基坑开挖对周围岩土体竖向位移影响的数值模拟研究

吕晶晶，吕恒恒，侯付闯

(1.北京锦辉合众楼宇科技有限公司 西安分公司，西安 710000； 2.陕西良泰能源科技有限公司，西安 710000； 3.陕西中凯恒瑞工程项目管理有限公司，西安 710000)

1 概 述

基坑工程因其能够大量利用地下空间而被广泛应用，学者们对此进行了大量的研究。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，该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，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]研究了围护桩插入比和见岩面深度对基坑围护结构的影响，研究结果表明若见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，研究结果表明不同开挖深度下，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，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。刘赛[8]将BIM技术应用于超高层建筑深基坑施工中，通过应用BIM技术可提升超高层建筑深基坑的施工质量。凌壮志[9]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，通过实践可知该方法可有效监测基坑周围岩土体的位移。林立华[10]研究了深基坑开挖对既有隧道的受力和位移的影响，结果表明基坑卸荷率与隧道隆起量之间近似呈线性关系。

以上研究均未分析每次基坑开挖对基坑周围岩土体竖向位移的影响，而该位移的影响可间接反映基坑开挖和排水的效果。因此，本文结合实际基坑开挖工程，利用MIDAS GTS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。

2 工程概况

该基坑工程位于陕西省西安市，见图1。基坑开挖为30 m×20 m(长度×深度)，选择的研究区域为200 m×100 m(长度×深度)，地下水在地面以下10 m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见表1。

图1 基坑平面图(单位：m)

表1 岩土体物理力学参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

选择的研究区域长度是基坑长度约7倍，深度为基坑深度的5倍，该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4 m，每次开挖完成后立即对基坑进行支护。选择MIDAS GTS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。

3.2 竖向位移

为控制基坑开挖对周围岩土体位移的影响，选择分5次进行开挖，每次开挖后的位移云图见图2-图6。

图2 第一次开挖后的竖向位移(单位：m)

图3 第二次开挖后的竖向位移(单位：m)

图4 第三次开挖后的竖向位移(单位：m)

图5 第四次开挖后的竖向位移(单位：m)

图6 第五次开挖后的竖向位移(单位：m)

第一次开挖4 m，深度虽只有4 m，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，见图2。由图2可知，基坑最大竖向位移为1 mm，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4 m处，沉降约为0.3 mm，此区域不超过8%，84.1%的岩土体几乎不发生竖向位移变化，说明基坑的第一次开挖是成功的，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4 m，深度为4 m，因为第一次开挖已留足施工空间，因此第二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，见图3。由图3可知，基坑最大竖向位移为1.8 mm，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4 m处，沉降约为1.3 mm，此区域不超过2%，因为没有超过2 mm，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1 mm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，说明基坑的第二次开挖是成功的，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4 m，深度严格控制在4 m。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，见图4。由图4可知，基坑最大竖向位移为1.9 mm，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4 m处，沉降约为1.6 mm，此区域不超过4%，不超过1.2 mm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，说明基坑的第三次开挖是成功的，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4 m，深度严格控制在4 m。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，见图5。由图5可知，基坑最大竖向位移为8.8 mm，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4 m处，沉降约为6.0 mm，此区域约为31%，说明地下水确实对周围岩土体的沉降造成了一定的影响，因为沉降不超过1 cm，可认为此沉降依然不会对工程造成不良影响。不超过4 mm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，说明基坑的第四次开挖是成功的，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4 m，深度依然严格控制在4 m。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，见图6。由图6可知，基坑最大竖向位移为2.8 mm，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4 m处，沉降约为1.7 mm，此区域不超过12%，88.9%的岩土体几乎不发生竖向位移变化，说明基坑的第五次开挖是成功的，此次开挖不会对周围岩土体的位移造成不良影响。

4 结 论

该基坑共进行了5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研究，研究结果表明：

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，但该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岩土体的竖向位移造成不良影响。