王銘浩 王文通

中國建筑第二工程局有限公司 北京 100060

1 工程概況

1.1項目簡介

鄭州銀行金融服務(wù)中心工程施工總承包項目位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)博學(xué)路東、白佛路北。工程設(shè)計地上塔樓5棟，其中西側(cè)設(shè)置2棟高82.4 m的塔樓，北樓為科創(chuàng)中心、南樓為培訓(xùn)中心（賓館及配套），雙子樓之間為裙房，科創(chuàng)中心北側(cè)裙房為應(yīng)急指揮中心；場地北側(cè)設(shè)置數(shù)據(jù)中心，高為49 m；東側(cè)為辦公樓，高37.1 m；東南側(cè)位置設(shè)置檔案中心，高度也為37.1 m。

1.2基坑概況

擬建場地自然地面絕對高程83.60～87.35 m，北高南低。結(jié)合場地現(xiàn)狀條件，基坑開挖前先整平場地，北側(cè)整平后絕對高程86.00 m，南側(cè)整平后絕對高程84.00 m。整體地下車庫，包含應(yīng)急指揮中心、科創(chuàng)中心、培訓(xùn)中心、檔案中心等，基坑開挖深度13.80～15.80 m，坑底標(biāo)高70.20 m；數(shù)據(jù)中心基坑開挖深度2.60 m，坑底標(biāo)高83.40 m；動力中心基坑開挖深度4.90～7.10 m，坑底標(biāo)高78.90～81.10 m。工程所有基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

根據(jù)基坑周邊環(huán)境及基坑開挖深度，基坑形狀為不規(guī)則四邊形，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)段安全等級為一級，本基坑設(shè)計使用期限為12個月。

1.3基坑支護(hù)概況

南側(cè)鄭州銀行場地基坑6-6＇剖面采用雙排樁＋全長黏結(jié)型錨桿支護(hù)。樁徑800 mm，樁間距1.50 m，樁長27.80 m，基坑底面以上樁身范圍內(nèi)共布置5排錨桿。

北側(cè)中原銀行場地基坑3-3剖面：采用排樁＋復(fù)合土釘支護(hù)，上部放坡坡率1∶0.6，樁直徑600 mm，樁長14.00 m，樁中心距1.50 m，設(shè)5道土釘，水平間距1.50 m。

1.4工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察報告和野外鉆探結(jié)果，經(jīng)現(xiàn)場判別，并結(jié)合原位測試和室內(nèi)土工試驗資料，將60.00 m勘探深度范圍內(nèi)的地層物理性質(zhì)自上而下分層統(tǒng)計后得知：在基坑開挖段范圍內(nèi)，土層情況較好，利于工程建設(shè)。主要以粉土、粉砂和細(xì)砂為主，部分為粉質(zhì)黏土。粉土和砂層密實程度上部多為稍密、中密，下部密實，力學(xué)性能較好，不存在軟弱土層。

1.5基坑段擬建鋼棧橋概況

根據(jù)現(xiàn)場的地形、地貌及實際情況，在基坑北側(cè)擬建1座裝配式公路鋼棧橋，全長為72 m，跨徑6 m，共計12跨，凈寬4.5 m。該橋采用321標(biāo)準(zhǔn)式6排單層上承式貝雷結(jié)構(gòu)鋼橋[1]，間距為0.90 m×2＋0.45 m＋0.90 m×2排列；貝雷主梁上面鋪設(shè)4.5 m×1.5 m橫向橋面板，橋面兩側(cè)焊接護(hù)欄。貝雷主梁與樁梁2根40#工字鋼用小龍門焊接固定，橋面板與貝雷梁用橋面專用螺栓連接。

兩頭橋臺設(shè)置在第2層土上，中間鋼管樁設(shè)置在φ800 mm鋼筋混凝土灌注樁上，灌注樁呈1×2排列，樁頂設(shè)有冠梁，橫向間距2.4 m；2根40a#并焊工字鋼樁梁焊接在冠梁后置鋼板上[2]，三維效果圖如圖1所示。質(zhì)量滿足100 t以下的車輛通行，限速15 km/h。

圖1 鋼棧橋BIM三維效果圖

2 數(shù)值模擬計算

2.1計算內(nèi)容

為了更全面地反映工程現(xiàn)場的具體情況，采用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模計算。在本部分選用Midas有限元模擬軟件進(jìn)行三維建模[3-5]，選用FLAC3D有限差分模擬軟件進(jìn)行各工況計算[6-7]，選取長72 m鋼棧橋及其北側(cè)、南側(cè)基坑范圍進(jìn)行三維仿真模擬。最大程度地使計算結(jié)果貼近實際情況。

對于長72 m鋼棧橋?qū)ΜF(xiàn)有圍護(hù)形式下的基坑影響的數(shù)值模擬計算，主要包括2部分計算內(nèi)容：現(xiàn)有圍護(hù)形式（基坑開挖并支護(hù)）下，添加鋼棧橋荷載進(jìn)行數(shù)值模擬計算；增加鋼棧橋后，橋面不同位置工況行車對基坑及其周邊影響的數(shù)值模擬計算。

2.2計算模型

結(jié)合工程地質(zhì)條件，主要考慮在現(xiàn)有圍護(hù)形式下，鄭州銀行基坑6-6＇剖面雙排樁位置長72 m鋼棧橋?qū)︵嵵葶y行基坑以及中原銀行基坑3-3剖面的影響，其計算結(jié)果對于基坑安全性模擬更具現(xiàn)實意義。

該三維地質(zhì)模型共劃分7個組，合計1 001 041個單元，458 083個節(jié)點，網(wǎng)格類型為計算精度最高的混合六面體單元，各相鄰組網(wǎng)格耦合。土釘cable結(jié)構(gòu)單元共計200個，cid節(jié)點800個；錨桿cable結(jié)構(gòu)單元共計200個，cid節(jié)點800個。模型如圖2所示。

圖2 模型透視（開挖后）及冠梁＋排樁圖

1）地基模型簡化：地基土模型尺寸取為x=34.92 m，y=60.90 m，z=35.00 m，北側(cè)樁錨支護(hù)樁徑0.60 m，水平間距1.50 m，樁長14.00 m，土釘水平和豎向間距均為1.50 m。南側(cè)雙排樁間距2.40 m，水平間距1.50 m，樁徑0.80 m，樁長27.20 m，錨桿水平和豎向間距分別為1.50 m和2.00 m。各土層按表3中層厚分組。

2）邊界條件：采用了擴(kuò)展土體的方法，計算模型底部（z=0 m）固定，采用z約束，限制底部土體單元的豎向位移；模型側(cè)面（x=0 m，x=34.92 m，側(cè)面固定，采用x約束，限制側(cè)面單元的x方向位移；模型側(cè)面（y=1.36 m，y=61.92 m，側(cè)面固定，采用y約束，限制側(cè)面單元的y方向位移；模型頂部采用自由邊界。調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)邊界條件即可滿足要求。

3）初始條件：計算模型進(jìn)行初始化運算，現(xiàn)有圍護(hù)形式下，地基自重固結(jié)已經(jīng)完成，并且將自重產(chǎn)生的位移和變形速率歸零處理。

4）本構(gòu)關(guān)系：地基土選用摩爾-庫侖模型，模擬地基的彈塑性變形和應(yīng)力應(yīng)變；冠梁、排樁、橋體采用彈性模型；土釘、錨桿調(diào)用FLAC3D cable結(jié)構(gòu)單元模擬。

2.3計算參數(shù)

計算參數(shù)主要有摩爾-庫侖模型的基本參數(shù)：彈性模量E、泊松比μ、內(nèi)摩擦角φ、內(nèi)聚力c、剪脹角ψ、滲透系數(shù)k；FLAC3D結(jié)構(gòu)單元主要有軸向剛度EA、抗彎剛度EI、等效厚度D、重度w、泊松比μ；點對土釘和錨桿主要有軸向剛度、水平間距和預(yù)應(yīng)力等參數(shù)。土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫侖模型，冠梁、排樁和橋體采用彈性模型，土釘和錨桿采用FLAC3D cable結(jié)構(gòu)單元。

三維地基模型中，鄭州銀行基坑冠梁＋雙排樁、中原銀行基坑冠梁＋單排樁和長72 m鋼棧橋的重度均為24.0 kN/m3，體積模量均為16 700 MPa，剪切模量均為12 500 MPa。

2.4模擬過程

現(xiàn)狀條件下，鄭州銀行基坑開挖支護(hù)完畢，中原銀行基坑南側(cè)鄰近長72 m鋼棧橋已經(jīng)放坡，第1層土釘和單排樁已施工完畢，基坑開挖4.75 m；本模型主要計算鄭州銀行基坑西北側(cè)擬建長72 m鋼棧橋?qū)?-6＇剖面以及中原銀行基坑3-3剖面基坑開挖對長72 m鋼棧橋的影響，并進(jìn)行基坑安全數(shù)值模擬。

添加長72 m鋼棧橋和車輛荷載對基坑的影響作為工況1（開挖4.75 m，施工鋼棧橋），將中原銀行基坑開挖對鋼棧橋影響工況劃分為3個工況，依次為：工況2開挖1.85 m，施工第2、3層土釘；工況3開挖2.0 m，施工第4層土釘；工況4開挖1.4 m，施工第5層土釘。

2.5結(jié)果分析

三維數(shù)值模擬計算中鋼棧橋表面車輛荷載加載位置詳見圖3；各工況不同部位水平位移和豎向位移、車輛不同位置基坑整體變形統(tǒng)計值詳見表1。

圖3 鋼棧橋表面車輛荷載加載位置

表1 基坑及鋼棧橋變形統(tǒng)計

從表中可以看出：基坑整體最大沉降量為1.81 mm（工況4），最大隆起量為30.01 mm（工況4），水平位移最大值為7.62 mm（工況3），最小值為－4.73 mm（工況4）；基坑冠梁＋排樁最大沉降量為0.23 mm（工況3），最大隆起量為2.21 mm（工況4），水平位移最大值為3.32 mm（工況4），最小值為－2.94 mm（工況4）；土釘錨桿最大沉降量為0.75 mm（工況4），最大隆起量為16.07 mm（工況3），水平位移最大值為0.67 mm（工況4），最小值為－0.14 mm（工況4）；鋼棧橋最大沉降量為0.49 mm（工況3），最大隆起量為0.75 mm（工況3），水平位移最大值為2.46 mm（工況4），最小值為－0.10 mm（工況1）。

通過三維數(shù)值模擬，在現(xiàn)有圍護(hù)設(shè)計的支護(hù)方案上，質(zhì)量為100 t的車輛在以15 km/h通行的情況下，長72 m鋼棧橋施工對基坑的影響（工況1）表現(xiàn)為隆起量最大值為1.85 mm，沉降量最大值為0.43 mm，水平位移最大值為1.70 mm；質(zhì)量為100 t的車輛在以15 km/h通行的情況下，在北側(cè)中原銀行項目基坑開挖及支護(hù)過程中，對鋼棧橋的擾動變形表現(xiàn)為鋼棧橋沉降量最大值為0.49 mm，隆起量最大值為0.75 mm，水平位移最大值為2.46 mm；基坑與鋼棧橋的相互影響均在控制范圍以內(nèi)（依據(jù)GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》），搭建鋼棧橋不影響深基坑的正常使用。

3 結(jié)語

基于有限元模擬軟件Midas及有限差分模擬軟件FLAC3D有限差分模擬軟件進(jìn)行各工況計算，對長72 m鋼棧橋及其北側(cè)、南側(cè)基坑范圍進(jìn)行三維仿真模擬。計算結(jié)果表明：各工況情況下，深基坑及鋼棧橋的沉降量、隆起量和水平位移數(shù)值均在控制范圍內(nèi)，鋼棧橋的施工對基坑的影響很小，在按設(shè)計進(jìn)行開挖支護(hù)時，中原銀行項目基坑的開挖對鋼棧橋的影響很小，鋼棧橋滿足安裝要求，并且深基坑可正常使用。