BIM技術在復雜地質條件樁基施工中的應用

李燦峰 龔宇凱 劉 寧

(浙江寶業建設集團有限公司 浙江紹興 312000)

0 引言

在樁基礎施工過程中，復雜的地質條件直接影響到樁基礎的施工質量及承載力。由于地質勘察報告無法較為詳細描述地下土層的全部情況，使得目前尚無較好的方法直觀判斷入巖深度、樁長設計等問題。

BIM技術的應用，可將地質勘查報告或相近工程的地質情況直觀表達在地質模型中，對施工中的技術交底及質量控制提供依據和評判手段。

本文以紹興市越城區人民醫院建設工程為例，詳細分析BIM技術在樁基施工中的應用，為類似工程提供參考。

1 工程概況

紹興市越城區人民醫院建設工程位于紹興市越城區人民東路與敬賓路交叉口西南側?？偨ㄖ娣e130 700 m2，地下一層，地上八層，地基基礎設計等級為甲級，采用柱下獨立承臺加抗浮筏板，筏板450 mm厚，承臺高度900 mm～1400 mm。工程樁采用泥漿護壁鉆孔灌注樁，樁徑600 mm，樁端持力層中風化角礫凝灰巖，入巖深度不小于1.0 m，單樁豎向承載力特征值為1800 kN，樁長為6 m～32 m，總樁數1428根。

根據地質勘察報告，該工程場地地基土層自上而下依次為①雜填土、②粉質粘土、③淤泥、④粘土、⑤粉質粘土、⑥粘土、⑦含粘性土礫砂、⑧圓礫、⑨含礫粉質粘土、⑩-2強風化角礫凝灰巖、⑩-3中風化角礫凝灰巖。各土層層厚、樁周土摩擦力特征值、樁端土承載力特征值參數指標等如表1所示。

表1 各土層參數表

作為樁端持力層的中風化角礫凝灰巖，具有以下特點：

(1)巖石飽和單軸抗壓強度16.9～46.5 MPa，平均值為28.6 MPa，標準值為24.6 MPa，巖體強度的差異性大。

(2)場地內巖面層頂高差變化大，最淺部位層頂標高為-1.06 m，最深部位層頂標高為-37.93 m，而且局部坡度較大，坡度最大處達54.46°，場地地勘等高線地形圖如圖1所示。

圖1 地勘等高線地形圖

(3)根據地勘報告土層描述，在中風化角礫凝灰巖上部局部存在夾層。

2 施工難點

根據地質勘察報告及設計資料分析本工程存在以下難點：

(1) 根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)第5.3.5條，結合地勘報告提供的土層參數指標，由樁端持力層⑩-3層中風化角礫凝灰巖提供的單樁豎向承載力特征值≥upqsal+qpaAp=0.6×3.14×70×1.0+0.32×3.14×3000=980 kN。由上述計算可知，樁端持力層提供了單樁豎向承載力特征值的一半以上的承載力。因此，未入巖或入巖深度不足，對樁基承載力影響很大，直接關系到工程質量安全。

(2) 根據該工程樁基設計圖紙中僅明確工程樁樁端持力層為⑩-3層中風化角礫凝灰巖及入巖深度應≥1.0 m。工程樁施工前，雖可結合周邊勘探孔的地質情況預估工程樁長度，但因勘探孔間距為20 m～25 m，預估工程樁長度缺少參照性，與實際施工完成的工程樁長度偏差較大。

(3)作為樁端持力層的中風化角礫凝灰巖抗壓強度差異性大，通過鉆桿受力判斷入巖深度，往往較困難。另外局部坡度較大處，全截面入巖要求是確保工程樁施工的質量保證，如何判斷是否全截面入，巖尚無較好的方法參考。

3 BIM技術應用情況

針對項目復雜地質情況，運用BIM技術建立地形模型，進行地質情況直觀分析[1]，并利用BIM技術參數化特點出具模型設計樁長，為項目樁基施工提供參考。地質模型如圖2所示。

圖2 地質模型

3.1 三維交底預警

運用BIM技術三維可視化特點，分析樁基施工不利地質情況可以分析出以下3個問題：

(1)⑩-3中風化角礫凝灰巖作為樁端持力層，層頂標高在場地內分布差異大，局部坡度大，坡度最大處達54.46°，如圖3所示。

圖3 ⑩-3號土地勢陡峭部位

(2)地層中圓礫層位于⑩-3中風化角礫凝灰巖上部，局部土層分布較厚，厚度最大達7.4 m，對樁基施工存在較大干擾，如圖4所示。

圖4 ⑧號土圓礫層超厚部位集中區域

(3)地層中⑩-2號土強風化角礫凝灰巖緊貼持力層，局部土層分布較厚，厚度最大達3.1 m，對樁基入巖判別存在較大干擾，如圖5所示。

圖5 ⑩-2號土強風化角礫凝灰巖超厚部位集中區域

通過分析得出以上3個問題后，可在樁基施工前，對施工班組進行三維交底預警，制定合理樁基施工方案。針對持力層局部坡道大、局部圓礫層厚度大、局部強風化巖層厚度大等不同情況，選用合適的樁基施工機械及施工方法，保證樁基施工質量。

3.2 輔助樁長設計

建立基于地質模型的樁基模型，利用BIM技術參數化[2]導出樁基設計樁長，結合樁基施工班組出具的施工設計樁長，共同作為樁基施工設計樁長的判斷依據。通過建立的樁基三維模型，如圖6～圖9所示，可以清晰直觀地判斷每根樁的入巖情況。對每根工程樁施工要求等進行詳細交底，有助于項目管理人員對每根工程樁的入巖深度等施工要求有更清晰的認識與理解。

圖6 樁基模型

圖7 陡峭部位三維模型

圖8 強風化超厚部位三維模型

圖9 圓礫層超厚部位三維

3.3 模型設計樁長動態反饋

樁基施工過程中，施工實際樁長同設計樁長有一定偏差；采集偏差較大的已施工完成樁基實際樁長、入巖深度數據，運用BIM參數化手段錄入模型，真實反饋地勘報告勘探不足部位地質基巖位置情況，形成新的地質模型，如圖10所示。對還未施工的樁基模型設計樁長進行修正，為樁基施工提供參考。

圖10 樁基設計樁長反饋

3.4 工程量統計

因樁基設計圖紙往往僅明確工程樁施工入巖要求，未明確每根工程樁的實際樁長。因此，進行工程樁工程量計算時，還需根據地勘報告參數進行估算。但這種方法工作量大，且估算的工程量偏差往往很大。而通過建立的三維模型，可逐個統計出每根樁基于三維模型的預估樁長，形成統計表，可快速、準確地計算出相應工程量[3]。

4 效益分析

該工程1428根工程樁施工完成后，按設計要求共選取18根進行豎向靜載試驗，試驗結果符合設計要求；地下室基礎施工前對工程樁進行全數低應變檢測，其中Ⅰ類樁1299根(合格率達91%)，Ⅱ類樁129根，無Ⅲ、Ⅳ類樁。

(1)通過運用三維模型交底、比對分析等措施，使施工管理人員與作業人員在施工前，對地質情況復雜程度、工程樁施工的重難點有更直觀的了解，有利于提升工程樁施工質量，確保工程樁樁端入巖及入巖深度滿足設計要求。

(2) 輔助工程樁工程量計算。通過三維模型得出的預估樁長，比按設計圖紙及附近勘探孔得出的預估樁長的準確性有明顯提高，有利于投標報價及材料采購等。

(3)通過BIM三維模型，可結合工程樁施工情況對三維模型作動態調整、判斷，同時也能對地質勘察報告提供的基巖等高線圖進行補充后，作為樁基施工參考。

5 結語

運用BIM技術對復雜地質條件及樁基建立三維模型，通過對地質情況三維分析，導出模型設計樁長，在樁基施工過程中進行模型設計樁長動態反饋等措施，有效解決了復雜地質條件下樁基入巖判斷、樁長設計、工程量統計等問題。提升了樁基施工質量，確保了工程樁豎向承載力滿足設計要求。