基于BIM技術(shù)的高邊坡組合支護(hù)體系研究與應(yīng)用

王海峰，王迎彬

(中鐵上海工程局集團(tuán)建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

在邊坡治理中各種傳統(tǒng)方法均有各自的局限性，如重力式擋墻、懸臂式或扶壁式擋土墻均要求基底土堅(jiān)實(shí)、具有較高的承載力，而且支護(hù)高度一般為6～12m；樁板式擋土墻及抗滑樁的支護(hù)高度一般不超過(guò)15m；隨著擋土墻高度的增加，墻體對(duì)地基承載力的要求急劇增大，擋土墻經(jīng)濟(jì)性變差，因此傳統(tǒng)的擋土墻結(jié)構(gòu)多用于地基條件較好、高度不大的邊坡防護(hù)。錨桿框架梁支護(hù)、錨桿掛網(wǎng)噴錨支護(hù)、土釘墻、抗滑樁等支護(hù)方法也廣泛地應(yīng)用于邊坡治理中，但是面對(duì)多層復(fù)雜地質(zhì)條件的超高邊坡時(shí)，單一支護(hù)方式往往達(dá)不到理想效果且經(jīng)濟(jì)性不佳。

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的發(fā)展，目前已開(kāi)始出現(xiàn)將BIM技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地區(qū)的地形信息采集及工程施工調(diào)查等技術(shù)工作中，但利用傾斜攝影技術(shù)結(jié)合地質(zhì)勘察所獲的真實(shí)地質(zhì)信息深化形成三維實(shí)體地形地質(zhì)模型，并進(jìn)一步用于邊坡穩(wěn)定分析、優(yōu)化邊坡治理方案，尚未見(jiàn)相關(guān)研究。

1 工程概況

鄭萬(wàn)鐵路重慶段奉節(jié)梅溪河雙線特大橋全長(zhǎng)687.8m，設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h。主橋?yàn)閯判怨羌茕摻罨炷辽铣惺教峄@拱橋，拱跨340m，矢高74m，一孔跨越梅溪河，無(wú)鉸拱結(jié)構(gòu)，拱圈設(shè)計(jì)勁性骨架，弦管內(nèi)壓注C60混凝土，拱圈外包C55混凝土。拱上共計(jì)11根墩柱、三聯(lián)連續(xù)梁；小里程引橋?yàn)?×65m T構(gòu)，大里程引橋?yàn)?44+72+44)m連續(xù)梁+24m簡(jiǎn)支梁。主橋拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎(chǔ)，水平樁樁長(zhǎng)15～30m，水平向下傾斜10°，斷面寬6m、高7～8m；豎直樁為大直徑變截面結(jié)構(gòu)，樁頂9m部分樁徑3.2m，其余部分樁徑2.8m，樁長(zhǎng)17～25.5m；拱座承臺(tái)寬11.7m、長(zhǎng)18.2m、高14.2m。

梅溪河為U字形河谷地貌，地形起伏大，河岸邊坡陡峭，高差50～60m，自然坡度25°～60°，河面寬度約為280m。J1，J2號(hào)拱座位于兩岸陡坡上，地形地質(zhì)條件復(fù)雜，施工場(chǎng)地狹小，修建便道困難，拱座基坑開(kāi)挖及邊坡防護(hù)難度大。

2 信息采集及模型建立

2.1 地形信息采集

開(kāi)工前，利用傾斜攝影技術(shù)采集現(xiàn)場(chǎng)地形信息。傾斜攝影技術(shù)是利用無(wú)人機(jī)從不同視角采集數(shù)字影像，同時(shí)記錄飛行器的空間坐標(biāo)及飛行姿態(tài)等信息，然后通過(guò)Agisoft Photoscan等專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)所獲取的影像進(jìn)行加工，經(jīng)過(guò)幾何校正、聯(lián)合平差等一系列運(yùn)算得到帶有空間位置信息的稠密點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲得厘米級(jí)精度的邊坡三維點(diǎn)云模型。點(diǎn)云抽稀后構(gòu)建一張連續(xù)的TIN三角網(wǎng)，通過(guò)把高分影像貼到三角網(wǎng)上，得到真實(shí)三維地形模型，如圖1所示。該三維地形模型與現(xiàn)實(shí)情況完全吻合，且在模型中可以隨意提取工程建設(shè)所需的各點(diǎn)距離、高差等坐標(biāo)信息，真實(shí)呈現(xiàn)實(shí)際地形狀況。

圖1 三維地形模型

2.2 地質(zhì)信息勘探

現(xiàn)場(chǎng)勘察探明了巖土層分布主要包括地表碎石土層、強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r層，并通過(guò)鉆探取樣試驗(yàn)得到不同巖土層的相關(guān)土工參數(shù)，所獲的真實(shí)地質(zhì)資料為邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供可靠依據(jù)。

2.3 三維實(shí)體邊坡模型建立

利用傾斜攝影地形文件及勘探所得的地質(zhì)信息準(zhǔn)確重構(gòu)三維實(shí)體地形地質(zhì)模型，導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析，分析超高邊坡開(kāi)挖過(guò)程結(jié)構(gòu)的位移及穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)傾斜攝影技術(shù)、三維建模技術(shù)與有限元分析技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。三維實(shí)體地形地質(zhì)模型的信息導(dǎo)入及模型建立過(guò)程如圖2所示。

圖2 三維實(shí)體地形地質(zhì)模型建立流程

3 組合支護(hù)體系設(shè)計(jì)

3.1 初步設(shè)計(jì)

根據(jù)地形信息模型及地質(zhì)情況對(duì)邊坡進(jìn)行區(qū)域劃分，結(jié)合拱座邊坡的設(shè)計(jì)要求及各類(lèi)邊坡支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)不同區(qū)域采用不同的支護(hù)方式。三級(jí)邊坡位于最高處，要求坡頂建設(shè)項(xiàng)目駐地，需保留較厚巖堆，坡面刷坡開(kāi)挖方量小，地表碎石土層較厚，擬采用錨管注漿+掛網(wǎng)噴錨支護(hù)；二級(jí)邊坡位于強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r層內(nèi)，擬采用坡度1∶1的錨桿框架梁支護(hù)；一級(jí)邊坡位于弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r層，擬采用坡度1∶0.75的錨桿框架梁支護(hù)；拱座基坑側(cè)壁位于弱風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r層，側(cè)壁臨時(shí)坡面擬采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，基坑底部采用抗滑樁支護(hù)；對(duì)于局部需設(shè)置施工平臺(tái)及便道的部位，加設(shè)擋土墻防護(hù)。初步確定兩岸邊坡及拱座基坑采用分級(jí)開(kāi)挖、分區(qū)支護(hù)、多種支護(hù)方式組合應(yīng)用的實(shí)施方案，以大里程J2號(hào)拱座邊坡為例說(shuō)明如下：①J2號(hào)邊坡高差60m，計(jì)劃分4級(jí)開(kāi)挖，如圖3所示；②坡頂場(chǎng)地為建設(shè)項(xiàng)目駐地；③三級(jí)邊坡高度10m，坡度1∶1，錨管注漿+掛網(wǎng)噴錨支護(hù)；④二級(jí)邊坡高度11.3m，坡度1∶1，錨桿框架梁支護(hù)；⑤一級(jí)邊坡高度15m，坡度1∶0.75，錨桿框架梁支護(hù)；⑥基坑側(cè)壁高度14.2m，臨時(shí)噴錨網(wǎng)支護(hù)；⑦基坑底部設(shè)置抗滑樁，樁頂采用冠梁連接。

圖3 大里程J2號(hào)拱座邊坡初擬治理方案(單位：cm)

根據(jù)施工組織要求，在J2號(hào)拱座側(cè)的二、三級(jí)邊坡中間規(guī)劃施工便道，便道兩側(cè)設(shè)置擋墻，擋墻支護(hù)高度合計(jì)9.5m。由于兩岸臨時(shí)修建的便道口與拱座基坑存在高差，且便道坡度不宜過(guò)大，并綜合考慮拱座豎直樁及水平樁開(kāi)挖施工，需根據(jù)計(jì)算確定基坑開(kāi)挖支護(hù)的總體施工順序。

3.2 有限元分析計(jì)算

在三維地形地質(zhì)模型中，根據(jù)初步方案設(shè)置各級(jí)邊坡開(kāi)挖支護(hù)的施工階段，真實(shí)模擬各工況，確定最終的開(kāi)挖支護(hù)順序及各區(qū)詳細(xì)施工參數(shù)。邊坡計(jì)算分析中，采用三維分析與二維校核相結(jié)合，通過(guò)多種方法、多種軟件反復(fù)分析對(duì)比，確保施工安全。首先將三維實(shí)體地形地質(zhì)模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中進(jìn)行三維有限元整體分析，然后根據(jù)三維模擬計(jì)算結(jié)果，在模型中提取典型部位的相關(guān)信息，進(jìn)行二維平面分析校核。

研究表明，土質(zhì)邊坡的滑動(dòng)面一般為圓弧形，而巖質(zhì)邊坡由于結(jié)構(gòu)面的存在，滑動(dòng)面往往為折線形。因此，在采用Slide邊坡穩(wěn)定計(jì)算軟件進(jìn)行二維極限平衡分析校核中，分別采用圓弧形滑面和折線形滑面兩種破壞模式進(jìn)行驗(yàn)算，圓弧滑動(dòng)模式采用簡(jiǎn)化Bishop法計(jì)算，而對(duì)于折線形滑面則采用M-P法計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采取相應(yīng)支護(hù)方式組合加固后的一、二、三級(jí)邊坡安全系數(shù)均在1.25以上，滿(mǎn)足邊坡安全標(biāo)準(zhǔn)，且尚有一定的安全裕度；其中坡頂為建設(shè)項(xiàng)目駐地，需保留較厚巖堆，三級(jí)邊坡通過(guò)加強(qiáng)組合支護(hù)措施，安全性也滿(mǎn)足要求。但拱座基坑坡度陡，近乎豎直開(kāi)挖，導(dǎo)致安全系數(shù)顯著降低。在拱座基坑底不設(shè)置抗滑樁時(shí)，開(kāi)完至基底工況的安全系數(shù)僅為1.05，低于臨時(shí)邊坡的安全標(biāo)準(zhǔn)(≥1.1)，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)增設(shè)基底抗滑樁。由于抗滑樁的限制，潛在滑面位置由基坑底變化至從抗滑樁頂穿過(guò)，相當(dāng)于降低了基坑開(kāi)挖深度，邊坡整體安全系數(shù)從原來(lái)的1.05提高至1.17，增大11%，滿(mǎn)足了臨時(shí)邊坡的安全標(biāo)準(zhǔn)要求，因此基底抗滑樁的設(shè)置對(duì)于提高基坑安全度作用很大。

4 組合支護(hù)體系應(yīng)用

根據(jù)上述計(jì)算分析選擇最有效的組合支護(hù)體系，綜合利用多種支護(hù)措施的優(yōu)勢(shì)，確保方案的有效性和經(jīng)濟(jì)性。拱座邊坡采用由上到下逐級(jí)開(kāi)挖的逆作法施工，邊開(kāi)挖邊支護(hù)、逐級(jí)推進(jìn)施工。

4.1 拱座邊坡整體治理

由于大里程修建施工便道影響，無(wú)法按照原設(shè)計(jì)坡度施工拱座邊坡，經(jīng)變更后便道以下分兩級(jí)放坡，一級(jí)邊坡坡度為1∶0.75，二級(jí)邊坡為1∶1，分級(jí)邊坡之間設(shè)置防護(hù)平臺(tái)。由于坡頂需修建項(xiàng)目駐地，巖堆無(wú)法完全清除，所以便道以上的第3級(jí)邊坡采用錨管注漿+掛網(wǎng)噴錨的組合方式支護(hù)。大里程J2號(hào)側(cè)拱座邊坡防護(hù)治理具體參數(shù)如下。

1)三級(jí)邊坡 采用錨管注漿+掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，第1排錨管長(zhǎng)度12m，向下逐排遞減2m，鉆φ90mm錨孔；長(zhǎng)度在6m以上部分采用φ48mm×3mm錨管注漿；長(zhǎng)度4m及以下部分采用φ20mm鋼筋錨桿；錨管或錨桿橫豎間距均為1.6m，傾斜15°。

2)二級(jí)邊坡 采用錨桿框架梁加固，錨桿采用φ32mmHRB400鋼筋、長(zhǎng)12m、傾斜15°，鉆孔直徑110mm，橫豎間距3m。

3)一級(jí)邊坡 采用錨桿框架梁加固，錨桿采用2根φ32mmHRB400鋼筋、長(zhǎng)8m、傾斜15°，鉆孔直徑110mm，橫豎間距均為3m。

4)基坑側(cè)壁 采用噴錨支護(hù)，錨桿采用HRB400φ32mm鋼筋、長(zhǎng)10m、傾斜15°，鉆孔直徑110mm，橫豎間距均為1.5m。

5)基坑底部 設(shè)置1排抗滑樁，樁徑1.2m，樁長(zhǎng)17m，其中基坑底面以上懸臂段長(zhǎng)度5m(含冠梁)，樁間距1.5m，樁頂設(shè)置1.2m×1m鋼筋混凝土冠梁；為方便水平樁施工，水平樁洞口范圍內(nèi)不設(shè)抗滑樁。

4.2 局部邊坡加強(qiáng)支護(hù)

在J2號(hào)施工便道兩側(cè)設(shè)置擋墻(見(jiàn)圖4)，擋墻由邊坡開(kāi)鑿的毛石砌筑而成，為加快施工進(jìn)度，擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分2個(gè)階段施工；第1階段采用毛石砌筑擋墻并預(yù)留錨孔，該階段擋墻僅能承受邊坡巖土側(cè)壓力及輕型車(chē)輛通行，以此縮小擋墻厚度、減少砌筑工作量來(lái)保證進(jìn)度；第2階段利用預(yù)留錨孔采用雙拼工字鋼豎梁+鋼筋錨桿的組合方式進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，保證后期主體工程施工時(shí)重載車(chē)輛通行。

圖4 便道擋墻局部加強(qiáng)支護(hù)(單位：cm)

4.3 拱座基坑分級(jí)開(kāi)挖

由于兩岸便道口與拱座基底存在較大高差，以及拱座豎直樁及水平樁施工順序要求，拱座基坑分3次開(kāi)挖，以J1號(hào)拱座為例對(duì)拱座基坑分層開(kāi)挖(見(jiàn)圖5)進(jìn)行說(shuō)明。

1)第1次開(kāi)挖 拱座基坑以上的邊坡防護(hù)完成后，J1號(hào)側(cè)拱座基坑先開(kāi)挖至基底以上4m位置，作為拱座豎直樁作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行豎直樁施工，豎直樁完成后，施作基坑抗滑樁。

2)第2次開(kāi)挖 抗滑樁完成后，第2次開(kāi)挖基坑至水平樁洞口底標(biāo)高位置(基底以上1.5m)，進(jìn)行水平樁施工。

3)第3次開(kāi)挖 水平樁施工完成后，第3次開(kāi)挖基坑至基底標(biāo)高，進(jìn)行拱座承臺(tái)施工。

圖5 J1拱座基坑分層開(kāi)挖示意(單位：m)

5 技術(shù)創(chuàng)新

1)利用傾斜攝影技術(shù)自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)地形信息，操作方便快捷、收集信息精確，不僅避免了測(cè)量人員徒步到達(dá)復(fù)雜地形區(qū)域采集信息，而且有效節(jié)約了人力資源投入；將傾斜攝影技術(shù)與BIM技術(shù)的結(jié)合引入到邊坡穩(wěn)定分析中，高效快速地為三維計(jì)算分析提供精準(zhǔn)模型。

2)提出邊坡分區(qū)、分級(jí)開(kāi)挖、局部加固與整體加固相結(jié)合的高邊坡組合支護(hù)方式，對(duì)不同區(qū)域采用不同的支護(hù)方法，綜合發(fā)揮各類(lèi)邊坡支護(hù)方法的優(yōu)點(diǎn)，不僅方便生產(chǎn)組織及施工操作，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合BIM技術(shù)及地質(zhì)信息建立三維實(shí)體地形地質(zhì)模型，集中各類(lèi)邊坡支護(hù)方式的優(yōu)點(diǎn)加以分區(qū)應(yīng)用并連成整體，形成一套基于BIM技術(shù)的高邊坡組合支護(hù)體系。鄭萬(wàn)鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋開(kāi)創(chuàng)性地運(yùn)用該技術(shù)，在成功地解決現(xiàn)場(chǎng)高大邊坡支護(hù)難題的基礎(chǔ)上，不僅從施工組織上增加了兩岸坡頂場(chǎng)地，為山區(qū)復(fù)雜地形環(huán)境下后續(xù)施工帶來(lái)極大便利；而且工期上比預(yù)計(jì)提前35d具備拱座豎直樁開(kāi)挖條件，為工程建設(shè)創(chuàng)造了良好開(kāi)局。該技術(shù)經(jīng)應(yīng)用后取得顯著成效，實(shí)踐證明其技術(shù)可行性及優(yōu)越性，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。