基于BIM技术的高边坡组合支护体系研究与应用

王海峰，王迎彬

(中铁上海工程局集团建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

在边坡治理中各种传统方法均有各自的局限性，如重力式挡墙、悬臂式或扶壁式挡土墙均要求基底土坚实、具有较高的承载力，而且支护高度一般为6～12m；桩板式挡土墙及抗滑桩的支护高度一般不超过15m；随着挡土墙高度的增加，墙体对地基承载力的要求急剧增大，挡土墙经济性变差，因此传统的挡土墙结构多用于地基条件较好、高度不大的边坡防护。锚杆框架梁支护、锚杆挂网喷锚支护、土钉墙、抗滑桩等支护方法也广泛地应用于边坡治理中，但是面对多层复杂地质条件的超高边坡时，单一支护方式往往达不到理想效果且经济性不佳。

随着BIM技术的发展，目前已开始出现将BIM技术应用于复杂地区的地形信息采集及工程施工调查等技术工作中，但利用倾斜摄影技术结合地质勘察所获的真实地质信息深化形成三维实体地形地质模型，并进一步用于边坡稳定分析、优化边坡治理方案，尚未见相关研究。

1 工程概况

郑万铁路重庆段奉节梅溪河双线特大桥全长687.8m，设计时速350km/h。主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，无铰拱结构，拱圈设计劲性骨架，弦管内压注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。拱上共计11根墩柱、三联连续梁；小里程引桥为2×65m T构，大里程引桥为(44+72+44)m连续梁+24m简支梁。主桥拱座采用水平桩+竖直桩分离式嵌固基础，水平桩桩长15～30m，水平向下倾斜10°，断面宽6m、高7～8m；竖直桩为大直径变截面结构，桩顶9m部分桩径3.2m，其余部分桩径2.8m，桩长17～25.5m；拱座承台宽11.7m、长18.2m、高14.2m。

梅溪河为U字形河谷地貌，地形起伏大，河岸边坡陡峭，高差50～60m，自然坡度25°～60°，河面宽度约为280m。J1，J2号拱座位于两岸陡坡上，地形地质条件复杂，施工场地狭小，修建便道困难，拱座基坑开挖及边坡防护难度大。

2 信息采集及模型建立

2.1 地形信息采集

开工前，利用倾斜摄影技术采集现场地形信息。倾斜摄影技术是利用无人机从不同视角采集数字影像，同时记录飞行器的空间坐标及飞行姿态等信息，然后通过Agisoft Photoscan等专业软件对所获取的影像进行加工，经过几何校正、联合平差等一系列运算得到带有空间位置信息的稠密点云数据，获得厘米级精度的边坡三维点云模型。点云抽稀后构建一张连续的TIN三角网，通过把高分影像贴到三角网上，得到真实三维地形模型，如图1所示。该三维地形模型与现实情况完全吻合，且在模型中可以随意提取工程建设所需的各点距离、高差等坐标信息，真实呈现实际地形状况。

图1 三维地形模型

2.2 地质信息勘探

现场勘察探明了岩土层分布主要包括地表碎石土层、强风化及弱风化泥质灰岩层，并通过钻探取样试验得到不同岩土层的相关土工参数，所获的真实地质资料为边坡稳定性计算提供可靠依据。

2.3 三维实体边坡模型建立

利用倾斜摄影地形文件及勘探所得的地质信息准确重构三维实体地形地质模型，导入ABAQUS软件进行有限元分析，分析超高边坡开挖过程结构的位移及稳定性，实现倾斜摄影技术、三维建模技术与有限元分析技术的结合应用。三维实体地形地质模型的信息导入及模型建立过程如图2所示。

图2 三维实体地形地质模型建立流程

3 组合支护体系设计

3.1 初步设计

根据地形信息模型及地质情况对边坡进行区域划分，结合拱座边坡的设计要求及各类边坡支护方式的优点，对不同区域采用不同的支护方式。三级边坡位于最高处，要求坡顶建设项目驻地，需保留较厚岩堆，坡面刷坡开挖方量小，地表碎石土层较厚，拟采用锚管注浆+挂网喷锚支护；二级边坡位于强风化泥质灰岩层内，拟采用坡度1∶1的锚杆框架梁支护；一级边坡位于弱风化泥质灰岩层，拟采用坡度1∶0.75的锚杆框架梁支护；拱座基坑侧壁位于弱风化泥质灰岩层，侧壁临时坡面拟采用喷锚网支护，基坑底部采用抗滑桩支护；对于局部需设置施工平台及便道的部位，加设挡土墙防护。初步确定两岸边坡及拱座基坑采用分级开挖、分区支护、多种支护方式组合应用的实施方案，以大里程J2号拱座边坡为例说明如下：①J2号边坡高差60m，计划分4级开挖，如图3所示；②坡顶场地为建设项目驻地；③三级边坡高度10m，坡度1∶1，锚管注浆+挂网喷锚支护；④二级边坡高度11.3m，坡度1∶1，锚杆框架梁支护；⑤一级边坡高度15m，坡度1∶0.75，锚杆框架梁支护；⑥基坑侧壁高度14.2m，临时喷锚网支护；⑦基坑底部设置抗滑桩，桩顶采用冠梁连接。

图3 大里程J2号拱座边坡初拟治理方案(单位：cm)

根据施工组织要求，在J2号拱座侧的二、三级边坡中间规划施工便道，便道两侧设置挡墙，挡墙支护高度合计9.5m。由于两岸临时修建的便道口与拱座基坑存在高差，且便道坡度不宜过大，并综合考虑拱座竖直桩及水平桩开挖施工，需根据计算确定基坑开挖支护的总体施工顺序。

3.2 有限元分析计算

在三维地形地质模型中，根据初步方案设置各级边坡开挖支护的施工阶段，真实模拟各工况，确定最终的开挖支护顺序及各区详细施工参数。边坡计算分析中，采用三维分析与二维校核相结合，通过多种方法、多种软件反复分析对比，确保施工安全。首先将三维实体地形地质模型导入ABAQUS软件中进行三维有限元整体分析，然后根据三维模拟计算结果，在模型中提取典型部位的相关信息，进行二维平面分析校核。

研究表明，土质边坡的滑动面一般为圆弧形，而岩质边坡由于结构面的存在，滑动面往往为折线形。因此，在采用Slide边坡稳定计算软件进行二维极限平衡分析校核中，分别采用圆弧形滑面和折线形滑面两种破坏模式进行验算，圆弧滑动模式采用简化Bishop法计算，而对于折线形滑面则采用M-P法计算。

经计算发现，采取相应支护方式组合加固后的一、二、三级边坡安全系数均在1.25以上，满足边坡安全标准，且尚有一定的安全裕度；其中坡顶为建设项目驻地，需保留较厚岩堆，三级边坡通过加强组合支护措施，安全性也满足要求。但拱座基坑坡度陡，近乎竖直开挖，导致安全系数显著降低。在拱座基坑底不设置抗滑桩时，开完至基底工况的安全系数仅为1.05，低于临时边坡的安全标准(≥1.1)，存在较大的施工风险，所以应增设基底抗滑桩。由于抗滑桩的限制，潜在滑面位置由基坑底变化至从抗滑桩顶穿过，相当于降低了基坑开挖深度，边坡整体安全系数从原来的1.05提高至1.17，增大11%，满足了临时边坡的安全标准要求，因此基底抗滑桩的设置对于提高基坑安全度作用很大。

4 组合支护体系应用

根据上述计算分析选择最有效的组合支护体系，综合利用多种支护措施的优势，确保方案的有效性和经济性。拱座边坡采用由上到下逐级开挖的逆作法施工，边开挖边支护、逐级推进施工。

4.1 拱座边坡整体治理

由于大里程修建施工便道影响，无法按照原设计坡度施工拱座边坡，经变更后便道以下分两级放坡，一级边坡坡度为1∶0.75，二级边坡为1∶1，分级边坡之间设置防护平台。由于坡顶需修建项目驻地，岩堆无法完全清除，所以便道以上的第3级边坡采用锚管注浆+挂网喷锚的组合方式支护。大里程J2号侧拱座边坡防护治理具体参数如下。

1)三级边坡 采用锚管注浆+挂网喷锚支护，第1排锚管长度12m，向下逐排递减2m，钻φ90mm锚孔；长度在6m以上部分采用φ48mm×3mm锚管注浆；长度4m及以下部分采用φ20mm钢筋锚杆；锚管或锚杆横竖间距均为1.6m，倾斜15°。

2)二级边坡 采用锚杆框架梁加固，锚杆采用φ32mmHRB400钢筋、长12m、倾斜15°，钻孔直径110mm，横竖间距3m。

3)一级边坡 采用锚杆框架梁加固，锚杆采用2根φ32mmHRB400钢筋、长8m、倾斜15°，钻孔直径110mm，横竖间距均为3m。

4)基坑侧壁 采用喷锚支护，锚杆采用HRB400φ32mm钢筋、长10m、倾斜15°，钻孔直径110mm，横竖间距均为1.5m。

5)基坑底部 设置1排抗滑桩，桩径1.2m，桩长17m，其中基坑底面以上悬臂段长度5m(含冠梁)，桩间距1.5m，桩顶设置1.2m×1m钢筋混凝土冠梁；为方便水平桩施工，水平桩洞口范围内不设抗滑桩。

4.2 局部边坡加强支护

在J2号施工便道两侧设置挡墙(见图4)，挡墙由边坡开凿的毛石砌筑而成，为加快施工进度，挡墙结构设计分2个阶段施工；第1阶段采用毛石砌筑挡墙并预留锚孔，该阶段挡墙仅能承受边坡岩土侧压力及轻型车辆通行，以此缩小挡墙厚度、减少砌筑工作量来保证进度；第2阶段利用预留锚孔采用双拼工字钢竖梁+钢筋锚杆的组合方式进行加强支护，保证后期主体工程施工时重载车辆通行。

图4 便道挡墙局部加强支护(单位：cm)

4.3 拱座基坑分级开挖

由于两岸便道口与拱座基底存在较大高差，以及拱座竖直桩及水平桩施工顺序要求，拱座基坑分3次开挖，以J1号拱座为例对拱座基坑分层开挖(见图5)进行说明。

1)第1次开挖 拱座基坑以上的边坡防护完成后，J1号侧拱座基坑先开挖至基底以上4m位置，作为拱座竖直桩作业平台进行竖直桩施工，竖直桩完成后，施作基坑抗滑桩。

2)第2次开挖 抗滑桩完成后，第2次开挖基坑至水平桩洞口底标高位置(基底以上1.5m)，进行水平桩施工。

3)第3次开挖 水平桩施工完成后，第3次开挖基坑至基底标高，进行拱座承台施工。

图5 J1拱座基坑分层开挖示意(单位：m)

5 技术创新

1)利用倾斜摄影技术自动采集现场地形信息，操作方便快捷、收集信息精确，不仅避免了测量人员徒步到达复杂地形区域采集信息，而且有效节约了人力资源投入；将倾斜摄影技术与BIM技术的结合引入到边坡稳定分析中，高效快速地为三维计算分析提供精准模型。

2)提出边坡分区、分级开挖、局部加固与整体加固相结合的高边坡组合支护方式，对不同区域采用不同的支护方法，综合发挥各类边坡支护方法的优点，不仅方便生产组织及施工操作，而且具有较好的经济性。

6 结语

结合BIM技术及地质信息建立三维实体地形地质模型，集中各类边坡支护方式的优点加以分区应用并连成整体，形成一套基于BIM技术的高边坡组合支护体系。郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥开创性地运用该技术，在成功地解决现场高大边坡支护难题的基础上，不仅从施工组织上增加了两岸坡顶场地，为山区复杂地形环境下后续施工带来极大便利；而且工期上比预计提前35d具备拱座竖直桩开挖条件，为工程建设创造了良好开局。该技术经应用后取得显著成效，实践证明其技术可行性及优越性，具有较高的推广应用价值。