基于BIM模型的某复杂深大基坑实例分析

山东岩土勘测设计研究院有限公司，山东 烟台 264000

随着城市建设规模的日益扩大，地下空间的开发向着更大、更深、更复杂的方向发展，岩土工程技术人员在保证基坑支护结构安全的前提下，也越来越重视对基坑周边环境的保护。当前，BIM技术被广泛应用于建筑工程，三维数字化设计得到了良好发展。文章以某周边环境复杂的深大基坑为案例，建立BIM模型，通过三维立体模型，解决了周边环境保护、地下水控制、支护构件冲突等重难点问题。根据基坑施工过程及竣工后两阶段实测数据的分析，得出一些有意义的结论，为该地区类似工程提供参考。

1 工程概况

基坑工程位于滨海临海区域，地下三层，基坑周长约为920m，开挖深度为14～15m。拟建地库东侧边线距已建住宅地下车库（地下两层）外墙7.2m，距某学校教学楼（无地库）13.5m；北侧距已建商务办公楼（地下三层）外墙仅5.4m；西侧距已建在用加油站院墙线约15.7m；距用地红线5.2～10.1m。用地红线西侧为市政绿地区域，南侧场地相对开阔。

基坑开挖影响范围内土层自上而下依次为杂填土、素填土、粉质黏土、中粗砂、含黏性土角砾、碎石土、全风化及强风化斜长角闪岩。其中，基坑东、北侧已建地库为放坡开挖，后回填杂填土，土体结构松散。该场区地下水平均埋深为2.2m。

2 支护结构设计

2.1 支护选型

综合考虑基坑周边环境、地质分布以及水文地质等因素，支护结构分区段采用支护桩+预应力锚索、悬臂桩与放坡联合支护形式，地下水控制采用止水帷幕结合管井降水。支护结构BIM模型如图1所示。

图1 基坑支护结构BIM模型

2.2 支护剖面

（1）东侧教学楼区域。东侧教学楼为独立基础，基础埋深为3.0m。为保证基坑施工期间教学楼的正常使用，该区段采用单排桩+预应力锚索支护，支护结构如图2所示。综合考虑该工程前期已有降水经验及地层分布情况，该区域采用管井降水。

图2 基坑东侧教学楼区域支护剖面

（2）东侧住宅楼区域。东侧已建住宅楼为地下二层结构，放坡支护后采用杂填土回填，未做压实处理。考虑该区域回填土较厚且土体性质较差，支护结构采用双排桩+旋喷锚索支护形式，支护结构如图3所示。考虑到降水会引起杂填土沉降，该区域采用旋喷止水帷幕。

图3 基坑东侧住宅楼区域支护剖面

（3）北侧办公楼区域。基坑距北侧已建办公楼地库（地下三层）仅5.4m，两地库基底高差为2.8m，该区域采用单排悬臂灌注桩支护形式，支护结构如图4所示。该区域采用高压旋喷止水帷幕。

图4 基坑北侧办公楼区域支护剖面

3 BIM应用

3.1 模型应用意义

在岩土工程中应用BIM技术，可创建三维地质模型，并在此基础上建立支护结构与周边建（构）筑物模型。通过建立三维立体模型，可有效展示支护整体情况，检查支护构件与周边环境是否发生冲突，并开展施工管理分析，对基坑施工进行信息化指导。

3.2 模型解决的问题

（1）三维可视化展示。利用BIM模型将支护结构、地质条件、周边建（构）筑物三者结合到一起，形成三维可视化模型。周边环境复杂的基坑各区段支护形式不同，通过模型，能有效展示各段支护形式及不同支护形式衔接处节点的细部大样[1-2]。

（2）碰撞分析。该工程基坑东侧采用桩锚支护结构，锚索设计的水平投影长度大于锚索与东侧已建住宅楼基础底下抗浮桩之间的距离，利用三维模型可视化的优势，通过调整锚索位置及角度，可避免锚索与已施工抗浮桩的冲突问题，如图5所示。

图5 基坑东侧锚索碰撞模型

（3）工程量统计。BIM模型是根据实际尺寸建立，基坑支护的各构件均包含在三维模型中，通过模型中的统计分析，计算出各个构件的工程量，进而可测算出基坑支护的工程概算。

（4）施工管理。三维模型可实现分段、分项的开挖与支护演示，将各分项的施工工期输进系统内，可提供工期计划表。在实际施工中，工期安排也可以根据实际情况动态调整，真正意义上实现动态化管理。

4 实测数据分析

4.1 东侧住宅楼区域

基坑深层位移实测值在基坑顶部比理论计算值小，在基坑底部比理论计算值大，如图6所示[3-4]。考虑基坑底距离东侧已有地库外墙线仅7.2m，基坑开挖深度为14～15m，此区域为有限土体作用。根据应宏伟等[5]的相关研究，有限土体区域上部与下部均有滑裂面存在，通过对该基坑实测数据的分析，该观点得到了验证。

图6 基坑东侧住宅楼区域深层位移

4.2 东侧教学楼区域

支护桩桩顶水平与竖向位移随土方开挖逐渐加大，竖向位移值大于水平向位移值，如图7所示。11月7日的位移发生突变，1d内水平位移值增加34mm，竖向位移值增加10mm。该突变发生的原因是当日建设单位对基坑20m位置处的一栋废弃教学楼进行爆破施工，虽然进行了一定的防护，但从监测数据来看，该爆破震动影响明显。

图7 基坑东侧教学楼区域桩顶水平竖向位移

欧章煜等[6]指出，基坑开挖2倍深度范围内为主影响区域，2～4倍深度范围内为次影响区域，爆破教学楼位于2倍开挖深度范围内，较好验证了上述观点。爆破后，水平位移值远高于竖向位移值，横向位移值远大于纵向位移值，可见爆破震动的影响。

4.3 北侧办公楼区域

基坑北侧区域两基底高差为2.8m，单排刚性桩悬臂支护，如图8所示。北侧办公楼沉降随着开挖增加，最大变形小于5mm，满足建筑物使用要求，由此可见支护结构能够满足支护要求，保证了周边建筑物的正常使用。

图8 基坑北侧办公楼沉降变形

5 结论

文章以实际工程案例为依托，采用BIM技术为辅助设计手段，有效地解决了传统单一设计手段可能遇到的问题。通过对基坑监测数据的分析，相关观点得到了验证。

（1）该基坑规模较大且周边环境复杂，根据不同的地层及周边环境情况，分别采用双排桩+锚索、单排桩+锚索、单排悬臂桩及放坡等多种支护形式，根据实际开挖情况及监测数据，证明该组合支护形式可靠、有效。

（2）基坑采用BIM技术为辅助设计手段，将周边环境、场区地层以及支护结构三者建立空间模，可实现多角度、近距离的三维可视化展示。利用BIM模型模拟施工，解决了支护构件的碰撞问题，同时可以准确统计工程量、制订材料计划并合理调整施工工期，有利于工程项目的顺利实施。

（3）通过对基坑监测数据分析可知，在距已有建筑物（桩基础）较近条件下采用双排桩支护形式合理、有效。

（4）基坑开挖深度2倍范围内为显著影响区域，此区域内应尽量减少施工扰动。

（5）临近已有地库开挖时，对于基底高差不大的情况下，采用刚性桩悬臂支护是可行的。