当调整。

（2）基坑东侧D 轴往北负三层楼板与底板之间采用C15 素混凝土进行回填，且回填混凝土强度达到设计强度80%后，方可拆除第二层混凝土支撑。

6.基坑监测

6.1 基坑监测的必要性

经实际测量及BIM 技术三维模型显示可以看出，本项目的施工工况比较复杂，周边建筑物及管线较多。针对基坑监测工程，本项目邀请了多位专家对基坑监测方案进行了论证，根据BIM 技术模型显示以及专家意见增加了部分临近建筑物和附近道路的位移和沉降监测点，并针对不同的施工阶段采取不同的观测频率[5]，如第二道支撑向下的土方开挖期间，支撑拆除期间要求每天不小于2 次。

本基坑施工监测主要设置内容如表2。

表2 基坑施工监测主要设置内容

6.2 基坑监测结果

一般情况下，深基坑开挖期间每天观测一次，挖土至坑底和支撑期间或遇到位移、沉降以及变化速度较大时，则应增加监测频次。对每天的监测数据进行统计并形成有关表格及相关的曲线，如位移随时间的变化曲线或位移沿深度的变化曲线，支撑轴力测试值随时间的变化曲线等。根据观测数据成果表，本项目在整个深基坑施工过程中的基坑监测各项数据均平稳正常，没有一项数据达到警戒值。观测数据总体上反映基坑维护结构和周边环境累计变形速率，均处于正常范围，无异常，为整个项目在深基坑施工过程中的安全提供了重要的数据支撑。

7.支护效果以及工程验收

本工程运用BIM 技术进行深基坑支护的设计及施工，在深基坑施工阶段，支护设施无破裂及坍塌现象的发生，通过仪器检测，亦无明显变形现象，各项检测数据均正常。为建筑物在基础施工阶段的安全提供了有力保障，加快了主体结构的施工进度，降低了资金投入，减少了后期维护经费的支出以及材料和人力的耗费，为接下来的施工奠定了良好的基础。经验收，深基坑工程主要指标均达到了相关规定的要求。

通过上述一系列基于BIM 技术的深基坑支护施工技术及组织措施，华电科技园01 地块项目的深基坑施工顺利完成。整个施工过程中未发生任何质量、安全事故。且通过对支护设计的形式进行优化以及对支撑拆除方式进行优化，极大的方便了整个深基坑工程施工，并极大的加快了关键工作的施工进度。

8.结束语

综上所述，在目前的建设施工中，深基坑随处可见，深基坑施工的质量与高层建筑的安全稳定密切相关。如何保证深基坑施工的安全，同时又能降低造价，加快施工进度，方便结构施工，是值得加以探讨的课题[6]。在工程施工的过程中，深基坑支护的技术水平十分重要，其成败往往事关工程的全局，施工人员应对各方面因素进行综合考虑，统筹兼顾，因地制宜，使深基坑支护的作用得到充分发挥。深基坑的支护工程应从设计和施工两方面着手，进而确保其安全可靠。因此，充分运用BIM 技术，深化建筑深基坑施工的可视化设计，对建筑深基坑施工技术的研究与探索意义重大。