數字技術在中心城區道路基坑施工中的應用

李冀清

1. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072；

2. 上海面向典型建筑應用機器人工程技術研究中心 上海 200072

1 工程概況

1.1 項目概況

武寧路快速化改建工程位于上海市普陀區，武寧路現狀交通繁忙，兩側建筑物密集，地下管線較多，環境復雜，對既有設施的保護要求高。該工程西起中環線真北路立交東側，向東穿越內環高架路后至東新路，全長約3.5 km，其中明挖地道主線長2.86 km，采用明挖隧道形式，自西向東依次下穿大渡河路、蘭溪路、曹楊路、中山北路等交叉口。

1.2 基坑概況

武寧路A23基坑位于蘭溪路和武寧路交叉口。A23基坑圍護結構采用厚800 mm地下連續墻，槽深28.95 m，φ1 000 mm立柱樁的樁長42 m，坑內加固采用高壓旋噴樁裙邊加抽條的形式，基坑開挖深度15 m，設置4道支撐，第1道采用混凝土支撐（800 mm×800 mm支撐、1 000 mm×1 000 mm圈梁），其余3道采用φ609 mm鋼支撐。

1.3 施工難點

1）既有建筑物距離基坑較近。武寧路規劃道路紅線為50 m，A23基坑西北側43.5 m處為第一酒市，西南側32.8 m處為真如一村居民樓，東北側17.7 m處為蘭溪公寓，東南側9.8 m處為北嶺園居民樓。東南側既有建筑物在2倍開挖深度內，需要重點監測。

2）既有地下市政管線復雜。武寧路路面下排布有各大管線，周邊存在管線種類較齊全，地道施工，將管線空間壓縮得較小，導致管線均距離基坑較近，施工過程中基坑兩側的路燈、污水、雨水、燃氣、給水、電力、信息（非開挖）等管線，除了部分搬遷管線外，還需做好保護工作，維持居民的生活使用（圖1）。

圖1 蘭溪路A22、A23基坑與市政管線的關系

3）交通組織難度大，施工場地狹小。由于武寧路施工斷面較小，根據實施線位置，斷面寬度50 m，需滿足8根機動車道＋2根人行通道的正常運行（約32 m），因此施工可用空間不足18 m，基坑寬度13 m，致使基坑南北方向基本無施工通道。

針對上述難點，該工程采用數字化技術輔助項目施工方案的制定和實施。

2 基于BIM的施工籌劃模擬

2.1 施工初步策劃

由于需要保證武寧路東西向交通，A23基坑將在圍護施工階段進行分階段施工，第1階段先施工A23北側圍護（圖2中1），道路翻交后進行第2階段南側圍護施工（圖2中2），最后基坑進行整體開挖和結構施工，待A23基坑完成，實施左側A22基坑（圖2中3）。

圖2 蘭溪路A22、A23基坑施工順序

2.2 交通組織細化

A23北側基坑施工時，在北側地下連續墻外預留窨井，并新建雨水管；A23南側基坑施工時，需將南北雨水管接通，此時需完成既有雨水井的改造工作，因此該階段的交通組織，需同時考慮蘭溪路北側φ2 400 mm雨水井的改造和南側基坑施工的交通占道情況（圖3）。

圖3 蘭溪路基坑北側φ2 400 mm雨水井改造對交通組織的影響

整個路口施工共分為4個階段，第1階段施工高壓旋噴樁（MJS）對原雨水管進行加固，施工期間路口南向北單向通行；第2階段施工拉森鋼板樁基坑圍護，施工期間南向北車道移至圍場西側，同時路口南側圍場向西外擴進行A23節段老管清障；第3階段施工臨封臨排鋼沉井及排水鋼管，施工期間圍場東側區域釋放，路口東向南左轉機動車由此處通行，同時A23圍場回收至第1階段位置；第4階段施工雨水井結構，施工期間圍場東側僅留人非通道，路口東向南左轉機動車道再調整到圍場西側通行，同時路口南側圍場再次向西外擴進行A23節段圍護結構施工（圖4）。

圖4 蘭溪路基坑南側交通組織4階段模擬

基于BIM模擬，該工程的交通組織方案保證了基坑施工時，蘭溪路南北向的正常通行，武寧路東西向維持始終保持7車道通行，最大可能地保證了道路交通的通暢。同時，通過基坑施工將蘭溪路原φ1 500 mm雨水管，改造為東西φ1 800 mm和南北φ2 200 mm雨水管，優化了雨水管網布置。

2.3 基坑施工模擬

根據交通組織籌劃，首先施工北側基坑，包括北側基坑的槽壁加固和地下連續墻圍護施工，坑底立樁施工和旋噴樁加固，首層混凝土支撐，至首層棧橋板施工完成，隨后開放北側交通。

南側基坑施工時，同樣首先進行基坑圍護施工，即利用三軸攪拌樁機進行槽壁加固，成槽機地下連續墻施工，鉆孔灌注樁施工，并采用高壓旋噴樁進行加固。

隨后，采用1臺反鏟挖機和2臺小挖機配合施工，反鏟挖機先將南坑開挖，后續小挖機配合反鏟挖機掏挖北坑棧橋板下以及角落土體。鋼支撐安裝采用25 t汽車吊配合挖機及棧橋下預留吊鉤進行安裝，先安裝西南角角撐，順時針安裝西北、東北、東南角角撐，最后形成對撐。

在基于BIM模擬的施工過程中，發現在A23基坑的南北兩坑施工時，需在基坑內西側頂部分別預留管線橋，用于通信管線的搬遷。經評估，采用該種施工方式可以節約通信割接2個月時間，即在支撐棧橋節段預留3 m×2 m的U形槽通信管線橋，在基坑開挖過程中即可進行管線割接（圖5）。

圖5 基于BIM模擬優化基坑開挖中的通信管線的搬遷

A23基坑采用半蓋挖法進行施工，南北兩側施工方式相同。首層棧橋板用于施工機械停放和車輛行駛。首先，圍護結構養護過程中進行基坑降水，降水完成后將基坑分為4層進行開挖，按照牛腿、鋼筋混凝土角撐、鋼支撐的順序，隨挖隨撐，鋼支撐通過先前地下連續墻施工預留的鋼板完成和地下連續墻的焊接。當土方開挖至基坑底部，施工底板混凝土墊層，澆筑底板與部分側墻，待底板混凝土強度達到設計要求值后，拆除第3、第4道鋼支撐和角撐，再向上澆筑側墻和中隔墻。搭設滿堂腳手架，施工地道主體結構頂板。地道主體施工完畢后，施工南北向φ2 200 mm雨水管，最后割除第1道混凝土支撐，回填土方恢復交通。頂板預留通風井洞口，待中央綠化帶施工時，同步澆筑通風井。

3 基于軸力監測系統保證基坑施工安全

僅通過BIM優化施工組織設計是不夠的，在工程實施過程中，由于蘭溪路所處的曹楊地塊的建筑物建于20世紀八九十年代，建筑物本身有一定的沉降和傾斜，因此采用鋼支撐及伺服系統控制基坑的沉降變形。對第2道和第3道支撐，采用單端伺服鋼支撐系統，最大設計軸力達到593 kN/m。當軸力損失達到設計值的20%時，須進行軸力補償。

基坑支撐軸力自動控制系統是采用機電液一體化控制與監控的系統，對支撐軸力進行全天候不間斷監測與采集，系統根據傳感器所測得的支撐軸力作為反饋，實時動態調控支撐軸力，形成力的閉環伺服系統，有效控制和減少建筑深基坑施工引起的基坑變形，確保地鐵生命線等管線的安全[1-4]。

該系統采用了以下技術：

1）液壓控制技術。油泵從油箱吸油后向系統供油，通過比例溢流閥調壓，經電磁換向閥切換油路，千斤頂作為執行器。電磁換向閥中位可無內泄保壓，系統運行時，油泵為間歇性工作。

2）集散控制技術（DCS）。實施基于現場網絡的分散控制和集中管理。分散控制包括：各工作站自行檢測、調控各支撐的軸力；各工作站自行檢測故障和異常情況，自動報警并執行安全措施。集中管理包括：集中設置、管理整個系統和各工作站的性能參數、控制參數；統一管理各工作站的運行，正常運行時封鎖各工作站的操作界面，確保安全；特殊情況下，在總控站對部分指定工作站進行調整；集中采集各工作站施工數據，可以進行統計分析，也可進行遠程傳輸、異地監控。

3）支撐軸力調控技術。支撐首次安裝后處于空載狀態，先進行預撐，將支撐頂緊基坑，預撐壓力按支撐軸力設定值的百分比設置。支撐預撐后檢查支撐狀態，通過檢查后，進行支撐加載，使支撐軸力達到設定值。支撐壓力低于軸力設定值的偏差下限時，啟動泵站，執行支撐軸力欠載調控功能，使支撐壓力恢復到設定值。支撐壓力高于軸力設定值的偏差上限時，啟動泵站，執行支撐軸力超載調控功能，使支撐壓力恢復到設定值。支撐軸力調控到位后，關停泵站，支撐壓力以液壓鎖保持。

為確保基坑施工的安全，在建立伺服軸力預警機制的基礎上，還同步建立了變形預警機制。設置以下3個風險層級，提醒項目部進行風險管理。

1）正常：無變形異常加速，變形特征曲線趨于收斂。

2）預警二級：變形異常加速，變形特征曲線無收斂跡象，日均變形速率差值連續2 d大于2 mm/d。

3）預警一級：變形異常加速，變形特征曲線無收斂跡象，日均變形速率差值連續3 d大于2 mm/d。

4 結語

武寧路快速化改建工程是上海市快速路系統規劃“一橫三環＋十字九射”布局形態中的一“射”，也是上海西部中心城的一條重要射線快速通道，更是銜接G2京滬高速公路入城段的一條內外交通轉換的重要通道。該工程的進度和質量管理不言而喻，但同時還需最大限度地保證居民生活和出行不受影響。基于BIM和軸力監測系統等數字技術的應用，不僅優化了工程施工組織設計，確保了有序施工和按期完工，而且更容易得到相關審批部門和附近居民的理解，助推工程建設順利實施。

數字化技術的不斷應用，使中心城區市政工程施工組織和施工過程的精細化管理成為可能，并進一步增強了中心城區城市更新建設的可操作性。