BIM技术在深基坑开挖安全管理中的应用

邓子琦/DENG Zi-qi

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100010）

1 深基坑开挖作业的安全风险

1.1 深基坑概述

根据住建部《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》，深基坑工程指的是开挖深度超过5m（含）的基坑的土方开挖、支护、降水工程或者是开挖深度虽然不超过5m但是地质条件和周边环境、地下管线相对复杂或者是影响毗邻建构筑物安全的基坑的土方开挖、支护作业工程。

深基坑是高大建筑和许多工业厂房建设过程中常见的一个分部分项工程项目，一般用作高大建筑或厂房的基础处理。在一般的高层住宅小区建设或者工业用事故水池、消防水池等建设中基坑开挖深度有的甚至超过10m，在此情况下，人员及机械设备上下均较为不便，并且边坡土层受到周边建构筑物挤压会产生较大的侧向力引起边坡滑坡甚至整体坍塌，极容易发生造成群死群伤的安全事故。

1.2 某地铁站深基坑安全事故分析

某在建地铁站在作业过程中突然发生基坑土方坍塌事故，作业面内十几名钢筋工被掩埋。事发点基坑为长、宽、深分别为107m、21m、16m的深基坑，基坑紧临河道和城市干道，干道常有大量重型卡车通行，且干道下敷设有城市市政管网。该工程基坑开挖时使用800mm厚的地下连续墙进行围护，连续墙用钢管附加支撑。

事后调查分析认为该基坑施工过程存在有重大的安全管理问题，是由于现场施工管理不当导致的安全责任事故。①基坑开挖时存在的土方超挖现象是本次事故发生的根本原因，特别是为了追赶工期而在第四道支护尚未设置完成时提前开挖到基层底部，底板和垫层施工均未及时跟进导致整体支撑轴力大幅增加，而且在这种情况下地下连续墙的剪力和弯矩也大幅增加，使得支撑体负载过大；②设计并使用的钢支撑体系存在有固有缺陷是本次事故发生的直接原因。首先，钢结构支撑尚未完成即对下层土方开挖，使得下层土方开挖没有足够支护；其次，各设计并安装的钢支撑体系伸缩节点处刚度不足，无法满足支撑要求；最后，按照设计要求，在系梁搁置位置，钢管支撑应通过槽钢进行固定，而实际施工中部分通过钢筋固定，部分钢筋已经脱开，部分无任何固定措施，且出现程度不一的弯曲现象。这些问题使得钢支撑体系无法满足实际需要导致事故的发生。

1.3 深基坑安全事故原因分析

1）作业面基础条件复杂 我国很多地区的地质条件相对复杂，其中不乏软土地质条件、富含地下水或地下河地质条件等等复杂情况。由于很多深基坑作业又是毗邻高大建筑或者道路周边，周边土层部分还敷设着许多市政管线，这都使得作业面基础条件相对复杂。项目建设的实际过程又给周边土层一个不确定的扰动作用如基坑墙体变位、基坑隆起、地层固结等等，这种扰动会让基坑周边土层不均匀下降使得周边建构筑物对基坑边坡的侧向压力不断增高，最终可能出现事故。

2）支护体系存在缺陷 这种缺陷主要体现在基坑围护体系折断、基坑围护体系失稳、基坑围护踢脚损坏、坑内滑坡现象导致的基坑内撑失稳等问题，这些问题均有可能导致整体支撑体系的缺陷进而引发事故。在基坑支护体系设置完成后必须要在多个点进行监测，若发现有异常现象如位移、偏差、受力不均等情况均说明支撑体系出现了问题，需要立即整改。

3）土体渗透破坏 土体渗透破坏表现在基坑壁流土破坏、基坑底突涌破坏以及基坑底管涌破坏等，如基坑底管涌破坏的主要来源于在砂层开挖基坑时由于不打井点或者井点失效后产生的冒水翻砂。

2 BIM技术概述

深基坑作业本身具有较大的安全事故风险，在具体的施工中存在较多的不可控因素，因而在施工前的设计方案编制以及施工过程中的实际作业时必须要对深基坑最大事故后果进行预先的防控和监督控制。特别是考虑到复杂地质条件的影响，需要控制和监测的点位相对较多，且要求相对较高，这就必须要采用一些先进的信息化技术辅助现场作业的实施。

BIM技术运用计算机工具将建筑建设所需要的各类信息汇总到一个建筑模型上，通过该模型的构造和查看可以清晰表达、表现建构筑物的设计基础、施工作业过程以及运营管理过程，因此也被称为建筑施工方面革命性的技术。

BIM技术是三维数据的集成化应用，因此在建筑施工应用上有着可视化更强、协调性更佳、模拟性更真实全面、可应用性较为广阔等等优点。

3 BIM技术在深基坑开挖安全管理中的应用

深基坑作业在施工过程中的风险相对较多，方案预先编制及现场作业监测的压力均相对较大，而借助BIM技术的优势可以很好地辅助深基坑开挖的安全管理。其应用主要包括施工过程的信息化模拟分析与研究、深基坑监测等。

3.1 项目概况

某项目为高层办公大楼，其需要下设3层地下室作为地下停车场、商场等，设计整平地面标高为35m，基坑最深处标高为21m，开挖深度约14m，总基坑面积约4000m2。基坑范围内土质为强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩破碎带土层；基层西侧、北侧为道路，一级安全等级；南侧为规划办公楼用地，待建；东侧为一已建高层办公楼。基坑支护利用800mm×1000mm的旋挖桩做围护结构；桩顶部设置采用顶圈梁、腰梁、混凝土支撑作为侧向支撑；明沟进行有组织排水作业。

3.2 深基坑支护体系与周边永久建筑的碰撞问题研究

虽然深基坑支护方案在编制时已经对设计中的各个构造进行了预先性分析与研究，但在部分支撑件之间依然会出现有碰撞等现象导致现场无法进行正常的支护作业，而这些碰撞一般包括支护体系内部碰撞（如支撑立柱与结构梁之间；支撑梁与结构梁、框架柱之间；支撑立柱与基础底板坑位置之间；支撑立柱与降板处位置之间等等）与支护体系与永久结构件的碰撞两类。因而在施工方案编制前可利用BIM技术对是否存在碰撞进行分析和研究。

在支护体系内部碰撞的具体分析中，借助BIM技术软件Revit建立支护模型，然后按照水平、竖向两个方向对支护模型进行拆解，分别检查竖向支撑与主体以及水平支撑与主体之间的碰撞可能性，若发现有碰撞则可组织论证分析，若无法满足实际支护要求则要修改支护模型方案。

在支护体系与永久结构的碰撞分析方面，需要在Revit软件模拟的支护模型中进行拆分，然后与结构体系分别进行碰撞可能性检查，导出碰撞报告并整理发生碰撞的位置与位置信息，从而为修改施工方案提供基础参考。

3.3 深基坑作业监测点及监测要求

基坑监测时重点监测项目及报警值设置如表1所示。

表1 重点监测项目及报警值设置表

深基坑作业的监测设置如下。

1）针对深基坑情况绘制监测BIM模型，在模型中布置变形监测点并添加参数信息，利用工程现场变形监控数据关联进模型从而借助BIM模型实现深基坑作业过程中的重点参数的监控。

2）对深基坑工程施工程序进行模拟：①平整场地、定位放线、施工围护旋挖桩、工程桩、立柱桩；②进行坑内降水并施工格构柱；③开挖基坑土方至第一道砼支撑后施工顶圈梁和砼支撑；④待第一道砼支撑达到强度，开挖基坑土方至第二道砼支撑底，施工腰梁和第二道砼支撑；⑤待第二道砼支撑达到强度后开挖基坑至坑底标高；⑥利用施工方案的数据要求将施工计划导入模型中，导出模拟文件。

3）建立基坑模型的多维变形监测族并添加如表1所示的监测信息，设置监测报警预警值并使之形成与模型的关联，由此便可实现对基坑情况的监测预警设置。

4）利用监测工具对现场各点实际情况进行监测并将深基坑工程施工的实时监测数据传导给BIM模型上的警示装置，可以形象反应基坑在任意时间点各监测区域危险源以及变形危险程度，判别深基坑工程的危险等级，实现对深基坑支护结构的变形、受力趋势的预测，从而能更好地即时调整深基坑作业支护情况快速消除危险点。

4 结语

深基坑作业风险相对较高，采用一些信息化技术进行预先的分析与控制是极为有必要的，而对于安全风险的控制方面，BIM技术在深基坑支护的碰撞分析以及施工监测等方面凭借其可视化强、应用较为广泛以及专业覆盖性强的特点有着极为明显的优势作用，可以在实际工程施工管理中大力推广和广泛应用。