礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的影響研究

熊 斌

（湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢 430000）

礦山深基坑開挖的變形發(fā)展和其破壞模式與基坑在開挖過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)變化有著密不可分的聯(lián)系。因此，為實(shí)現(xiàn)礦山工程質(zhì)量的提升，并保證周圍地層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，相關(guān)領(lǐng)域研究人員逐漸將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)地層穩(wěn)定性影響因素上[1]。在進(jìn)行礦山施工的過(guò)程中，由于社會(huì)需求不斷提升，礦產(chǎn)資源的開采深部不斷加深，使得礦山企業(yè)不得不持續(xù)增加基坑的開挖深度。在不但加深基坑的開挖和支護(hù)施工項(xiàng)目中，不合理的開挖手段常常會(huì)造成周圍土體位移大、側(cè)向抗彎剛度弱、對(duì)周圍環(huán)境適應(yīng)能力差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響礦山地層的穩(wěn)定性，對(duì)于礦山施工以及礦山周圍的居民而言造成巨大的安全隱患問(wèn)題。本文以湖北地區(qū)礦山為例，通過(guò)對(duì)真實(shí)的礦山深基坑開挖項(xiàng)目產(chǎn)生的各類歷史資料進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)，開展礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的影響研究研究。

1 礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的影響研究

1.1 坑外地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯沉降

為探究礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的影響，分析其與坑外地層結(jié)構(gòu)沉降的關(guān)系，對(duì)不同礦山深基坑工況下湖北地區(qū)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)維護(hù)結(jié)構(gòu)上的水平位移，并對(duì)多個(gè)礦山深基坑開挖步驟下的坑外地層結(jié)構(gòu)沉降情況進(jìn)行記錄，并繪制成如表1所示的記錄表。

表1 多個(gè)礦山深基坑開挖步驟下坑外地層結(jié)構(gòu)沉降表

表1中1～5分別表示為礦山深基坑開挖的不同步驟，同時(shí)隨著步驟序號(hào)的增加，相應(yīng)的開挖深度也增加。表1中A～E分別表示為地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)的具體表達(dá)內(nèi)容，A表示為深基坑開挖的實(shí)際深度；B表示為地層沉降的最大值；C表示為地層沉降的最大值位置；D表示為與地層相連接的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移；E表示為與地層相連接的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移位置。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，在礦山深基坑開挖過(guò)程中，與地層相連接的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢(shì)，并且其發(fā)生的位置也逐漸向向下偏移；通過(guò)計(jì)算進(jìn)一步得出，地層沉降的最大值產(chǎn)生區(qū)域與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移之間比值在0.85～1.15范圍以內(nèi)，地層沉降的最大值與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在水平方向上的最大值比值在0.6～0.75范圍以內(nèi)。因此，通過(guò)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，礦山深基坑開挖會(huì)導(dǎo)致坑外地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯沉降。同時(shí)，在礦山深基坑開挖過(guò)程中，隨著開挖深度的不斷增加，坑外地層結(jié)構(gòu)的最大沉降位置、沉降量大小與開挖深度的關(guān)系逐漸明顯[2]。再通過(guò)對(duì)礦山深基坑開挖過(guò)程中地層的斷面沉降現(xiàn)象可以看出，通過(guò)數(shù)值模擬的方法得出的數(shù)據(jù)與地層斷面沉降實(shí)際實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整體發(fā)展趨勢(shì)相一致，但實(shí)際測(cè)量數(shù)值整體偏低，其主要原因是由于礦山深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的整體性，因此在開挖過(guò)程中經(jīng)歷坑外地層局部沉降后，沉降值會(huì)呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)現(xiàn)象，曲線呈現(xiàn)出勺形。同時(shí)，再利用該方法對(duì)湖北地區(qū)其他礦山深基坑開挖項(xiàng)目進(jìn)行分析得出，地層結(jié)構(gòu)沉降曲線呈勺形的變化趨勢(shì)十分普遍。再結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)一步得出，地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大沉降值的位置一般位于距離深基坑開挖過(guò)程中其建立的支護(hù)機(jī)構(gòu)的0.75倍開挖深度。同時(shí)在距離基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的1.5～2倍開挖深度范圍以內(nèi)，地層結(jié)構(gòu)的沉降更加明顯，是礦山深基坑開挖主要的影響區(qū)域，同時(shí)該區(qū)域當(dāng)中地層的穩(wěn)定性更弱，而在主要影響區(qū)域以外，地層結(jié)構(gòu)的沉降明顯程度逐漸降低。

1.2 開挖過(guò)程中地層整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞變形

在明確礦山深基坑開挖對(duì)坑外地層結(jié)構(gòu)沉降的影響后，再通過(guò)對(duì)地層斷面的實(shí)際變化情況，進(jìn)一步分析得出在進(jìn)行礦山深基坑開挖過(guò)程中，地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞變形現(xiàn)象。圖1為在礦山深基坑開挖過(guò)程中地層內(nèi)外破壞區(qū)域的大小及具體分布情況示意圖。

圖1 地層內(nèi)外破壞區(qū)域大小及分布情況示意圖

當(dāng)產(chǎn)生如圖1所示的現(xiàn)象時(shí)，說(shuō)明在開挖過(guò)程中，與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互連接的地層土體塑性區(qū)域內(nèi)的土體受到了破壞作用力的影響，逐漸呈現(xiàn)出松動(dòng)的現(xiàn)象，并且整體呈現(xiàn)出明顯的隆起狀態(tài)。同時(shí)，與地層土體單元相互連接的地層破壞區(qū)域發(fā)生改變也是地層失去穩(wěn)定性的前兆特征。

再結(jié)合有限元分析方法，對(duì)圖1所示的現(xiàn)象進(jìn)行變化數(shù)值分析。對(duì)于地層土體周圍的支護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)礦山深基坑開挖的實(shí)際需要，將其看作是連續(xù)性的作用方式，并轉(zhuǎn)化為等效的抗彎剛度以及等效抗拉剛度，從而方便對(duì)礦山深基坑開挖過(guò)程中周圍受到影響的地層土體變形進(jìn)行分析[3]。通過(guò)分析得出，在進(jìn)行礦山深基坑開挖的過(guò)程中，產(chǎn)生的直接結(jié)果是造成地層周圍土體發(fā)生隆起，并進(jìn)一步造成深基坑內(nèi)部的土體單元受到周圍支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，出現(xiàn)作用力不平衡的問(wèn)題產(chǎn)生，因此進(jìn)一步造成支護(hù)結(jié)構(gòu)向地層內(nèi)部的側(cè)向變形，直到達(dá)到全新的平衡狀態(tài)時(shí)才會(huì)停止改變。而在這種平衡狀態(tài)下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的外側(cè)土壓力會(huì)逐漸向著主動(dòng)土壓力的方向發(fā)展，而內(nèi)側(cè)的土壓力會(huì)逐漸向著被動(dòng)土壓力的方向發(fā)展，因此導(dǎo)致地層維持穩(wěn)定性的作用力逐漸分散，最終出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。

2 礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的影響啟示

結(jié)合本文上述對(duì)礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的影響分析，為實(shí)現(xiàn)對(duì)地層穩(wěn)定性控制，提出以下幾點(diǎn)啟示：

首先，當(dāng)?shù)V山深基坑開挖過(guò)程中，周圍環(huán)境復(fù)雜程度較高，尤其是對(duì)地層整體變形要求更加嚴(yán)格時(shí)，需要嚴(yán)格控制地層的變形情況，以此滿足對(duì)周圍礦山環(huán)境的保護(hù)要求。通常情況下，可通過(guò)優(yōu)化深基坑開挖方案設(shè)計(jì)、施工和后續(xù)處理等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)地層沉降的控制。

其次，在進(jìn)行礦山深基坑開挖的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)選擇更加符合地層條件的支護(hù)方案，尤其是針對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系選擇會(huì)對(duì)地層造成直接影響。同時(shí)，在優(yōu)化的過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)充分考慮到開挖現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件、周圍礦山環(huán)境條件，并從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及施工的便利性等多方面進(jìn)行綜合考量，從而確保在礦山深基坑開挖過(guò)程中地層的穩(wěn)定性不受影響。

再次，在實(shí)際礦山深基坑開挖過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工和降水工程等都會(huì)對(duì)地層的穩(wěn)定性造成一定的影響，因此針對(duì)這些方面同樣需要提高重視程度，政府及有關(guān)部門也應(yīng)當(dāng)出臺(tái)與礦山深基坑開挖項(xiàng)目相關(guān)的監(jiān)管機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)這一方面的監(jiān)督力度，從而確保施工單位的施工水平不斷提升，保證各項(xiàng)施工內(nèi)容均不會(huì)對(duì)礦山地層的穩(wěn)定性造成影響，實(shí)現(xiàn)綠色化施工和開采。

最后，在礦山深基坑開挖過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)考慮到時(shí)空效應(yīng)問(wèn)題，給出更加合理的施工方案。適當(dāng)情況下，可通過(guò)增加分層開挖的層數(shù)、減少每一層開挖深度和寬度等方式降低地層結(jié)構(gòu)底部無(wú)支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐暴露的時(shí)間。針對(duì)含有礦井施工的區(qū)域，在進(jìn)行礦山深基坑開挖時(shí)還應(yīng)當(dāng)合理選擇礦井類型，設(shè)置隔水帷幕，并保證礦井內(nèi)降水漏斗不超過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)底部。以此，通過(guò)上述多種方式的防護(hù)，降低礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的影響，從而確保地層的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)不必要的安全事故，增強(qiáng)開挖施工單位的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了能夠影響地層穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，以礦山深基坑開挖程度為例，進(jìn)一步確保地層穩(wěn)定性。

通過(guò)提出兩點(diǎn)礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的具體影響，證明礦山深基坑開挖能夠?qū)Φ貙拥姆€(wěn)定性造成不利的影響。但本文存在不足之處在于，沒(méi)有設(shè)計(jì)實(shí)例分析，進(jìn)一步證明本文提出兩點(diǎn)影響在實(shí)際應(yīng)用中的適用性，進(jìn)而論證本文提出影響的可信度，這一點(diǎn)在以后的研究中可以拓展分析。與此同時(shí)，還需要針對(duì)提升地層穩(wěn)定性的措施展開探討，為避免礦山深基坑開挖對(duì)地層穩(wěn)定性的不利影響提供一定的幫助。