三维可视化控制技术在基坑支护中的应用*

葛世超，董 军，丁克良，李国华

(1.北京建筑大学工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心，北京 102616；2.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 102616)

0 引言

随着综合地下管廊的建设，城市管道更加密集。基坑支护有效避开基坑临近地下管线，解决阴角处锚杆间的相交，既能提高施工速度，降低施工风险，又能节约财力、物力，因此，解决此类问题意义重大。

林春平等[1]重点介绍了 BIM 技术在海口北塔工程设计及施工中的应用，通过在三维模型中整合基坑周边管线物探资料，快速核查锚索与市政管线间的安全距离，确保后续施工安全，结果表明 BIM 技术可节约大量时间与成本，产生显著的经济和社会效益。黄家健等[2]将Sketchup 和 Lumion 三维可视化技术应用在海南共享农庄规划设计中，指出Sketchup具有使用简单明了、实时仿真、素材丰富、渲染简单且效果逼真等特点。司呈庆等[3]针对基坑开挖位置与现有马路距离较近，基坑外侧存在较多市政管线及电信光缆，支护施工过程风险较大的基坑工程，选用桩锚支护方案，并在施工中采取安全控制措施应对复杂边界条件。但这种解决方法采取的支护方案唯一且不可变更，不适用更加复杂的周边地下环境，借鉴前人成功将三维可视化运用到石油矿产[4]、水利水电工程[5]，考虑是否可将三维可视化技术运用到基坑支护工程中。

三维可视化技术应用在隐蔽性工程中，可很好地解决施工中不可预见的施工风险[6]，林春平等[1]成功将BIM技术应用于基坑支护，但BIM建模较复杂，硬件配置较高，并不经济；黄家健等[2]提出Sketchup建模相较于BIM更简单明了，硬件配置低，更加经济。因此，本文依据某深基坑支护工程，利用Sketchup软件建立基坑支护的三维可视化模型，指导解决现场锚杆躲避市政管线、大阴角锚杆交错穿插问题。

1 工程概况

1.1 地质条件

根据40.0m深度范围内所揭露地基土成因年代及地层岩性可分为9层：第①层为人工填土，第②～③ 层为新近沉积层，第④～⑨层为一般第四纪冲洪积层。

1.2 支护方案

基坑采用砖砌挡墙+桩锚支护体系，护坡桩采用旋挖钻机施工；锚杆施工选用普通锚杆钻机进行成孔，1桩2锚。根据建筑结构、周边建筑及地质情况将基坑划分为8个区段,并对支护结构分区段进行设计。

2 基坑边界条件

2.1 周边环境

周边管线较复杂，基坑西侧埋有电力管沟，电力隧道宽2 000mm，弧顶高2 300mm，西侧中部有电力井室，直径为5.1m，埋深约8.0m，东侧电力管线较远可不考虑；西侧及东侧均有污水及雨水管线，埋置深度<4.0m。特别是基坑东、西侧布有多种市政管线，包括雨水井、污水井、电力井，且距基坑较近，埋深较深。

2.2 周边条件分析

2.2.1市政管线分析

已探明管线包括雨水、污水、电力、通讯、给水、中压燃气管线6条，管线明细如表1所示。基坑西侧护坡桩外侧距管线最近为0.3～0.8m，各类管线标高如图1所示。

图1 各类管线标高曲线

表1 管线明细 m

2.2.2基坑大阴角分析

基坑西南角、西北侧存在较大阴角(见图2)，采用1桩2锚的形式。锚杆施工工序为：打孔→下钢绞线→注浆→张拉。因土质原因采用打一孔注一孔的循环工艺，但采用此工艺施工大阴角时，易造成穿孔现象。当锚杆机打孔遇到障碍物时，钻杆会避开障碍物自动上抬或下陷，导致偏离原设计位Z置，而当设计锚杆长度过大时，由于上抬或下陷阴角处达不到设计长度，易造成锚杆机故障。若工期紧，打孔时上一个注浆还未凝固则会导致穿孔，极易造成钻杆上缠绕上一个孔的钢绞线，使锚杆机报废，威胁驾驶员安全，造成不必要的经济损失。

图2 基坑支护大阴角平面

3 确定影响管线

西侧部分支护剖面为1—1，4—4，5—5，均为1桩2锚形式。以1—1剖面为例，冠梁顶标高为38.600m，第1道锚杆标高为35.100m，倾角θ=15°，长25.5m；第2道锚杆标高为31.600m，倾角θ=15°，长26m。支护剖面计算参数如图3所示。a为外锚点至管线中点的水平距离；b为管线中心至其垂直投影至锚杆外皮点的垂直距离；c为锚杆外锚点至管线中心垂直投影在锚杆外皮点的2点连线。

图3 支护剖面计算参数示意

根据图3中管线与锚杆间的相对关系，假设锚杆足够长，推出安全公式：

|H管-H杆|=h

(1)

式中：H管为管线高程；H杆=H孔-b；b=atanθ；θ为锚杆打孔角度；H杆为距锚杆孔水平a处标高；H孔为锚杆打孔标高。

D管为管线直径。若h>D管，则安全；若h≤D管，则不安全。

将表1中数据代入式(1)中，如雨水管分成(Smin，Hmin)，(Smin，Hmax)，(Smax，Hmin)，(Smax，Hmax)4组验证，分别编号为1,2,3,4。上安全线H安=H孔-atanθ+D管，下安全线H′安=H孔-atanθ-D管。

H管，H安，H′安比较结果如图4所示。其中，各管线表示其埋深位置，上安全线1，2表示第1,2道锚杆上部安全线，即在该线之上安全；下安全线1，2表示第1,2道锚杆下部安全线，即在该线之下安全。

图4 各类管道埋深

由图4可知，电力管线与下安全线1、上安全线2分别相交，表明电力管线严重影响锚杆施工，其他管线均处在安全区域。对电力管线进行实地勘察，管线类型以电力隧道为主，且有1个电力管室，电力管线影响整个基坑西侧160m区域锚杆施工。电力隧道及管室构造如图5所示。

图5 电力隧道及管室构造

4 解决措施

在施工现场，常遇到管线影响施工的工况，一般有2种解决方案：①通过明挖或其他措施排除影响范围内的管线；②尽可能调整施工方案避开影响管线。第1种方案适用于废旧管线且埋深较浅，易明挖易排除的情形，经济性较差；第2种方案适用于市政主要管线，民生管线，经济性较好。

4.1 二维CAD调控

运用二维CAD调控法调整锚杆施工方案，从而避开管线达到支护目的。调控技术路线为：①复核管线实际标高和尺寸，画出相应的CAD构造图；②将相应位置管线图配置到支护方案内；③调整锚杆角度及打孔标高，避开管线。

利用CAD软件灵活调整打孔标高及角度，避开管线，塔式起重机处第1道锚杆上调1m，角度15°，第2道锚杆保持原来设计，如图6所示。

图6 塔式起重机处锚杆调整

二维CAD调控法具有局限性，通过实际复核发现，电力管线有一定坡度，平面CAD图无法清晰表达坡度影响，且二维CAD调控法无法解决大阴角处锚杆交错穿插问题。为同时解决以上2个问题，可采用经济、方便的三维可视化控制技术。

4.2 三维可视化调控

将三维可视化技术运用到基坑支护中，不仅能解决管线、阴角锚杆问题，还能更直观形象地反映基坑成型后的状态，施工与技术交底更方便，与业主及设计单位沟通更加直观明确，有利于工程进展。

基坑施工三维可视化控制流程为：收集基坑支护及周边管线数据→复核管线数据、确定影响管线→利用Sketchup建立等比例三维模型→三维调控确定局部调整角度与标高→三维可视化分析管线与大阴角区域→调控完成。

4.2.1建立三维模型

利用Sketchup软件建立三维模型(见图7，8)。

图7 建立Sketchup模型小样

图8 基坑模型

4.2.2支护方案调控

对按原设计建立的三维模型进行局部放大，发现基坑西侧局部锚杆穿插电力管廊通过，第1道锚杆4根，第2道锚杆3根穿插通过，与现场施工现状相符。为顺利施工，对基坑西侧附近锚杆进行局部调整，如图9～11所示。

图9 电力室附近锚杆调整前后对比

图10 电力管廊附近锚杆调整前后对比

图11 大阴角处锚杆调整前后对比

5 结语

1)详细介绍了二维CAD解决方案、三维可视化调控技术等基坑支护躲避管线及阴角锚杆穿插的解决方案，并进行对比分析，说明三维模型能清晰地将隐蔽性工程障碍可视化，易发现支护方案与邻近市政管线的冲突区域，能精确定位出需调整的锚杆，通过三维模型试调给出可行的调整高度与角度；实际工程案例顺利施工验证了三维可视化调控可行性。

2)成功将Sketchup软件引入基坑支护工程，更加方便经济，促进了基坑支护工程信息化发展；为基坑支护工程解决类似管线与锚杆冲突及大阴角锚杆交错穿插问题提供借鉴。