王铭浩 王文通

中国建筑第二工程局有限公司 北京 100060

1 工程概况

1.1项目简介

郑州银行金融服务中心工程施工总承包项目位于河南省郑州市郑东新区博学路东、白佛路北。工程设计地上塔楼5栋，其中西侧设置2栋高82.4 m的塔楼，北楼为科创中心、南楼为培训中心（宾馆及配套），双子楼之间为裙房，科创中心北侧裙房为应急指挥中心；场地北侧设置数据中心，高为49 m；东侧为办公楼，高37.1 m；东南侧位置设置档案中心，高度也为37.1 m。

1.2基坑概况

拟建场地自然地面绝对高程83.60～87.35 m，北高南低。结合场地现状条件，基坑开挖前先整平场地，北侧整平后绝对高程86.00 m，南侧整平后绝对高程84.00 m。整体地下车库，包含应急指挥中心、科创中心、培训中心、档案中心等，基坑开挖深度13.80～15.80 m，坑底标高70.20 m；数据中心基坑开挖深度2.60 m，坑底标高83.40 m；动力中心基坑开挖深度4.90～7.10 m，坑底标高78.90～81.10 m。工程所有基础均采用钻孔灌注桩基础。

根据基坑周边环境及基坑开挖深度，基坑形状为不规则四边形，桩锚支护结构段安全等级为一级，本基坑设计使用期限为12个月。

1.3基坑支护概况

南侧郑州银行场地基坑6-6＇剖面采用双排桩＋全长黏结型锚杆支护。桩径800 mm，桩间距1.50 m，桩长27.80 m，基坑底面以上桩身范围内共布置5排锚杆。

北侧中原银行场地基坑3-3剖面：采用排桩＋复合土钉支护，上部放坡坡率1∶0.6，桩直径600 mm，桩长14.00 m，桩中心距1.50 m，设5道土钉，水平间距1.50 m。

1.4工程地质条件

根据岩土工程地质勘察报告和野外钻探结果，经现场判别，并结合原位测试和室内土工试验资料，将60.00 m勘探深度范围内的地层物理性质自上而下分层统计后得知：在基坑开挖段范围内，土层情况较好，利于工程建设。主要以粉土、粉砂和细砂为主，部分为粉质黏土。粉土和砂层密实程度上部多为稍密、中密，下部密实，力学性能较好，不存在软弱土层。

1.5基坑段拟建钢栈桥概况

根据现场的地形、地貌及实际情况，在基坑北侧拟建1座装配式公路钢栈桥，全长为72 m，跨径6 m，共计12跨，净宽4.5 m。该桥采用321标准式6排单层上承式贝雷结构钢桥[1]，间距为0.90 m×2＋0.45 m＋0.90 m×2排列；贝雷主梁上面铺设4.5 m×1.5 m横向桥面板，桥面两侧焊接护栏。贝雷主梁与桩梁2根40#工字钢用小龙门焊接固定，桥面板与贝雷梁用桥面专用螺栓连接。

两头桥台设置在第2层土上，中间钢管桩设置在φ800 mm钢筋混凝土灌注桩上，灌注桩呈1×2排列，桩顶设有冠梁，横向间距2.4 m；2根40a#并焊工字钢桩梁焊接在冠梁后置钢板上[2]，三维效果图如图1所示。质量满足100 t以下的车辆通行，限速15 km/h。

图1 钢栈桥BIM三维效果图

2 数值模拟计算

2.1计算内容

为了更全面地反映工程现场的具体情况，采用数值模拟软件进行建模计算。在本部分选用Midas有限元模拟软件进行三维建模[3-5]，选用FLAC3D有限差分模拟软件进行各工况计算[6-7]，选取长72 m钢栈桥及其北侧、南侧基坑范围进行三维仿真模拟。最大程度地使计算结果贴近实际情况。

对于长72 m钢栈桥对现有围护形式下的基坑影响的数值模拟计算，主要包括2部分计算内容：现有围护形式（基坑开挖并支护）下，添加钢栈桥荷载进行数值模拟计算；增加钢栈桥后，桥面不同位置工况行车对基坑及其周边影响的数值模拟计算。

2.2计算模型

结合工程地质条件，主要考虑在现有围护形式下，郑州银行基坑6-6＇剖面双排桩位置长72 m钢栈桥对郑州银行基坑以及中原银行基坑3-3剖面的影响，其计算结果对于基坑安全性模拟更具现实意义。

该三维地质模型共划分7个组，合计1 001 041个单元，458 083个节点，网格类型为计算精度最高的混合六面体单元，各相邻组网格耦合。土钉cable结构单元共计200个，cid节点800个；锚杆cable结构单元共计200个，cid节点800个。模型如图2所示。

图2 模型透视（开挖后）及冠梁＋排桩图

1）地基模型简化：地基土模型尺寸取为x=34.92 m，y=60.90 m，z=35.00 m，北侧桩锚支护桩径0.60 m，水平间距1.50 m，桩长14.00 m，土钉水平和竖向间距均为1.50 m。南侧双排桩间距2.40 m，水平间距1.50 m，桩径0.80 m，桩长27.20 m，锚杆水平和竖向间距分别为1.50 m和2.00 m。各土层按表3中层厚分组。

2）边界条件：采用了扩展土体的方法，计算模型底部（z=0 m）固定，采用z约束，限制底部土体单元的竖向位移；模型侧面（x=0 m，x=34.92 m，侧面固定，采用x约束，限制侧面单元的x方向位移；模型侧面（y=1.36 m，y=61.92 m，侧面固定，采用y约束，限制侧面单元的y方向位移；模型顶部采用自由边界。调用标准边界条件即可满足要求。

3）初始条件：计算模型进行初始化运算，现有围护形式下，地基自重固结已经完成，并且将自重产生的位移和变形速率归零处理。

4）本构关系：地基土选用摩尔-库仑模型，模拟地基的弹塑性变形和应力应变；冠梁、排桩、桥体采用弹性模型；土钉、锚杆调用FLAC3D cable结构单元模拟。

2.3计算参数

计算参数主要有摩尔-库仑模型的基本参数：弹性模量E、泊松比μ、内摩擦角φ、内聚力c、剪胀角ψ、渗透系数k；FLAC3D结构单元主要有轴向刚度EA、抗弯刚度EI、等效厚度D、重度w、泊松比μ；点对土钉和锚杆主要有轴向刚度、水平间距和预应力等参数。土体本构模型采用摩尔-库仑模型，冠梁、排桩和桥体采用弹性模型，土钉和锚杆采用FLAC3D cable结构单元。

三维地基模型中，郑州银行基坑冠梁＋双排桩、中原银行基坑冠梁＋单排桩和长72 m钢栈桥的重度均为24.0 kN/m3，体积模量均为16 700 MPa，剪切模量均为12 500 MPa。

2.4模拟过程

现状条件下，郑州银行基坑开挖支护完毕，中原银行基坑南侧邻近长72 m钢栈桥已经放坡，第1层土钉和单排桩已施工完毕，基坑开挖4.75 m；本模型主要计算郑州银行基坑西北侧拟建长72 m钢栈桥对基坑6-6＇剖面以及中原银行基坑3-3剖面基坑开挖对长72 m钢栈桥的影响，并进行基坑安全数值模拟。

添加长72 m钢栈桥和车辆荷载对基坑的影响作为工况1（开挖4.75 m，施工钢栈桥），将中原银行基坑开挖对钢栈桥影响工况划分为3个工况，依次为：工况2开挖1.85 m，施工第2、3层土钉；工况3开挖2.0 m，施工第4层土钉；工况4开挖1.4 m，施工第5层土钉。

2.5结果分析

三维数值模拟计算中钢栈桥表面车辆荷载加载位置详见图3；各工况不同部位水平位移和竖向位移、车辆不同位置基坑整体变形统计值详见表1。

图3 钢栈桥表面车辆荷载加载位置

表1 基坑及钢栈桥变形统计

从表中可以看出：基坑整体最大沉降量为1.81 mm（工况4），最大隆起量为30.01 mm（工况4），水平位移最大值为7.62 mm（工况3），最小值为－4.73 mm（工况4）；基坑冠梁＋排桩最大沉降量为0.23 mm（工况3），最大隆起量为2.21 mm（工况4），水平位移最大值为3.32 mm（工况4），最小值为－2.94 mm（工况4）；土钉锚杆最大沉降量为0.75 mm（工况4），最大隆起量为16.07 mm（工况3），水平位移最大值为0.67 mm（工况4），最小值为－0.14 mm（工况4）；钢栈桥最大沉降量为0.49 mm（工况3），最大隆起量为0.75 mm（工况3），水平位移最大值为2.46 mm（工况4），最小值为－0.10 mm（工况1）。

通过三维数值模拟，在现有围护设计的支护方案上，质量为100 t的车辆在以15 km/h通行的情况下，长72 m钢栈桥施工对基坑的影响（工况1）表现为隆起量最大值为1.85 mm，沉降量最大值为0.43 mm，水平位移最大值为1.70 mm；质量为100 t的车辆在以15 km/h通行的情况下，在北侧中原银行项目基坑开挖及支护过程中，对钢栈桥的扰动变形表现为钢栈桥沉降量最大值为0.49 mm，隆起量最大值为0.75 mm，水平位移最大值为2.46 mm；基坑与钢栈桥的相互影响均在控制范围以内（依据GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》），搭建钢栈桥不影响深基坑的正常使用。

3 结语

基于有限元模拟软件Midas及有限差分模拟软件FLAC3D有限差分模拟软件进行各工况计算，对长72 m钢栈桥及其北侧、南侧基坑范围进行三维仿真模拟。计算结果表明：各工况情况下，深基坑及钢栈桥的沉降量、隆起量和水平位移数值均在控制范围内，钢栈桥的施工对基坑的影响很小，在按设计进行开挖支护时，中原银行项目基坑的开挖对钢栈桥的影响很小，钢栈桥满足安装要求，并且深基坑可正常使用。