BIM技术在复杂地质条件桩基施工中的应用

李灿峰 龚宇凯 刘 宁

(浙江宝业建设集团有限公司 浙江绍兴 312000)

0 引言

在桩基础施工过程中，复杂的地质条件直接影响到桩基础的施工质量及承载力。由于地质勘察报告无法较为详细描述地下土层的全部情况，使得目前尚无较好的方法直观判断入岩深度、桩长设计等问题。

BIM技术的应用，可将地质勘查报告或相近工程的地质情况直观表达在地质模型中，对施工中的技术交底及质量控制提供依据和评判手段。

本文以绍兴市越城区人民医院建设工程为例，详细分析BIM技术在桩基施工中的应用，为类似工程提供参考。

1 工程概况

绍兴市越城区人民医院建设工程位于绍兴市越城区人民东路与敬宾路交叉口西南侧。总建筑面积130 700 m2，地下一层，地上八层，地基基础设计等级为甲级，采用柱下独立承台加抗浮筏板，筏板450 mm厚，承台高度900 mm～1400 mm。工程桩采用泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径600 mm，桩端持力层中风化角砾凝灰岩，入岩深度不小于1.0 m，单桩竖向承载力特征值为1800 kN，桩长为6 m～32 m，总桩数1428根。

根据地质勘察报告，该工程场地地基土层自上而下依次为①杂填土、②粉质粘土、③淤泥、④粘土、⑤粉质粘土、⑥粘土、⑦含粘性土砾砂、⑧圆砾、⑨含砾粉质粘土、⑩-2强风化角砾凝灰岩、⑩-3中风化角砾凝灰岩。各土层层厚、桩周土摩擦力特征值、桩端土承载力特征值参数指标等如表1所示。

表1 各土层参数表

作为桩端持力层的中风化角砾凝灰岩，具有以下特点：

(1)岩石饱和单轴抗压强度16.9～46.5 MPa，平均值为28.6 MPa，标准值为24.6 MPa，岩体强度的差异性大。

(2)场地内岩面层顶高差变化大，最浅部位层顶标高为-1.06 m，最深部位层顶标高为-37.93 m，而且局部坡度较大，坡度最大处达54.46°，场地地勘等高线地形图如图1所示。

图1 地勘等高线地形图

(3)根据地勘报告土层描述，在中风化角砾凝灰岩上部局部存在夹层。

2 施工难点

根据地质勘察报告及设计资料分析本工程存在以下难点：

(1) 根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)第5.3.5条，结合地勘报告提供的土层参数指标，由桩端持力层⑩-3层中风化角砾凝灰岩提供的单桩竖向承载力特征值≥upqsal+qpaAp=0.6×3.14×70×1.0+0.32×3.14×3000=980 kN。由上述计算可知，桩端持力层提供了单桩竖向承载力特征值的一半以上的承载力。因此，未入岩或入岩深度不足，对桩基承载力影响很大，直接关系到工程质量安全。

(2) 根据该工程桩基设计图纸中仅明确工程桩桩端持力层为⑩-3层中风化角砾凝灰岩及入岩深度应≥1.0 m。工程桩施工前，虽可结合周边勘探孔的地质情况预估工程桩长度，但因勘探孔间距为20 m～25 m，预估工程桩长度缺少参照性，与实际施工完成的工程桩长度偏差较大。

(3)作为桩端持力层的中风化角砾凝灰岩抗压强度差异性大，通过钻杆受力判断入岩深度，往往较困难。另外局部坡度较大处，全截面入岩要求是确保工程桩施工的质量保证，如何判断是否全截面入，岩尚无较好的方法参考。

3 BIM技术应用情况

针对项目复杂地质情况，运用BIM技术建立地形模型，进行地质情况直观分析[1]，并利用BIM技术参数化特点出具模型设计桩长，为项目桩基施工提供参考。地质模型如图2所示。

图2 地质模型

3.1 三维交底预警

运用BIM技术三维可视化特点，分析桩基施工不利地质情况可以分析出以下3个问题：

(1)⑩-3中风化角砾凝灰岩作为桩端持力层，层顶标高在场地内分布差异大，局部坡度大，坡度最大处达54.46°，如图3所示。

图3 ⑩-3号土地势陡峭部位

(2)地层中圆砾层位于⑩-3中风化角砾凝灰岩上部，局部土层分布较厚，厚度最大达7.4 m，对桩基施工存在较大干扰，如图4所示。

图4 ⑧号土圆砾层超厚部位集中区域

(3)地层中⑩-2号土强风化角砾凝灰岩紧贴持力层，局部土层分布较厚，厚度最大达3.1 m，对桩基入岩判别存在较大干扰，如图5所示。

图5 ⑩-2号土强风化角砾凝灰岩超厚部位集中区域

通过分析得出以上3个问题后，可在桩基施工前，对施工班组进行三维交底预警，制定合理桩基施工方案。针对持力层局部坡道大、局部圆砾层厚度大、局部强风化岩层厚度大等不同情况，选用合适的桩基施工机械及施工方法，保证桩基施工质量。

3.2 辅助桩长设计

建立基于地质模型的桩基模型，利用BIM技术参数化[2]导出桩基设计桩长，结合桩基施工班组出具的施工设计桩长，共同作为桩基施工设计桩长的判断依据。通过建立的桩基三维模型，如图6～图9所示，可以清晰直观地判断每根桩的入岩情况。对每根工程桩施工要求等进行详细交底，有助于项目管理人员对每根工程桩的入岩深度等施工要求有更清晰的认识与理解。

图6 桩基模型

图7 陡峭部位三维模型

图8 强风化超厚部位三维模型

图9 圆砾层超厚部位三维

3.3 模型设计桩长动态反馈

桩基施工过程中，施工实际桩长同设计桩长有一定偏差；采集偏差较大的已施工完成桩基实际桩长、入岩深度数据，运用BIM参数化手段录入模型，真实反馈地勘报告勘探不足部位地质基岩位置情况，形成新的地质模型，如图10所示。对还未施工的桩基模型设计桩长进行修正，为桩基施工提供参考。

图10 桩基设计桩长反馈

3.4 工程量统计

因桩基设计图纸往往仅明确工程桩施工入岩要求，未明确每根工程桩的实际桩长。因此，进行工程桩工程量计算时，还需根据地勘报告参数进行估算。但这种方法工作量大，且估算的工程量偏差往往很大。而通过建立的三维模型，可逐个统计出每根桩基于三维模型的预估桩长，形成统计表，可快速、准确地计算出相应工程量[3]。

4 效益分析

该工程1428根工程桩施工完成后，按设计要求共选取18根进行竖向静载试验，试验结果符合设计要求；地下室基础施工前对工程桩进行全数低应变检测，其中Ⅰ类桩1299根(合格率达91%)，Ⅱ类桩129根，无Ⅲ、Ⅳ类桩。

(1)通过运用三维模型交底、比对分析等措施，使施工管理人员与作业人员在施工前，对地质情况复杂程度、工程桩施工的重难点有更直观的了解，有利于提升工程桩施工质量，确保工程桩桩端入岩及入岩深度满足设计要求。

(2) 辅助工程桩工程量计算。通过三维模型得出的预估桩长，比按设计图纸及附近勘探孔得出的预估桩长的准确性有明显提高，有利于投标报价及材料采购等。

(3)通过BIM三维模型，可结合工程桩施工情况对三维模型作动态调整、判断，同时也能对地质勘察报告提供的基岩等高线图进行补充后，作为桩基施工参考。

5 结语

运用BIM技术对复杂地质条件及桩基建立三维模型，通过对地质情况三维分析，导出模型设计桩长，在桩基施工过程中进行模型设计桩长动态反馈等措施，有效解决了复杂地质条件下桩基入岩判断、桩长设计、工程量统计等问题。提升了桩基施工质量，确保了工程桩竖向承载力满足设计要求。