基坑开挖对周围岩土体竖向位移的影响

摘要：结合基坑工程，采用MIDASGTS数值模拟技术，分别对每次开挖后基坑周围岩土体的竖向位移进行了分析，研究结果表明：基坑前三次开挖竖向位移较小，第四次开挖因遇到地下水，导致竖向位移增加，但位移均控制在合理范围内，第五次开挖后竖向位移同样控制在合理范围内，说明此次基坑开挖没有对周围岩土体的竖向位移，造成不良影响。

关键词：基坑开挖；竖向位移；地下水；数值模拟

一、前言

基坑工程因其能够大量利用地下空间而被广泛应用，对此学者们进行了大量的研究，闫兵兵[1]对深基坑的施工进行了详细的研究和讨论，认为对深基坑周围岩土体的勘察是基坑施工的重点，对深基坑的勘察须加以重视。张柏滔等[2]针对青藏铁路基坑的施工，研发了接触网基坑挖掘装备，此装备能够保证基坑在复杂地质条件下正常被开挖。吴林河[3]对深基坑开挖对地铁运营安全进行了研究，结果表明基坑的支护是保证基坑安全性的重要因素。韦康等[4]研究围护桩插入比和见岩面深度对基坑围护结构的影响，认为岩面深度较浅的桩撑式深基坑工程，可采取降低围护桩插入比的方法来控制施工成本。何凤等[5]对基坑开挖进行了数值模拟研究，认为不同开挖深度下，基坑周围岩土体的竖向位移、水平位移及内力变化规律一致。杨勇波[6]对深基坑支护施工方法进行了分析和总结，此总结可为类似的基坑工程提供参考。杨冠宇等[7]将遗传算法与数值模拟相结合，提出了基坑二维数值计算模型。并通过对计算结果和实测值的对比说明其计算模型是可靠的。凌壮志[8]通过在某深基坑工程，布置静力水准仪监测系统与视觉监测设备，并对该基坑周围土体进行沉降监测。以上的研究并没有研究每次基坑开挖对基坑周围岩土体竖向位移的影响，此位移的影响可间接反映基坑开挖和排水的效果。本文结合基坑开挖工程，利用MIDASGTS软件还原基坑开挖的全过程，并对基坑周围岩土体的位移进行分析，以评估基坑开挖和排水的效果。

二、工程概况

该基坑位于天津市内，如图1所示，基坑开挖长度×深度为30m×20m，选择的研究区域长度×深度为200m×100m，地下水在地面以下10m处，从地面往下依次为风化土、风化岩和硬岩，岩土体的物理力学参考如表1所示。

三、数值模拟

1．模型的建立选择的研究区域中长度是基坑长度约7倍，深度为基坑深度的5倍，此边界条件通过试算可行，基坑共开挖5次，每次开挖的深度为4m，每次开挖完成后立即对基坑进行支护，选择MIDASGTS对基坑进行数值模拟分析，数值模拟共计6,192个单元，5,940个节点，数值模拟计算至基坑平衡时结束。2．竖向位移为控制基坑开挖对周围岩土体位移的影响，因此选择分5次进行开挖，将每次开挖后的位移云图展示如图2~图6。第一次开挖4m，深度虽只有4m，但因为要留足够的开挖面，因此开挖宽度较剩余4次要大，第一次开挖后随即对基坑进行了支护，待支护完成后周围岩土体沉降稳定时，对基坑进行沉降位移分析，如图2所示，基坑最大竖向位移为1mm，这个区域仅占研究区岩土体的0.1%，因此几乎可以忽略此位移的影响；基坑的竖向位移主要集中于基坑左右4m处，沉降约为0.3mm，此区域不超过8%，84.1%的岩土体几乎不发生竖向位移变化，说明了基坑的第一次开挖是成功了，此次开挖不会对周围岩土体的位移造成不良影响。第二次开挖4m，深度为4m，因为第一次开挖已留足了施工空间，因为此次开挖范围明显较第一次小。第二次开挖后随即对基坑进行了支护，待支护完成后周围岩土体沉降稳定时，对基坑进行沉降位移分析，如图3所示，基坑最大竖向位移为1.8mm，这个区域仅占研究区岩土体的0.2%，同样可认为不必考虑此位移的影响；基坑的竖向位移主要集中于基坑左右4m处，沉降约为1.3mm，此区域不超过2%，因为没有超过2mm，可认为此沉降不会对周围岩土体的位移造成不良影响，不超过1mm的岩土体约占6%，此影响也可忽略，77.9%的岩土体几乎不发生竖向位移变化，说明了基坑的第二次开挖是成功了，此次开挖不会对周围岩土体的位移造成不良影响。第三次开挖4m，深度严格控制在4m，第三次开挖后随即对基坑进行支护，待支护完成后周围岩土体沉降稳定时，对基坑进行沉降位移分析，如图4所示，基坑最大竖向位移为1.9mm，这个区域仅占研究区岩土体的0.2%，几乎可以忽略此位移的影响；基坑的竖向位移主要集中于基坑左右4m处，沉降约为1.6mm，此区域不超过4%，不超过1.2mm的岩土体约占5%，此影响也可忽略，71.5%的岩土体几乎不发生竖向位移变化，说明了基坑的第三次开挖是成功了，此次开挖不会对周围岩土体的位移造成不良影响。第四次开挖4m，深度严格控制在4m，第四次开挖后发现了地下水，此地下水所处位置与勘察结果一致，结合设计方案随即对基坑进行支护，待支护完成后周围岩土体沉降稳定时，对基坑进行竖向位移分析，如图5所示，基坑最大竖向位移为8.8mm，这个区域仅占研究区岩土体的0.7%，几乎可以忽略此位移的影响；基坑的竖向位移主要集中于基坑左右4m处，沉降约为6.0mm，此区域约为31%，说明地下水确实对周围的岩土体的沉降造成了一定的影响，因为沉降不超过1cm，可认为此沉降依然不会对工程造成不良影响。不超过4mm的岩土体约占17%，此影响也可忽略，65.1%的岩土体几乎不发生竖向位移变化，说明了基坑的第四次开挖是成功了，此次开挖不会对周围岩土体的位移造成不良影响。第五次开挖4m，深度依然严格控制在4m，第五次开挖后随即对基坑进行支护，待支护完成后周围岩土体沉降稳定时，对基坑进行沉降位移分析，如图6所示，基坑最大竖向位移为2.8mm，这个区域仅占研究区岩土体的0.2%，几乎可以忽略此位移的影响；基坑的竖向位移主要集中于基坑左右4m处，沉降约为1.7mm，此区域不超过12%，88.9%的岩土体几乎不发生竖向位移变化，说明了基坑的第五次开挖是成功了，此次开挖不会对周围岩土体的位移造成不良影响。

四、结论

基坑进行了五次开挖，为保证基坑开挖不对临近结构物的位移造成不良影响，对此进行了数值模拟，结果表明：（1）竖向位移主要表现为沉降位移，并没有出现底鼓现象，一定程度上说明岩土体性质较稳定，另一方面说明设计和施工措施是合理的。（2）前三次开挖后基坑的沉降均不超过工程允许的范围，说明前三次开挖基坑的施工是成功的。（3）第四次开挖后基坑周围岩土体的沉降明显增加，因为此处有地下水，通过井点排水法进行排水，因此导致此次开挖基坑周围岩土体的沉降增加，但是此沉降依然控制在工程允许的范围内，不会对工程造成不良的影响。（4）最后一次开挖基坑的沉降较第四次小，说明基坑的排水是成功的，基坑周围的沉降控制在合理范围内，基坑的开挖均不会对基坑周围的岩土体的竖向位移造成不良影响。

参考文献

[1]闫兵兵.深基坑工程岩土工程勘察的重点及对支护施工的影响研究[J].中国住宅设施，2021，（12）：42-43.

[2]张柏滔，陈桀，苗俊波.浅谈青藏铁路电气化施工接触网基坑开挖机的设计[J].电气化铁道，2021，32（S1）：59-61.

[3]吴林河.邻近地铁隧道的深基坑变形控制实践与探讨[J].江西建材，2021，（12）：226-228.

[4]韦康，王立峰，王珂等.土岩组合深基坑桩撑式支护结构抗倾覆稳定性研究[J].浙江科技学院学报，2021，33（6）：496-503.

[5]何凤，苏波，任刃.明挖施工对近接地铁车站结构影响效应研究[J].四川建筑，2021，41（6）：140-143.

[6]杨勇波.土木工程施工中深基坑支护的施工技术分析[J].中国设备工程，2021，（24）：252-253.

[7]杨冠宇，梅军.基于遗传算法的基坑岩土参数反演优化[J].煤炭科技，2021，42（6）：37-40+48.

[8]凌壮志，刘贺，王旭.视觉传感技术在深基坑坑周土体沉降监测中的应用研究[J].地基处理，2021，3（6）：532-537.

作者：任海涛 单位：天津市勘察设计院集团有限公司