礦山深基坑開挖對地層穩(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程中產(chǎn)生的應力場變化有著密不可分的聯(lián)系。因此，為實現(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轉(zhuǎn)移到對地層穩(wěn)定性影響因素上[1]。在進行礦山施工的過程中，由于社會需求不斷提升，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施工項目中，不合理的開挖手段常常會造成周圍土體位移大、側(cè)向抗彎剛度弱、對周圍環(huán)境適應能力差等問題，嚴重影響礦山地層的穩(wěn)定性，對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題。本文以湖北地區(qū)礦山為例，通過對真實的礦山深基坑開挖項目產(chǎn)生的各類歷史資料進行分析，并以此為依據(jù)，開展礦山深基坑開挖對地層穩(wěn)定性的影響研究研究。

1 礦山深基坑開挖對地層穩(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，對不同礦山深基坑工況下湖北地區(qū)某監(jiān)測點維護結(jié)構(gòu)上的水平位移，并對多個礦山深基坑開挖步驟下的坑外地層結(jié)構(gòu)沉降情況進行記錄，并繪制成如表1所示的記錄表。

表1 多個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，同時隨著步驟序號的增加，相應的開挖深度也增加。表1中A～E分別表示為地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沉降時相關(guān)數(shù)據(jù)的具體表達內(nèi)容，A表示為深基坑開挖的實際深度；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結(jié)構(gòu)水平位移；E表示為與地層相連接的基坑支護結(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程中，與地層相連接的基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移最大值呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，并且其發(fā)生的位置也逐漸向向下偏移；通過計算進一步得出，地層沉降的最大值產(chǎn)生區(qū)域與基坑支護結(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，通過上述數(shù)據(jù)進行分析得出，礦山深基坑開挖會導致坑外地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯沉降。同時，在礦山深基坑開挖過程中，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]。再通過對礦山深基坑開挖過程中地層的斷面沉降現(xiàn)象可以看出，通過數(shù)值模擬的方法得出的數(shù)據(jù)與地層斷面沉降實際實測數(shù)據(jù)的整體發(fā)展趨勢相一致，但實際測量數(shù)值整體偏低，其主要原因是由于礦山深基坑支護結(jié)構(gòu)具有一定的整體性，因此在開挖過程中經(jīng)歷坑外地層局部沉降后，沉降值會呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢現(xiàn)象，曲線呈現(xiàn)出勺形。同時，再利用該方法對湖北地區(qū)其他礦山深基坑開挖項目進行分析得出，地層結(jié)構(gòu)沉降曲線呈勺形的變化趨勢十分普遍。再結(jié)合國內(nèi)外研究成果進一步得出，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程中其建立的支護機構(gòu)的0.75倍開挖深度。同時在距離基坑支護結(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，同時該區(qū)域當中地層的穩(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坑外地層結(jié)構(gòu)沉降的影響后，再通過對地層斷面的實際變化情況，進一步分析得出在進行礦山深基坑開挖過程中，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

當產(chǎn)生如圖1所示的現(xiàn)象時，說明在開挖過程中，與支護結(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)出松動的現(xiàn)象，并且整體呈現(xiàn)出明顯的隆起狀態(tài)。同時，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，對圖1所示的現(xiàn)象進行變化數(shù)值分析。對于地層土體周圍的支護結(jié)構(gòu)，應當根據(jù)礦山深基坑開挖的實際需要，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，從而方便對礦山深基坑開挖過程中周圍受到影響的地層土體變形進行分析[3]。通過分析得出，在進行礦山深基坑開挖的過程中，產(chǎn)生的直接結(jié)果是造成地層周圍土體發(fā)生隆起，并進一步造成深基坑內(nèi)部的土體單元受到周圍支護結(jié)構(gòu)的作用，出現(xiàn)作用力不平衡的問題產(chǎn)生，因此進一步造成支護結(jié)構(gòu)向地層內(nèi)部的側(cè)向變形，直到達到全新的平衡狀態(tài)時才會停止改變。而在這種平衡狀態(tài)下，支護結(jié)構(gòu)的外側(cè)土壓力會逐漸向著主動土壓力的方向發(fā)展，而內(nèi)側(cè)的土壓力會逐漸向著被動土壓力的方向發(fā)展，因此導致地層維持穩(wěn)定性的作用力逐漸分散，最終出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。

2 礦山深基坑開挖對地層穩(wěn)定性的影響啟示

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

首先，當?shù)V山深基坑開挖過程中，周圍環(huán)境復雜程度較高，尤其是對地層整體變形要求更加嚴格時，需要嚴格控制地層的變形情況，以此滿足對周圍礦山環(huán)境的保護要求。通常情況下，可通過優(yōu)化深基坑開挖方案設計、施工和后續(xù)處理等環(huán)節(jié)實現(xiàn)對地層沉降的控制。

其次，在進行礦山深基坑開挖的過程中，應當選擇更加符合地層條件的支護方案，尤其是針對支護結(jié)構(gòu)及支撐體系選擇會對地層造成直接影響。同時，在優(yōu)化的過程中還應當充分考慮到開挖現(xiàn)場的地質(zhì)條件、周圍礦山環(huán)境條件，并從技術(shù)、經(jīng)濟以及施工的便利性等多方面進行綜合考量，從而確保在礦山深基坑開挖過程中地層的穩(wěn)定性不受影響。

再次，在實際礦山深基坑開挖過程中，支護結(jié)構(gòu)的施工和降水工程等都會對地層的穩(wěn)定性造成一定的影響，因此針對這些方面同樣需要提高重視程度，政府及有關(guān)部門也應當出臺與礦山深基坑開挖項目相關(guān)的監(jiān)管機制，加強對這一方面的監(jiān)督力度，從而確保施工單位的施工水平不斷提升，保證各項施工內(nèi)容均不會對礦山地層的穩(wěn)定性造成影響，實現(xiàn)綠色化施工和開采。

最后，在礦山深基坑開挖過程中還應當考慮到時空效應問題，給出更加合理的施工方案。適當情況下，可通過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)底部無支護結(jié)構(gòu)支撐暴露的時間。針對含有礦井施工的區(qū)域，在進行礦山深基坑開挖時還應當合理選擇礦井類型，設置隔水帷幕，并保證礦井內(nèi)降水漏斗不超過支護結(jié)構(gòu)底部。以此，通過上述多種方式的防護，降低礦山深基坑開挖對地層穩(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，增強開挖施工單位的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 結(jié)語

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，進一步確保地層穩(wěn)定性。

通過提出兩點礦山深基坑開挖對地層穩(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，沒有設計實例分析，進一步證明本文提出兩點影響在實際應用中的適用性，進而論證本文提出影響的可信度，這一點在以后的研究中可以拓展分析。與此同時，還需要針對提升地層穩(wěn)定性的措施展開探討，為避免礦山深基坑開挖對地層穩(wěn)定性的不利影響提供一定的幫助。