第1章绪论
1.1选题的目的及意义
随着社会日新月异的高速发展以及城市中心大量建筑物的出现，人们越来越重视城市地下空间的开发和利用，这就导致了城市中的深基坑工程越来越多，其存在问题越显得突出而复杂，尤其是深基坑支护结构安全问题。
据调查，2019年6月，南宁市东葛路延长线靠近竹岭立交附近的延长线的延伸部分破裂坍塌，由于施工现场基坑支护的变形和水管的长期渗漏，基坑周围的土壤被掏空，局部土壤被软泡沫冲破，导致水管破裂，基坑的锚索结构失效，最终造成倒塌事故。2013年5月，杭州基坑产生失稳，坑内土体隆起，围护桩下部出现“踢脚”现象，坑外土体下陷，加油站倾斜。
从以上资料分析，深基坑支护施工存在高难度，高风险且极具挑战性，目前深基坑坍塌事故越来越多，对深基坑支护结构的安全分析是非常有必要的，而有效的深基坑支护结构在一定程度上可以降低建筑事故中的人员死亡率，减少经济的损失，具有较大的研究意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
在国外，从20世纪70年代以后，很多国家开始制订相关法规来指导基坑开挖以及支护设计施工，人们开始认识到深基坑支护的重要性，因此很多人通过一些方法对深基坑支护结构进行一系列的研究。如，Rolf Katzenbach等人着重利用四眼原则对深基坑系统和支护结构进行研究，但此次研究是指在基坑施工时必须由技术主管和商务主管共同做出决策，具有一定的局限性；后来Heiko Kuttig等人通过研究降水对深基坑支护结构的影响，提出一种可以考虑围护结构的保温效果，估计土壤固结沉降、负摩擦力对桩轴和额外的桩基沉降的程序,但其研究只针对降水一种影响因素；Siang-Rou Lu等人对深基坑开外进行以BIM技术为基础的风险评估模型的研究，但其研究没有对支护结构进行研究。
1.2.2国内研究现状
从20世纪80年代初开始，我国开始涉入深基坑的设计与施工领域。90年代后，我国编制多部国家行业标准及地方性相关法规，国内许多专家也陆续提出许多新的理论和方法。刘一鸣等人应用BIM可视化技术进行某基坑设计方案展示和施工模拟，采用ArchiCAD17建立三维基坑模型，展示设计方案，但其研究未涉及优化方面内容；刘肖等人主要通过以目标特征值矩阵为指导，对深基坑支护结构方案进行准确合理评价对深基坑支护结构设计的优化进行探讨，但其研究未结合信息化技术；廖志刚等人设计了基于BIM(Building Information Modeling)技术的基坑监测系统的流程架构，但其未对深基坑支护结构进行研究。
虽然国外对深基坑支护结构的研究起步较早，但其研究相对局限，不够全面；国内对深基坑支护结构的研究不够深入。因此，综合考虑国内外深基坑支护结构研究的优缺点，本文拟基于BIM技术对深基坑支护结构进行安全分析及优化设计，构建全面、合理的深基坑支护方案综合评价体系，建立相应的BIM模型，找出存在的问题对深基坑工程实施进行有效管理，并将所得的理论成果应用于实际工程案例中进行验证。在此优选方案的基础上，阐述如何借助BIM技术使得项目支护方案更好的实施，以期为类似工程的实施提供一定的方法借鉴。
1.3研究内容及研究方法
1.3.1研究内容
本选题拟针对深基坑支护结构基于BIM技术的基本理论和方法分析其安全性能及优化设计，帮助降低建筑事故中的人员死亡率，减少经济的损失。其研究内容主要包括：
1.深基坑支护结构的国内外研究现状。通过分析当前国内外深基坑支护机构研究的优缺点，确定本论文的总体设计思路。
2.基于BIM技术，以基坑深度为25米的岛式站台车站案例为依据，构建BIM技术中的Revit软件模型。
3.弹塑有限单元法。弹塑有限单元法能够综合考虑支护结构稳定性，准确判定深基坑支护结构发生形变的概率，可以得到较为准确的计算结果，为设计方案的调整与后续施工的质量提供专业的数据。
4.基坑支护结构BIM模型与BIM技术中的Navisworks软件有机结合，对基坑支护结构进行碰撞检查，对比实际监测与设计工况的差异，验证设计和施工方案的合理性，看其是否达到安全等级的要求。
1.3.2研究方法
（一）文献研究法：通过查阅期刊、文书档案、书籍、报纸，互联网的收集和整理有关深基坑支护结构的资料文献，对各种研究方法进行大概的了解，结合不足，确定自己的研究思路。
（二）实证研究法：分析相关工程案例，对基坑支护结构的变形、受力、稳定性进行实时性分析，为此次论文提供理论依据，帮助研究的进展。
（三）模型分析法。通过对基于BIM技术深基坑支护结构安全管理模型的构建识别深基坑支护中的安全隐患，以加强安全防护，减少安全事故的发生，为基于BIM技术的深基坑支护结构安全管理研究提供数据支持。
（四）BIM技术。BIM技术可贯穿于深基坑项目整个生命周期，它本身的丰富信息可以用于深基坑的设计、施工和监测的整个阶段。其理论与方法也作为深基坑的重要依据，提高了深基坑支护结构的安全性。
第2章深基坑支护的安全分析
2.1深基坑工程相关概述
2.1.1深基坑工程的定义
深基坑工程是指开挖深度超过5米(含5米)或地下室三层以上(含三层)，或深度虽未超过5米，但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程。
深基坑工程是随着我国建设事业的发展而出现的一种较新类型的岩土工程，发展至今，量多面广的深基坑工程已经成为城市岩土工程的主要内容之一。典型深基坑工程可以是由地面向下开挖的一个地下空间，基坑周围一般为垂直的挡土结构。深基坑开挖是基础和地下工程施工中一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。
2.1.2深基坑工程的特点
（1）深基坑工程拥有较强的综合性
深基坑工程涉及土力学中强度、变形和渗流3个基本课题,三者融溶一起需要综合处理。其中有的基坑工程会由于土压力而引起支护结构的稳定性变化,还有的是由于土中渗流引起土破坏是主要矛盾,当然还有某些基坑周围地面变形是主要矛盾。
（2）深基坑工程拥有较强的环境效应
深基坑工程的开挖,势必会引起周围地基的地下水位变化和应力场的改变,导致周围地基土体的变形,对相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响。而影响严重的将危及相邻建筑物及市政的地下管网的安全与正常使用。大量土方运输同时也对交通会产生一定的影响，所以应注意其环境效应。
（3）深基坑工程具有较大工程量及较紧工期
由于深基坑的开挖深度都是比较大的,工程量比浅基坑也会增加很多。如果要抓紧整体施工的工期，一般是加强施工管理上的要求,这样不仅有利于减小基坑变形,而且还会对减小基坑周围环境的变形有一定的影响。
2.2深基坑支护的相关概述
2.2.1常见深基坑支护形式及其适用范围
（1）放坡支护
施工工艺流程为测量放样→降低地下水→分层开挖→边坡修理→坡顶截水沟→坑底截水沟。场地边坡开挖应自上而下，分层、分段依次进行，严格按设计及方案要求控制放坡角度。当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施。
（2）土钉支护
一般适用周边构筑物少，地质条件较好的情况，软土或砂层地质要慎用或采取加强型方案。土钉支护位移控制缺乏合理的计算理论，因此，对位移有严格要求的场地应慎用，造价较低。
（3）排桩支护
原理：基坑的开挖过程中，如果遇到的工程场地不能放坡并且因为场地的局限性，而且根据该场地的自身条件情况判断不能采用搅拌桩围护时，如果此基坑的开挖深度范围在6米和10米之间变化不大的情况下，可以采取排桩支护的支护措施。对于排桩支护而言，它的施工方法有多种，包括了人工灌注桩的方法，以及钻孔挖孔桩和预制钢筋混凝土板桩等多种施工手段。对排桩支护的类型进行分类的话，大致可分为三大类，包括了连续排桩支护类型，组合式排桩支护类型以及柱式排桩支护类型，所谓的柱式排桩支护就是指将钢筋混凝土桩按一定的间隔一次排列开来形成一个在地下连续的排桩支护系统，是使用较多的排桩支护方法。而连续排桩支护就相对柱式排桩支护更为多样化，可以依照场地的实际情况采用多种不同的排列方式以达到最佳的支护效果。所谓组合式排桩则是在排桩的基础上加上了其他的支护措施，以达到最稳定的效果，多使用于一些土层情况相对较差的基坑，如在排桩支护完成的情况下再在其侧面加一道搅拌桩支护，这样便比单独的排桩支护或搅拌桩支护更加的稳定安全。若按基坑的开挖深度对排桩进行分类的话，又可以分为三大类，包括单支撑结构，多支撑结构以及无支撑结构。
特点：排桩支护施工工艺成熟而且简单方便快捷，挡土性能好，但整体性一般，不能起到挡水的功能。对排桩支护方法来说，它的支护能力较其他的支护措施而言安全性及稳定性好，并且它的施工质量可以受到人为的干预以达到更好的支护效果。在软土的地基情况下，多用排桩支护，在地基的支护过程中，因为排桩承担的是受压构件，能够很好的将钢筋混凝土的抗压性能发挥出来，因此可以在很大的程度上将钢筋混凝土构件的性能发挥到极限。但由于采用排桩支护时需要采用内支撑来达到稳定的效果，所以在内撑达到一定强度的条件下需要等待一定的时间，而且在拆除内撑时需要占用一定的工期，所以采用排桩支护将会增加所需要的工期，无形中也就是增加了工程的造价。同时在内支撑存在的情况下，导致了施工场地的减小，为施工人员的施工增加了一定的难度。
排桩支护刚度好，适应性广，结合桩间止水也可用于砂层，止水效果没有连续墙好，造价低于连续墙，而大于土钉墙。
（4）深层搅拌桩支护
适用范围：
①适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。
②用于民用建筑多层楼房。
③可提高地基土的承载力1.5~2倍。
这种支护的优点是对周围建筑物没有影响，施工的挡墙即能挡土、又能防水、防流砂，而且避免了用其他方法施工时由于降水、排水造成周围地面沉陷，道路和建筑物开裂破的恶果，被称之为多效、经济的支护结构。
（5）地下连续墙
原理：地下连续墙支护的方法最早来源于欧洲，它的原理就是是利用经过特意加工制作的的成槽机械在采用泥浆进行护壁的情况下来进行开挖，以形成一条一定槽段长度的槽沟，紧接着再将在地面上预先经过加工制作完成的钢筋笼置入槽段之内。并采用导管法施工并以此来进行水下的混凝土浇筑，在施工完成之后会形成一个个独立单元的墙段体系，在各墙段之间通过采用一定的的接头方式以进行连接个个槽段，完成支护便形成了一道连续的地下钢筋混凝土挡墙，即为地下连续墙支护。
特点：采用地下连续墙支护时，墙体所提供的强度很大，而且墙体的整体性很好，对地基与结构的变形影响较小，而且适用与各种地质条件的施工，所以施工范围广，使用量大。对地下连续墙而言，它的防渗性能也较一般的支护结构好，更因为时代的进步带来施工的方法和工艺的改善同样使得地下连续墙在完成后几乎可以不透水，并且在地下连续墙的施工时所产生的振动很小，噪声很低，对周围环境和相邻的结构影响小，沉降可受控制，并且可以使用逆作法施工，给施工带来极大的方便。但对地下连续墙施工时产生的废泥浆的处理存在着一定的困难，而且如果在地下水急剧上升的情况下，槽壁会面临着坍塌的危险，给施工造成隐患，而且如果在地下连续墙施工期间使用临时挡土结构的话则会增加造价。
通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求高的基坑支护，但造价较高，施工要求专用设备。
2.2.2深基坑支护施工应注意的问题
对地质条件和周边环境进行充分考察，根据周边环境的要求制定出经济合理的支护方案，并据此提出支护结构的水平位移和邻近地层的垂直沉降标准；
基坑设计阶段，要根据基坑所在场地的工程地质报告、土工试验结果、原位标贯试验结果、土层含水量、区域地层参数的取值经验等综合选取；
在分析支护结构受力和变形时，应充分考虑施工的每一阶段支护结构体系和外面荷载的变化，同时要考虑施工工艺的变化，挖土次序和位置的变化，支撑和留土时间的变化等；
基坑设计人员应充分认识到在基坑施工过程中还会遇到很多设计阶段难以预测到的问题，因此，设计人员应密切和施工人员联系，全面把握施工进展状况，及时处理施工中遇到的意外情况；
基坑施工过程中应该制定完备的监测方案，监测结果应及时总结，一旦发现问题应及时与设计施工等方面及时反映，以便分析异常原因，及时提出解决方法；
基坑工程的施工必须完全按照设计文件的要求去做，需要变更施工工艺和施工顺序应提前向设计人员提出，设计人员重新计算分析许可后方可进行变更。
2.3影响深基坑支护结构的因素分析
（1）深基坑的开挖深度与场地形状
深基坑的开挖深度、场地大小及场地形状等因素对其支护方案的选型有很大影响。深基坑支护方案选型时基坑开挖深度是其应考虑的首要因素,由于支护结构上作用的土压力会随基坑开挖深度的增大发生相应变化,进而影响深基坑支护结构施工的难易程度及其安全可靠性。因此,基坑开挖深度是分析支护结构可靠性的基本起点。
（2）深基坑周边环境条件
深基坑周围环境的保护需要考虑工程施工过程中对基坑附近建筑物、道路、地下管线与对周围居民生活及环境的影响等。支护结构在施工时与周围建筑物要留有足够的施工空间,保证正常的施工作业,特别是有正在施工的相邻建筑时,更应按规范要求做好相应安排;尽量减小深基坑的开挖对基坑周围建筑物的沉降和道路管线的位移影响:施工中产生的噪音污染和粉尘污染对周围居民的影响,要满足法律法规对此的相关规定。
第3章深基坑支护方案评价模型的建立
3.1 BIM技术概论
建筑信息模型（Building Information Modeling）或者建筑信息管理（Building Information Management）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。
BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，故其核心任务是解决信息共享问题，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。
3.2天津某岛式地铁站项目概况
3.2.1项目概况
以天津某岛式地铁站深基坑为例。该站位于天津市市中心，天津地处渤海湾、沉积层厚，以淤泥、淤泥质土、粉土、粉砂质土为主，夹有流砂。地面标高在31.15～32.34m之间，设计地坪标高约34.00m。其中该场地地下水水位9m，地层情况分布由上到下分别为杂填土，粘土，粉砂土，无影响场地稳定的断裂构造及其它不良地质，四周较为平坦，场地稳定，适宜建设圆砾和强风化泥质粉砂岩以及中风化泥质粉砂岩。车站总长为400米，基坑底面积约为400×350平方米，基底标高分别为-15.900m，-16.900m，-18.400m，-19.1000m，最深部分为标高-25m。
3.2.2基坑总平面图
天津某岛式车站深基坑总平面图如图3-1所示。
图3-1基坑总平面图
3.2.3水文地质条件
水文条件：
此工程在勘察期间内的每个钻孔都碰到了地下水，主要是存在于粉砂③以及圆砾④中的孔隙潜水，具有一定的承压性，该场地的水量、水位的变化幅度会受到季节的影响，并对其影响很大。在勘探的期间场地的地下水埋深大约在1.0~2.8m之间，其稳定的水位标高位于28.75-30.96m之间。根据本次的勘察结果在对ZK4、ZK21钻孔的水样水质进行分析并得出的结果，得到的综合判断为此场地的环境类别为Ⅱ类。
根据文献资料以及现场经验可以知道，地下水对于砼结构按环境类型分类以及水和土具有微弱的腐蚀性，按地层分可知渗透性水和土具有微腐蚀性，切对于钢筋结构中的钢筋具有微弱的腐蚀性能，且对钢结构具有较弱的腐蚀性能。
地质条件：
依据23个钻孔的地层揭露情况，场地内的土质主要为杂填土、粘土、粉砂、圆砾、强、中风化泥质粉砂岩。在此将各岩土层的顺序按照由新到老的条件分述如下：
杂填土（Qml）①：该土层主要由黄褐色、灰褐色的粘性土夹砖块、砼块以及碎石和砾石构成，成份相对较复杂，土质情况由松散到稍密分布，其均匀性较差，堆填基本大于10年，层厚介于0.5-5.0m，层底的标高为26.46-30.86m。
粘土（Qal）②：该土层主要为黄褐色以及砖红色夹灰白色，土层条件为可塑到硬塑状之间，湿度为稍湿到湿之间，可看见褐色的铁锰渲染物，摇震基本无反应，略有轻微光泽，其切面较光滑，韧性及强度好，层厚为2.10~5.70m，层底的标高为24.36-25.79m。
粉砂（Qal）③：黄褐色到灰褐色，稍密到松散，很湿到饱和，可看见细微白云母片，主要成分大致为石英，下部含少量的砾石，级配一般，胶结性比较差，泥质含量约在10%左右。层厚1.2-1.8m，层底标高23.06-24.39m。
圆砾（Qal）④：该土层主要为黄褐色和灰白色，土质情况较饱和、呈亚圆状，分选性比较差，一般的粒径为2～20mm，个别可达60mm左右，泥砂质充填，中密~密实，主要矿物成份为长石、石英、砂岩类，层厚1.7-3.2m，层底标高20.64-22.25 m。
强风化泥质粉粉砂岩⑤：该土层大致为红褐色的干、泥质粉砂结构，为中厚层状的构造，岩芯大多为短柱状或碎块状的，其岩芯的裂隙和节理极发育，在节理裂隙面上可以明显的看见黑色的铁锰质氧化薄膜，敲击时声音哑，没有回弹，其岩芯遇到水极易发生软化，在裸露条件下进一步风化，且特征很明显，基本上没有膨胀的特性，具有一定的崩解性能，RQD的值大约是40%左右，属于极软的岩层，其岩体的质量基本等级为V级，在顶部可以看见见有0.10~0.50m的硬塑和坚硬状的残积粘土。层厚13.6~23.5m，层底标高为2.65~7.64m。
中风化泥质粉粉砂岩⑥：该土层为棕红色，属于泥质粉砂质结构土层，介于中、厚层状之间，其岩芯大都是柱状和短柱状，该岩层可见节理裂隙的发育，在沿节理裂隙面见褐色铁锰氧化物，敲击稍有脆声，裸露后进一步风化特征明显，遇水易软化崩解，RQD值75%左右，岩体较破碎，属极软岩，其岩体的基本质量等级是V级，最大揭露厚度经测为21.15m。
3.2.4地质构造与地震烈度
本地层位于新华夏系第二沉降带与第二隆起带之间，构造主要受新华夏系控制，在勘探深度范围内未见断层活动迹象。
依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），的地震动峰值加速度约为0.05g，其地震设计的分组为第一组，特征周期设计值为0.35s。抗震设防基本烈度为Ⅵ度。
依照现场的钻孔波速试验结果，对场地土的等效剪切波速取值为下表所示：
表3-1等效剪切波速表
| 钻孔编号 | 等效剪切波速Vse（m/s） |
| ZK6 | 290 |
| ZK17 | 302 |
第1章绪论
1.1选题的目的及意义
随着社会日新月异的高速发展以及城市中心大量建筑物的出现，人们越来越重视城市地下空间的开发和利用，这就导致了城市中的深基坑工程越来越多，其存在问题越显得突出而复杂，尤其是深基坑支护结构安全问题。
据调查，2019年6月，南宁市东葛路延长线靠近竹岭立交附近的延长线的延伸部分破裂坍塌，由于施工现场基坑支护的变形和水管的长期渗漏，基坑周围的土壤被掏空，局部土壤被软泡沫冲破，导致水管破裂，基坑的锚索结构失效，最终造成倒塌事故。2013年5月，杭州基坑产生失稳，坑内土体隆起，围护桩下部出现“踢脚”现象，坑外土体下陷，加油站倾斜。
从以上资料分析，深基坑支护施工存在高难度，高风险且极具挑战性，目前深基坑坍塌事故越来越多，对深基坑支护结构的安全分析是非常有必要的，而有效的深基坑支护结构在一定程度上可以降低建筑事故中的人员死亡率，减少经济的损失，具有较大的研究意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
在国外，从20世纪70年代以后，很多国家开始制订相关法规来指导基坑开挖以及支护设计施工，人们开始认识到深基坑支护的重要性，因此很多人通过一些方法对深基坑支护结构进行一系列的研究。如，Rolf Katzenbach等人着重利用四眼原则对深基坑系统和支护结构进行研究，但此次研究是指在基坑施工时必须由技术主管和商务主管共同做出决策，具有一定的局限性；后来Heiko Kuttig等人通过研究降水对深基坑支护结构的影响，提出一种可以考虑围护结构的保温效果，估计土壤固结沉降、负摩擦力对桩轴和额外的桩基沉降的程序,但其研究只针对降水一种影响因素；Siang-Rou Lu等人对深基坑开外进行以BIM技术为基础的风险评估模型的研究，但其研究没有对支护结构进行研究。
1.2.2国内研究现状
从20世纪80年代初开始，我国开始涉入深基坑的设计与施工领域。90年代后，我国编制多部国家行业标准及地方性相关法规，国内许多专家也陆续提出许多新的理论和方法。刘一鸣等人应用BIM可视化技术进行某基坑设计方案展示和施工模拟，采用ArchiCAD17建立三维基坑模型，展示设计方案，但其研究未涉及优化方面内容；刘肖等人主要通过以目标特征值矩阵为指导，对深基坑支护结构方案进行准确合理评价对深基坑支护结构设计的优化进行探讨，但其研究未结合信息化技术；廖志刚等人设计了基于BIM(Building Information Modeling)技术的基坑监测系统的流程架构，但其未对深基坑支护结构进行研究。
虽然国外对深基坑支护结构的研究起步较早，但其研究相对局限，不够全面；国内对深基坑支护结构的研究不够深入。因此，综合考虑国内外深基坑支护结构研究的优缺点，本文拟基于BIM技术对深基坑支护结构进行安全分析及优化设计，构建全面、合理的深基坑支护方案综合评价体系，建立相应的BIM模型，找出存在的问题对深基坑工程实施进行有效管理，并将所得的理论成果应用于实际工程案例中进行验证。在此优选方案的基础上，阐述如何借助BIM技术使得项目支护方案更好的实施，以期为类似工程的实施提供一定的方法借鉴。
1.3研究内容及研究方法
1.3.1研究内容
本选题拟针对深基坑支护结构基于BIM技术的基本理论和方法分析其安全性能及优化设计，帮助降低建筑事故中的人员死亡率，减少经济的损失。其研究内容主要包括：
1.深基坑支护结构的国内外研究现状。通过分析当前国内外深基坑支护机构研究的优缺点，确定本论文的总体设计思路。
2.基于BIM技术，以基坑深度为25米的岛式站台车站案例为依据，构建BIM技术中的Revit软件模型。
3.弹塑有限单元法。弹塑有限单元法能够综合考虑支护结构稳定性，准确判定深基坑支护结构发生形变的概率，可以得到较为准确的计算结果，为设计方案的调整与后续施工的质量提供专业的数据。
4.基坑支护结构BIM模型与BIM技术中的Navisworks软件有机结合，对基坑支护结构进行碰撞检查，对比实际监测与设计工况的差异，验证设计和施工方案的合理性，看其是否达到安全等级的要求。
1.3.2研究方法
（一）文献研究法：通过查阅期刊、文书档案、书籍、报纸，互联网的收集和整理有关深基坑支护结构的资料文献，对各种研究方法进行大概的了解，结合不足，确定自己的研究思路。
（二）实证研究法：分析相关工程案例，对基坑支护结构的变形、受力、稳定性进行实时性分析，为此次论文提供理论依据，帮助研究的进展。
（三）模型分析法。通过对基于BIM技术深基坑支护结构安全管理模型的构建识别深基坑支护中的安全隐患，以加强安全防护，减少安全事故的发生，为基于BIM技术的深基坑支护结构安全管理研究提供数据支持。
（四）BIM技术。BIM技术可贯穿于深基坑项目整个生命周期，它本身的丰富信息可以用于深基坑的设计、施工和监测的整个阶段。其理论与方法也作为深基坑的重要依据，提高了深基坑支护结构的安全性。
第2章深基坑支护的安全分析
2.1深基坑工程相关概述
2.1.1深基坑工程的定义
深基坑工程是指开挖深度超过5米(含5米)或地下室三层以上(含三层)，或深度虽未超过5米，但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程。
深基坑工程是随着我国建设事业的发展而出现的一种较新类型的岩土工程，发展至今，量多面广的深基坑工程已经成为城市岩土工程的主要内容之一。典型深基坑工程可以是由地面向下开挖的一个地下空间，基坑周围一般为垂直的挡土结构。深基坑开挖是基础和地下工程施工中一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。
2.1.2深基坑工程的特点
（1）深基坑工程拥有较强的综合性
深基坑工程涉及土力学中强度、变形和渗流3个基本课题,三者融溶一起需要综合处理。其中有的基坑工程会由于土压力而引起支护结构的稳定性变化,还有的是由于土中渗流引起土破坏是主要矛盾,当然还有某些基坑周围地面变形是主要矛盾。
（2）深基坑工程拥有较强的环境效应
深基坑工程的开挖,势必会引起周围地基的地下水位变化和应力场的改变,导致周围地基土体的变形,对相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响。而影响严重的将危及相邻建筑物及市政的地下管网的安全与正常使用。大量土方运输同时也对交通会产生一定的影响，所以应注意其环境效应。
（3）深基坑工程具有较大工程量及较紧工期
由于深基坑的开挖深度都是比较大的,工程量比浅基坑也会增加很多。如果要抓紧整体施工的工期，一般是加强施工管理上的要求,这样不仅有利于减小基坑变形,而且还会对减小基坑周围环境的变形有一定的影响。
2.2深基坑支护的相关概述
2.2.1常见深基坑支护形式及其适用范围
（1）放坡支护
施工工艺流程为测量放样→降低地下水→分层开挖→边坡修理→坡顶截水沟→坑底截水沟。场地边坡开挖应自上而下，分层、分段依次进行，严格按设计及方案要求控制放坡角度。当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施。
（2）土钉支护
一般适用周边构筑物少，地质条件较好的情况，软土或砂层地质要慎用或采取加强型方案。土钉支护位移控制缺乏合理的计算理论，因此，对位移有严格要求的场地应慎用，造价较低。
（3）排桩支护
原理：基坑的开挖过程中，如果遇到的工程场地不能放坡并且因为场地的局限性，而且根据该场地的自身条件情况判断不能采用搅拌桩围护时，如果此基坑的开挖深度范围在6米和10米之间变化不大的情况下，可以采取排桩支护的支护措施。对于排桩支护而言，它的施工方法有多种，包括了人工灌注桩的方法，以及钻孔挖孔桩和预制钢筋混凝土板桩等多种施工手段。对排桩支护的类型进行分类的话，大致可分为三大类，包括了连续排桩支护类型，组合式排桩支护类型以及柱式排桩支护类型，所谓的柱式排桩支护就是指将钢筋混凝土桩按一定的间隔一次排列开来形成一个在地下连续的排桩支护系统，是使用较多的排桩支护方法。而连续排桩支护就相对柱式排桩支护更为多样化，可以依照场地的实际情况采用多种不同的排列方式以达到最佳的支护效果。所谓组合式排桩则是在排桩的基础上加上了其他的支护措施，以达到最稳定的效果，多使用于一些土层情况相对较差的基坑，如在排桩支护完成的情况下再在其侧面加一道搅拌桩支护，这样便比单独的排桩支护或搅拌桩支护更加的稳定安全。若按基坑的开挖深度对排桩进行分类的话，又可以分为三大类，包括单支撑结构，多支撑结构以及无支撑结构。
特点：排桩支护施工工艺成熟而且简单方便快捷，挡土性能好，但整体性一般，不能起到挡水的功能。对排桩支护方法来说，它的支护能力较其他的支护措施而言安全性及稳定性好，并且它的施工质量可以受到人为的干预以达到更好的支护效果。在软土的地基情况下，多用排桩支护，在地基的支护过程中，因为排桩承担的是受压构件，能够很好的将钢筋混凝土的抗压性能发挥出来，因此可以在很大的程度上将钢筋混凝土构件的性能发挥到极限。但由于采用排桩支护时需要采用内支撑来达到稳定的效果，所以在内撑达到一定强度的条件下需要等待一定的时间，而且在拆除内撑时需要占用一定的工期，所以采用排桩支护将会增加所需要的工期，无形中也就是增加了工程的造价。同时在内支撑存在的情况下，导致了施工场地的减小，为施工人员的施工增加了一定的难度。
排桩支护刚度好，适应性广，结合桩间止水也可用于砂层，止水效果没有连续墙好，造价低于连续墙，而大于土钉墙。
（4）深层搅拌桩支护
适用范围：
①适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。
②用于民用建筑多层楼房。
③可提高地基土的承载力1.5~2倍。
这种支护的优点是对周围建筑物没有影响，施工的挡墙即能挡土、又能防水、防流砂，而且避免了用其他方法施工时由于降水、排水造成周围地面沉陷，道路和建筑物开裂破的恶果，被称之为多效、经济的支护结构。
（5）地下连续墙
原理：地下连续墙支护的方法最早来源于欧洲，它的原理就是是利用经过特意加工制作的的成槽机械在采用泥浆进行护壁的情况下来进行开挖，以形成一条一定槽段长度的槽沟，紧接着再将在地面上预先经过加工制作完成的钢筋笼置入槽段之内。并采用导管法施工并以此来进行水下的混凝土浇筑，在施工完成之后会形成一个个独立单元的墙段体系，在各墙段之间通过采用一定的的接头方式以进行连接个个槽段，完成支护便形成了一道连续的地下钢筋混凝土挡墙，即为地下连续墙支护。
特点：采用地下连续墙支护时，墙体所提供的强度很大，而且墙体的整体性很好，对地基与结构的变形影响较小，而且适用与各种地质条件的施工，所以施工范围广，使用量大。对地下连续墙而言，它的防渗性能也较一般的支护结构好，更因为时代的进步带来施工的方法和工艺的改善同样使得地下连续墙在完成后几乎可以不透水，并且在地下连续墙的施工时所产生的振动很小，噪声很低，对周围环境和相邻的结构影响小，沉降可受控制，并且可以使用逆作法施工，给施工带来极大的方便。但对地下连续墙施工时产生的废泥浆的处理存在着一定的困难，而且如果在地下水急剧上升的情况下，槽壁会面临着坍塌的危险，给施工造成隐患，而且如果在地下连续墙施工期间使用临时挡土结构的话则会增加造价。
通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求高的基坑支护，但造价较高，施工要求专用设备。
2.2.2深基坑支护施工应注意的问题
对地质条件和周边环境进行充分考察，根据周边环境的要求制定出经济合理的支护方案，并据此提出支护结构的水平位移和邻近地层的垂直沉降标准；
基坑设计阶段，要根据基坑所在场地的工程地质报告、土工试验结果、原位标贯试验结果、土层含水量、区域地层参数的取值经验等综合选取；
在分析支护结构受力和变形时，应充分考虑施工的每一阶段支护结构体系和外面荷载的变化，同时要考虑施工工艺的变化，挖土次序和位置的变化，支撑和留土时间的变化等；
基坑设计人员应充分认识到在基坑施工过程中还会遇到很多设计阶段难以预测到的问题，因此，设计人员应密切和施工人员联系，全面把握施工进展状况，及时处理施工中遇到的意外情况；
基坑施工过程中应该制定完备的监测方案，监测结果应及时总结，一旦发现问题应及时与设计施工等方面及时反映，以便分析异常原因，及时提出解决方法；
基坑工程的施工必须完全按照设计文件的要求去做，需要变更施工工艺和施工顺序应提前向设计人员提出，设计人员重新计算分析许可后方可进行变更。
2.3影响深基坑支护结构的因素分析
（1）深基坑的开挖深度与场地形状
深基坑的开挖深度、场地大小及场地形状等因素对其支护方案的选型有很大影响。深基坑支护方案选型时基坑开挖深度是其应考虑的首要因素,由于支护结构上作用的土压力会随基坑开挖深度的增大发生相应变化,进而影响深基坑支护结构施工的难易程度及其安全可靠性。因此,基坑开挖深度是分析支护结构可靠性的基本起点。
（2）深基坑周边环境条件
深基坑周围环境的保护需要考虑工程施工过程中对基坑附近建筑物、道路、地下管线与对周围居民生活及环境的影响等。支护结构在施工时与周围建筑物要留有足够的施工空间,保证正常的施工作业,特别是有正在施工的相邻建筑时,更应按规范要求做好相应安排;尽量减小深基坑的开挖对基坑周围建筑物的沉降和道路管线的位移影响:施工中产生的噪音污染和粉尘污染对周围居民的影响,要满足法律法规对此的相关规定。
第3章深基坑支护方案评价模型的建立
3.1 BIM技术概论
建筑信息模型（Building Information Modeling）或者建筑信息管理（Building Information Management）是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。
BIM技术是一种应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，故其核心任务是解决信息共享问题，使工程技术人员对各种建筑信息作出正确理解和高效应对，为设计团队以及包括建筑运营单位在内的各方建设主体提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本和缩短工期方面发挥重要作用。
3.2天津某岛式地铁站项目概况
3.2.1项目概况
以天津某岛式地铁站深基坑为例。该站位于天津市市中心，天津地处渤海湾、沉积层厚，以淤泥、淤泥质土、粉土、粉砂质土为主，夹有流砂。地面标高在31.15～32.34m之间，设计地坪标高约34.00m。其中该场地地下水水位9m，地层情况分布由上到下分别为杂填土，粘土，粉砂土，无影响场地稳定的断裂构造及其它不良地质，四周较为平坦，场地稳定，适宜建设圆砾和强风化泥质粉砂岩以及中风化泥质粉砂岩。车站总长为400米，基坑底面积约为400×350平方米，基底标高分别为-15.900m，-16.900m，-18.400m，-19.1000m，最深部分为标高-25m。
3.2.2基坑总平面图
天津某岛式车站深基坑总平面图如图3-1所示。
图3-1基坑总平面图
3.2.3水文地质条件
水文条件：
此工程在勘察期间内的每个钻孔都碰到了地下水，主要是存在于粉砂③以及圆砾④中的孔隙潜水，具有一定的承压性，该场地的水量、水位的变化幅度会受到季节的影响，并对其影响很大。在勘探的期间场地的地下水埋深大约在1.0~2.8m之间，其稳定的水位标高位于28.75-30.96m之间。根据本次的勘察结果在对ZK4、ZK21钻孔的水样水质进行分析并得出的结果，得到的综合判断为此场地的环境类别为Ⅱ类。
根据文献资料以及现场经验可以知道，地下水对于砼结构按环境类型分类以及水和土具有微弱的腐蚀性，按地层分可知渗透性水和土具有微腐蚀性，切对于钢筋结构中的钢筋具有微弱的腐蚀性能，且对钢结构具有较弱的腐蚀性能。
地质条件：
依据23个钻孔的地层揭露情况，场地内的土质主要为杂填土、粘土、粉砂、圆砾、强、中风化泥质粉砂岩。在此将各岩土层的顺序按照由新到老的条件分述如下：
杂填土（Qml）①：该土层主要由黄褐色、灰褐色的粘性土夹砖块、砼块以及碎石和砾石构成，成份相对较复杂，土质情况由松散到稍密分布，其均匀性较差，堆填基本大于10年，层厚介于0.5-5.0m，层底的标高为26.46-30.86m。
粘土（Qal）②：该土层主要为黄褐色以及砖红色夹灰白色，土层条件为可塑到硬塑状之间，湿度为稍湿到湿之间，可看见褐色的铁锰渲染物，摇震基本无反应，略有轻微光泽，其切面较光滑，韧性及强度好，层厚为2.10~5.70m，层底的标高为24.36-25.79m。
粉砂（Qal）③：黄褐色到灰褐色，稍密到松散，很湿到饱和，可看见细微白云母片，主要成分大致为石英，下部含少量的砾石，级配一般，胶结性比较差，泥质含量约在10%左右。层厚1.2-1.8m，层底标高23.06-24.39m。
圆砾（Qal）④：该土层主要为黄褐色和灰白色，土质情况较饱和、呈亚圆状，分选性比较差，一般的粒径为2～20mm，个别可达60mm左右，泥砂质充填，中密~密实，主要矿物成份为长石、石英、砂岩类，层厚1.7-3.2m，层底标高20.64-22.25 m。
强风化泥质粉粉砂岩⑤：该土层大致为红褐色的干、泥质粉砂结构，为中厚层状的构造，岩芯大多为短柱状或碎块状的，其岩芯的裂隙和节理极发育，在节理裂隙面上可以明显的看见黑色的铁锰质氧化薄膜，敲击时声音哑，没有回弹，其岩芯遇到水极易发生软化，在裸露条件下进一步风化，且特征很明显，基本上没有膨胀的特性，具有一定的崩解性能，RQD的值大约是40%左右，属于极软的岩层，其岩体的质量基本等级为V级，在顶部可以看见见有0.10~0.50m的硬塑和坚硬状的残积粘土。层厚13.6~23.5m，层底标高为2.65~7.64m。
中风化泥质粉粉砂岩⑥：该土层为棕红色，属于泥质粉砂质结构土层，介于中、厚层状之间，其岩芯大都是柱状和短柱状，该岩层可见节理裂隙的发育，在沿节理裂隙面见褐色铁锰氧化物，敲击稍有脆声，裸露后进一步风化特征明显，遇水易软化崩解，RQD值75%左右，岩体较破碎，属极软岩，其岩体的基本质量等级是V级，最大揭露厚度经测为21.15m。
3.2.4地质构造与地震烈度
本地层位于新华夏系第二沉降带与第二隆起带之间，构造主要受新华夏系控制，在勘探深度范围内未见断层活动迹象。
依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），的地震动峰值加速度约为0.05g，其地震设计的分组为第一组，特征周期设计值为0.35s。抗震设防基本烈度为Ⅵ度。
依照现场的钻孔波速试验结果，对场地土的等效剪切波速取值为下表所示：
表3-1等效剪切波速表
| 钻孔编号 | 等效剪切波速Vse（m/s） |
| ZK6 | 290 |
| ZK17 | 302 |
依据上述表格的数据分析结果可以确定该场地的等效剪切波速平均值为Vse=296m/s。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）中的相依规范可知，工程拟建设的场地类型为中硬场地土，场地类别为Ⅱ类建筑，属于可以采取建设的一般条件场地。由于该场地的抗震设防烈度为Ⅵ度，所以可以不采取液化地层的判断。
3.3依据相关工程建立BIM技术中的Revit软件模型
3.3.1模型的前期规划与设计
在止水帷幕及基坑支护完成后，为有利于施工，基坑开挖前应设置降水井，降水井宜布设在周边四个角点位置，降水井的深度最好超过基坑底板并且不能小于1米，对于有关的设计支护参数可见下表所示：
表3-2支护参数表
|
参数 地层 |
抗剪强度指标（固结快剪） |
土与锚固体之间极限摩阻力标准值 qsik(KPa) |
渗透系数 K(cm/sec) |
|
| 内摩擦角φ(度) |
凝聚力 C(KPa) |
|||
| 第①层杂填土 | 10.0 | 8.0 | 15 | 6.0×10-4 |
| 第②层粘土 | 21.7 | 64.9 | 60 | 3.0×10-5 |
| 第③层粉砂 | 26.0 | / | 40 | 3.0×10-3 |
| 第④层圆砾 | 35.0 | / | 130 | 5.0×10-2 |
| 第⑤层强风化泥质粉砂岩 | 40(似内摩擦角) | / | 150 | 2.0×10-5 |
基坑支护结构采用放坡支护，放坡基坑侧壁安全等级宜为三级；施工场地应满足放坡条件；可独立或与其他结构结合使用；当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施。下图为基坑放坡支护结构平面图。
图3-2放坡支护方案
3.3.2深基坑三维模型的建立
基于BIM的工程项目管理是以BIM模型为基础的，为建筑全生命周期各参与方、各专业搭建了协同合作平台。通过BIM技术中的Revit软件建立天津市某岛式车站深基坑支护结构的模型，建模过程如下：
（1）新建一个建筑项目，首先要绘制项目的标高和轴网。标高在项目组成中是一个非常重要的部分。第一步就是要创建标高，因为基本上在Revit软件中所有的项目构建都是在标高的基础上完成的，在修改标高高度时，相应的关联构件都会发生高度上的偏移。轴网和标高共同组成一个三维空间，标高和轴网一旦确定，尽量不要对其进行更改。绘制如图3-3所示：
图3-3深基坑标高及轴网
（2）设置项目实际地理位置。构建一个建筑样板，切换到“管理”选项卡，在其中找到“项目位置”面板，点击“地点”按钮，打开编辑框后，定义位置依据选择“默认城市列表”，随后输入相应的经纬度（纬度：39.12，经度：117.20），最后点击确定。这样就通过输入经纬度来确定项目的地理位置。
（3）使用放置点形成地形。首先打开建筑文件，切换到revit项目功能栏中的“体量和场地”选项卡，在其中找到“场地建模”选项，然后点击“地形表面”按钮，此时在工具栏中选择“放置点”，分别在两点上进行放置，随即修改相应的高程，单击完成，此时整个地形已经完成，就可以切换到三维视图中看一下效果。
（3）护坡的创建。坡护一般在立面或剖面视图中进行创建，参数设定比较简单。需要注意的是顶部标高与顶部偏移注意设置，不然坡度会太长。一般会选择内建模型创建护坡。点击“构件”选项卡中的“内建模型”。如图3-4所示。
图3-4深基坑护坡的建立
最后，建立的北京某岛式车站深基坑的revit模型如图3-5所示。
图3-5深基坑三维模型
3.3.3结合BIM技术中的Navisworks软件进行碰撞检查
将Revit软件中的rvt.格式文件导入到Navisworks软件中，点击软件的clash detective按钮就可以对模型进行碰撞检查，最后得出检查结果，如图3-6。点击模型中的每个对应的碰撞点，结果就会显示在在右侧编辑框里，碰撞最后会得出对应的构件位置中存在问题缺陷的构件。
图3-6碰撞检查全图
通过碰撞此工程前期支护结构的三维模型，由检查结果可知，前期支护结构在构件方面存在缺陷，经分析可能为工程泥土含水量较高，导致工程的支护结构某些构件损坏。而放坡支护不能有效地减缓构件的损坏，一旦施工时间持续过长，这个支护结构就会成为项目工程的一个重大隐患，结果就有可能会导致支护结构坍塌，从而发生事故，造成重大的人员或财产损失。
第4章模拟模型的优化设计
4.1优化设计
对比各种支护结构的优缺点，发现深层搅拌桩支护结构施工的挡墙即能挡土、又能防水、防流砂，而且避免了用其他方法施工时由于降水、排水造成周围地面沉陷，道路和建筑物开裂破的恶果。所以对前期支护结构进行合理化优化，采用放坡加深层搅拌桩的支护结构。
构建新型支护结构Revit三维模型过程如下：
护坡支护的三维模型构建过程不再重复，在此基础上继续进行深层搅拌桩支护的建模过程。
（1）放置结构柱。首先打开文件，切换到建筑选项卡，找到“柱”按钮，选择“结构柱”按钮，然后在属性面板当中，找到类型选择器，在下拉列表当中，选择“钢管混凝土柱-矩形”，选择标准类型；在工具选项栏中，设置参数为高度，连接条件为F2，在图中轴线交叉位置移动光标进行构建。如图4-2所示。
图4-2支护柱的建立
（2）搅拌桩的绘制。Revit软件中的族可以分为系统族、可载入族和内建族。系统族可以创建要在建筑现场装配的基本图元，例如墙、屋顶、楼板等，系统族是在Revit中预定义的，不能将其从外部文件中载入到项目中，也不能将其保存在项目之外的位置；可载入族是用于创建构件的族，是在外部RFA文件中创建的，可导入项目中；内建族需要创建当前项目专有的独特构件的独特图元，该族包含单个族类型。
1.选择样板。切换到“应用程序”，点击“新建”中的“族”按钮，在“选择样板文件”对话框中，选择“公制常规模型.rft或公制机械设备.rft”。
2.设置族类别。在族编辑框中点击“族类别和族参数”按钮，出现对话框，在“族类别”中将“常规模型”改为“结构连接”，并勾选相应的“族参数”。
3.进行参数设置。作图时注意参数的准确设置，才能在后续操作中灵活调整不同排或不同单元中的搅拌桩长度。如图4-3所示。
图4-3搅拌桩的绘制
最后得出支护结构为护坡加深层搅拌桩的三维模型，如图4-4所示\。
4.2结合BIM技术中的Navisworks软件进行碰撞检查
碰撞过程不再赘述，碰撞结果如图4-5所示。
通过对比两种支护结构的碰撞结果，可以得出护坡加深层搅拌桩的支护结构在一定程度上可以增强支护结构的安全性能，大大地提高了工程项目的安全。
结语
在深基坑支护工程各种复杂的地质和环境条件下,其支护中的许多实际问题单纯依靠理论计算分析往往是不够的,因为不同工程地质环境的差别和工程资料完备情况,即使有各种的理论分析模型和程序软件,也不可能从理论上使这些可能存在问题得以解决。本文结合了BIM技术对深基坑的支护结构进行了分析，可用于基坑支护结构的前期规划，但是由于能力有限，未能进行对支护结构的力矩分析，有待进一步提升。
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