基于BIM的地下有轨交通深基坑施工智能预警监测技术

吴红翠

(合肥财经职业学院 建筑工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

BIM(Building Information Modeling)是施工项目的结构与属性功能的数字化展示工具[1]，以三维技术为基础，对建筑项目的数据进行收集、计算处理，构建出三维结构模型，能大幅降低项目成本、提升项目进度与施工效率。BIM不是简单地集成数字信息，而是将数字信息用于设计、建造、管理，并支持建筑工程的集成管理环境，可以显著提高建筑工程效率。

对于深基坑工程，利用BIM技术在三维可视化、仿真计算、模型参数化构建中的优点，可以按照预警监控系统的设计要求搭建相应的BIM深基坑模型，并设计出配套监测点模块，根据基坑中的监测点在模型中的各指标变化来实现对深基坑模型的实时监测，再根据监测点各指标的变化方向与变化大小来实现对深基坑的监测预警[2]。本文创新性地结合先进智能技术，构建用于地下有轨交通深基坑施工的智能预警监测系统，并研究其在地下有轨交通深基坑施工项目中的应用效果。

1 总体方案设计

1.1 BIM模型构建及监测点布置

选取国内某城市地铁交通的深基坑施工项目为案例，按照其施工图纸来搭建BIM三维模型，然后根据影响分区、监测等级与设计、规范要求来布置监测点。《城市轨道交通工程监测技术规范》(2013年版)(以下简称《规范》)规定，应根据施工行为对周围环境与土体的影响程度大小划分基坑工程影响分区，具体影响程度评价指标为基坑的设计深度(H)和周围岩土的内摩擦角(φ)。基坑周围半径0.7H或H·tan(45-φ/2)的圆范围内为主要影响区，半径0.7H至(2～3)H或者H·tan(45-φ/2)至(2～3)H的圆环区域为次要影响区，其他区域为可能影响区。工程自身风险等级按照设计深度H划分，H>20 m的为1级风险；10 m≤H≤20 m的为2级风险；H<10 m的为3级风险。

该案例的设计深度为13 m，确定为2级风险[3]。通过环境类型、工程重要性、事故潜在危险程度、所处空间位置确定周边环境风险等级[4]。该案例深基坑的主要影响区内存在城市主干道与若干市政设施，次要影响区范围内含有一般建筑物、桥隧与公路。根据《规范》，其周边环境风险等级为3级，监测等级为1级。

案例工程深基坑BIM模型的监测点布置见表1。监测点的布设规则：地下水位，每30 m设置1个监测断面，地表竖向位移设置于基坑周围，监测点至少3排，间距3～6 m；围护结构桩水平与竖向位移，每20 m设置1个监测面，布设于临近重要建筑、岩土条件复杂等风险程度较大位置，立柱竖向位移设置于其上部，监测点不少于立柱数量的7%，支撑轴力监测点设置于支撑中部。

表1 案例工程深基坑BIM模型的监测点布置

1.2 智能预警监测系统的设计

1)BIM模型构建完成后，设计深基坑的预警监测系统[5-6]。该系统用于监测深基坑的各种关键安全指标，为项目施工与管理提供依据，从而保证深基坑本身与相邻建筑物的安全。其监测对象为深基坑结构体系、基坑影响区内的岩土体、基坑周边市政结构与其他建筑物[7]，主要监测项目为沉降、倾斜、裂缝、位移、应力应变、水位。其中，沉降指基坑与边坡沿线沉降，位移指基坑位移。地下水位采用智能液位测量传感器测得，围护桩的水平位移采用DTS位移传感器测量，支撑轴力采用振弦传感器与数据收集系统测量，支撑应力采用振弦式钢筋计测量。另外，使用三维激光技术来加快BIM模型构建，现场布设分布式数据自动采集网络，通过无线节点、网关与各传感器、控制计算机连接，实现监测数据的自动化收集传输。结合基坑的施工参数、施工阶段、周边环境与监测等级，确定日常监测频率的方案：当开挖深度不足5 m时，每2 d监测1次；开挖深度为5～10 m时，每1 d监测1次；开挖深度超过10 m时，每1 d监测2次；浇筑底板后，7 h内监测2次，7～28 h内监测2次，28 h后每3 d监测1次。

2)对系统的核心预警环节进行设计，各监测预警等级的相关信息见表2。合理的预警可以有效降低施工项目发生事故的可能性或减少事故损失[8]。本文设计的智能预警监测系统可解决同类系统对施工相关要素考虑不足的问题，以监测数据及其加工分析为主，融合深基坑环境水文地质条件、施工组织、支护结构施工等多种因素方式，对项目进行实时监控、分析、预警。监测的预警控制值分为监测指标的变化速率控制值与累计变化控制值，需要在满足结构、周边环境设计及保护要求的前提下，结合相关规范来确定。为了最大限度地平衡施工任务与监测任务需求，控制监测消耗成本，需要对预警进行分级。监测任务应根据区域、危险等级、施工阶段等要素进行，且使用3级预警机制进行信息反馈。一旦监测数据出现预警，应向相关部门进行反馈与报告，以便及时处理预警情况。

表2 各监测预警等级的相关信息

2 智能预警监测技术的应用效果

对案例工程中的第1层支撑施工全过程进行监测预警。该施工过程开始日期为2020年7月12日，当年9月5日施工完成。把过程中收集的监测数据融入BIM模型进行计算分析，监测数据统计分析见表3。如表3所示，绝大部分监测项目的监测数值最大的监测点均低于对应控制值的70%，仅地下水位最大累计变化值达到了控制值的71.54%，触发黄色预警。通知施工方，其现场调查后发现是前几日大量降雨所致，当日的地下水位即恢复到正常状态。地表累计沉降值随监测日期的变化如图1所示。由图1可知，地表沉降量随着开挖深度增加而增加。由于上部土压力解除，会时不时反弹，反弹幅度较小，最大在5 mm左右。由于基坑围护桩与岩土间的摩擦作用，地表沉降最终趋于稳定，收敛于-9 mm左右。

表3 监测数据统计分析

图1 地表累计沉降值随监测日期的变化

支撑轴力随监测日期的变化如图2所示。由图2可知，基坑开挖前期支护结构处于安装状态，轴力呈逐渐增大趋势，支护结构安装完毕后，达到最大值2 600 kN左右，之后随着基坑底板逐渐封闭，轴力有所减少。基坑深部水平位移随埋深的变化如图3所示。由图3可知，各监测时刻的水平位移随埋深变化的趋势大致相同，在埋深接近基坑底部时收敛于0。随着监控日期推后，各深部水平位移在增长，但增长速率逐渐下降趋近于0。埋深方向最大水平位移发生在从地表下移到埋深3.64 m处。

图2 支撑轴力随监测日期的变化

图3 基坑深部水平位移随埋深的变化

3 结论

结合先进传感器与智能化技术，搭建了地下有轨交通深基坑施工智能预警监测系统，并以国内某相应施工项目为例，对其进行试应用。结果显示，施工监测数据基本正常。同时，地表沉降量随开挖深度增长而增加，最终收敛于-9 mm左右。支撑轴力在基坑开挖前期呈增大趋势，在支护结构安装完毕后，达到最大值2 600 kN左右，之后随基坑底板逐渐封闭有所减少。各深部水平位移在开挖接近基坑底部时收敛于0，埋深方向最大水平位移的发生位置从地表下移到埋深3.64 m处。