基坑開挖對周圍巖土體豎向位移的影響

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摘要：結合基坑工程，采用MIDASGTS數值模擬技術，分別對每次開挖后基坑周圍巖土體的豎向位移進行了分析，研究結果表明：基坑前三次開挖豎向位移較小，第四次開挖因遇到地下水，導致豎向位移增加，但位移均控制在合理范圍內，第五次開挖后豎向位移同樣控制在合理范圍內，說明此次基坑開挖沒有對周圍巖土體的豎向位移，造成不良影響。

關鍵詞：基坑開挖；豎向位移；地下水；數值模擬

一、前言

基坑工程因其能夠大量利用地下空間而被廣泛應用，對此學者們進行了大量的研究，閆兵兵[1]對深基坑的施工進行了詳細的研究和討論，認為對深基坑周圍巖土體的勘察是基坑施工的重點，對深基坑的勘察須加以重視。張柏滔等[2]針對青藏鐵路基坑的施工，研發了接觸網基坑挖掘裝備，此裝備能夠保證基坑在復雜地質條件下正常被開挖。吳林河[3]對深基坑開挖對地鐵運營安全進行了研究，結果表明基坑的支護是保證基坑安全性的重要因素。韋康等[4]研究圍護樁插入比和見巖面深度對基坑圍護結構的影響，認為巖面深度較淺的樁撐式深基坑工程，可采取降低圍護樁插入比的方法來控制施工成本。何鳳等[5]對基坑開挖進行了數值模擬研究，認為不同開挖深度下，基坑周圍巖土體的豎向位移、水平位移及內力變化規律一致。楊勇波[6]對深基坑支護施工方法進行了分析和總結，此總結可為類似的基坑工程提供參考。楊冠宇等[7]將遺傳算法與數值模擬相結合，提出了基坑二維數值計算模型。并通過對計算結果和實測值的對比說明其計算模型是可靠的。凌壯志[8]通過在某深基坑工程，布置靜力水準儀監測系統與視覺監測設備，并對該基坑周圍土體進行沉降監測。以上的研究并沒有研究每次基坑開挖對基坑周圍巖土體豎向位移的影響，此位移的影響可間接反映基坑開挖和排水的效果。本文結合基坑開挖工程，利用MIDASGTS軟件還原基坑開挖的全過程，并對基坑周圍巖土體的位移進行分析，以評估基坑開挖和排水的效果。

二、工程概況

該基坑位于天津市內，如圖1所示，基坑開挖長度×深度為30m×20m，選擇的研究區域長度×深度為200m×100m，地下水在地面以下10m處，從地面往下依次為風化土、風化巖和硬巖，巖土體的物理力學參考如表1所示。

三、數值模擬

1．模型的建立選擇的研究區域中長度是基坑長度約7倍，深度為基坑深度的5倍，此邊界條件通過試算可行，基坑共開挖5次，每次開挖的深度為4m，每次開挖完成后立即對基坑進行支護，選擇MIDASGTS對基坑進行數值模擬分析，數值模擬共計6,192個單元，5,940個節點，數值模擬計算至基坑平衡時結束。2．豎向位移為控制基坑開挖對周圍巖土體位移的影響，因此選擇分5次進行開挖，將每次開挖后的位移云圖展示如圖2~圖6。第一次開挖4m，深度雖只有4m，但因為要留足夠的開挖面，因此開挖寬度較剩余4次要大，第一次開挖后隨即對基坑進行了支護，待支護完成后周圍巖土體沉降穩定時，對基坑進行沉降位移分析，如圖2所示，基坑最大豎向位移為1mm，這個區域僅占研究區巖土體的0.1%，因此幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4m處，沉降約為0.3mm，此區域不超過8%，84.1%的巖土體幾乎不發生豎向位移變化，說明了基坑的第一次開挖是成功了，此次開挖不會對周圍巖土體的位移造成不良影響。第二次開挖4m，深度為4m，因為第一次開挖已留足了施工空間，因為此次開挖范圍明顯較第一次小。第二次開挖后隨即對基坑進行了支護，待支護完成后周圍巖土體沉降穩定時，對基坑進行沉降位移分析，如圖3所示，基坑最大豎向位移為1.8mm，這個區域僅占研究區巖土體的0.2%，同樣可認為不必考慮此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4m處，沉降約為1.3mm，此區域不超過2%，因為沒有超過2mm，可認為此沉降不會對周圍巖土體的位移造成不良影響，不超過1mm的巖土體約占6%，此影響也可忽略，77.9%的巖土體幾乎不發生豎向位移變化，說明了基坑的第二次開挖是成功了，此次開挖不會對周圍巖土體的位移造成不良影響。第三次開挖4m，深度嚴格控制在4m，第三次開挖后隨即對基坑進行支護，待支護完成后周圍巖土體沉降穩定時，對基坑進行沉降位移分析，如圖4所示，基坑最大豎向位移為1.9mm，這個區域僅占研究區巖土體的0.2%，幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4m處，沉降約為1.6mm，此區域不超過4%，不超過1.2mm的巖土體約占5%，此影響也可忽略，71.5%的巖土體幾乎不發生豎向位移變化，說明了基坑的第三次開挖是成功了，此次開挖不會對周圍巖土體的位移造成不良影響。第四次開挖4m，深度嚴格控制在4m，第四次開挖后發現了地下水，此地下水所處位置與勘察結果一致，結合設計方案隨即對基坑進行支護，待支護完成后周圍巖土體沉降穩定時，對基坑進行豎向位移分析，如圖5所示，基坑最大豎向位移為8.8mm，這個區域僅占研究區巖土體的0.7%，幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4m處，沉降約為6.0mm，此區域約為31%，說明地下水確實對周圍的巖土體的沉降造成了一定的影響，因為沉降不超過1cm，可認為此沉降依然不會對工程造成不良影響。不超過4mm的巖土體約占17%，此影響也可忽略，65.1%的巖土體幾乎不發生豎向位移變化，說明了基坑的第四次開挖是成功了，此次開挖不會對周圍巖土體的位移造成不良影響。第五次開挖4m，深度依然嚴格控制在4m，第五次開挖后隨即對基坑進行支護，待支護完成后周圍巖土體沉降穩定時，對基坑進行沉降位移分析，如圖6所示，基坑最大豎向位移為2.8mm，這個區域僅占研究區巖土體的0.2%，幾乎可以忽略此位移的影響；基坑的豎向位移主要集中于基坑左右4m處，沉降約為1.7mm，此區域不超過12%，88.9%的巖土體幾乎不發生豎向位移變化，說明了基坑的第五次開挖是成功了，此次開挖不會對周圍巖土體的位移造成不良影響。

四、結論

基坑進行了五次開挖，為保證基坑開挖不對臨近結構物的位移造成不良影響，對此進行了數值模擬，結果表明：（1）豎向位移主要表現為沉降位移，并沒有出現底鼓現象，一定程度上說明巖土體性質較穩定，另一方面說明設計和施工措施是合理的。（2）前三次開挖后基坑的沉降均不超過工程允許的范圍，說明前三次開挖基坑的施工是成功的。（3）第四次開挖后基坑周圍巖土體的沉降明顯增加，因為此處有地下水，通過井點排水法進行排水，因此導致此次開挖基坑周圍巖土體的沉降增加，但是此沉降依然控制在工程允許的范圍內，不會對工程造成不良的影響。（4）最后一次開挖基坑的沉降較第四次小，說明基坑的排水是成功的，基坑周圍的沉降控制在合理范圍內，基坑的開挖均不會對基坑周圍的巖土體的豎向位移造成不良影響。

參考文獻

[1]閆兵兵.深基坑工程巖土工程勘察的重點及對支護施工的影響研究[J].中國住宅設施，2021，（12）：42-43.

[2]張柏滔，陳桀，苗俊波.淺談青藏鐵路電氣化施工接觸網基坑開挖機的設計[J].電氣化鐵道，2021，32（S1）：59-61.

[3]吳林河.鄰近地鐵隧道的深基坑變形控制實踐與探討[J].江西建材，2021，（12）：226-228.

[4]韋康，王立峰，王珂等.土巖組合深基坑樁撐式支護結構抗傾覆穩定性研究[J].浙江科技學院學報，2021，33（6）：496-503.

[5]何鳳，蘇波，任刃.明挖施工對近接地鐵車站結構影響效應研究[J].四川建筑，2021，41（6）：140-143.

[6]楊勇波.土木工程施工中深基坑支護的施工技術分析[J].中國設備工程，2021，（24）：252-253.

[7]楊冠宇，梅軍.基于遺傳算法的基坑巖土參數反演優化[J].煤炭科技，2021，42（6）：37-40+48.

[8]凌壯志，劉賀，王旭.視覺傳感技術在深基坑坑周土體沉降監測中的應用研究[J].地基處理，2021，3（6）：532-537.

作者：任海濤 單位：天津市勘察設計院集團有限公司