摘要
深基坑施工造成的应力扰动对邻近矿山稳定性产生影响，单纯依据现场监测会导致矿山稳定性分析结果不精准，为此，提出考虑深基坑施工的邻近矿山稳定性研究。本文采用MIDAS仿真技术构建影响分析模型，对模型进行上、下和侧面的约束限制。设定仿真模拟基本假定条件，模拟深基坑开挖及支护过程，结合邻近矿山周围土体的应力分布规律，构建周围土体渗流-应力耦合模型。以模拟分析邻近矿山初应力，并通过周围土体拱形压力分析，直观反映出深基坑开挖初始邻近矿山周围土体应力的变化情况。通过研究深基坑施工对矿山x、y方向位移变化的云图，直观反映深基坑开挖后邻近矿山周围土体坍塌风险。应用结果表明：所研究方法与实际测量结果误差较小，可以为类似研究提供借鉴。
Abstract
The stress disturbance caused by deep foundation pit construction has an impact on the stability of adjacent mines. Simply based on on-site monitoring will lead to inaccurate results of mine stability analysis. Therefore, the study on the stability of adjacent mines considering deep foundation pit construction is proposed. The MIDAS simulation technology is used to construct the influence analysis model, and the model is restricted by the upper, lower and side constraints. The basic assumptions of simulation are set to simulate the excavation and support process of deep foundation pit. Combined with the stress distribution law of soil around the adjacent mine, the seepage-stress coupling model of surrounding soil is constructed. The initial stress of the adjacent mine is simulated and analyzed, and the arch pressure of the surrounding soil is analyzed to intuitively reflect the change of the stress of the surrounding soil around the initial excavation of the deep foundation pit. By studying the cloud map of the displacement changes in the x and y directions of the mine caused by the construction of the deep foundation pit, the risk of soil collapse around the adjacent mine after the excavation of the deep foundation pit is directly reflected. The results show that the error between the research method and the actual measurement result is small, which can provide reference for similar research.
0 引言
近年来，城市化进程的加快和土地资源的日益紧张，使得深基坑工程在城市建设中扮演着至关重要的角色（乔丽平等，2023）。作为一种常见的地下工程形式，深基坑工程的设计与施工对邻近环境的稳定性有着直接的影响（安宏科和唐东升，2023）。深基坑是指开挖深度超过 5 m 的基坑，深基坑施工是一个包含围护结构、土方开挖、基坑降水和支撑拆除等多个过程的复杂过程（宋福贵，2022）。很多深基坑工程项目需要在矿山附近进行，因为矿山具备了活力和经济优势（焦宁等，2022）。然而，这样的地理条件导致了基坑施工与矿山稳定性之间密切相关的问题，矿山开采过程中可能引发地表沉陷、岩爆等地质灾害，这些灾害隐患与深基坑施工存在不可忽视的相互影响（周勇等，2022）。因此，邻近矿山的稳定性问题备受关注。针对深基坑施工与邻近矿山稳定性的关联问题，进行系统研究和分析至关重要。
王琳等（2021）提出了基于三维有限元法的深基坑开挖对邻近建筑物的影响分析方法，该方法利用MIDAS有限元分析软件，构建本构模型的三维有限元数值模型。依据深基坑开挖对邻近建筑物变形特性，对结构整体性相对较差的矿山加强监测。但是，该方法所需的参数较为复杂，难以通过试验获取，并且计算量相对较大；张智敏和康天合 （2021）提出了基于弹性地基梁理论的研究方法，该方法采用不同弹性地基模型，分析变形预测结果与实测结果差异，结合原位信息的采集，优选出最优反演被动区岩层的土壤阻力因子和土壤-水压力校正因子，实现对围岩变形时间演变和围岩时空影响的粗略反映。但因土体性质、荷载及施工环境等复杂多变，单纯依据现场调查数据及实验室测试数据进行的土工实验结果，存在诸多不确定因素。为此，提出考虑大于10 m的深基坑施工的邻近矿山稳定性研究，结合 MIDAS 仿真技术和应力分析方法，以某矿山为研究对象，通过数值模拟实现深基坑施工对邻近矿山稳定性的影响分析，在获取更精准的预测结果的同时为深基坑施工的安全性保驾护航。
1 工程概况
某矿山位于某市南部和桥梁以北，整个矿山的形状是一个不规则形状，矿山东面长约115 m，南面长约100 m，西面长约170 m，北面长约60 m，将深基坑的开挖深度、场地地形地势情况以及周围环境等因素进行了全面的考量。
2 基于 MIDAS 深基坑施工对邻近矿山稳定性数值模拟
2.1 深基坑模型构建
在施工过程中，基坑施工总深度设置为 9 m，采取了分层施工方法（赵玲，2021）。从已有的研究成果来看，在深、宽两个方向上，土体对深、宽各有不同影响。基于上述条件，采用 MIDAS 有限元软件，建立深基坑有限元模型，如图1所示。
图1基于MIDAS的模型图
据图1所示，深基坑挖掘的模型长度设定为 75 m，高度设定为 30 m（地面 5 m，地下 25 m），宽度设定为 15 m。为了使计算简单，提出了一种基于“钻孔桩-止水帘”的新型围护方案，并将其应用于工程实践中（郑翔等，2021）。该模型上表面没有任何限制，下表面有固定限制，侧表面有法向位移限制。
2.2 仿真模拟基本假定
仿真模拟的基本假定，包括如下：（1）地层：深基坑周围的土体是建立在地表之上的，并且土体在空间上的分布不会出现错位；每一层土体均采用实体单元模拟，每一层的参数都是以矿山所提供的地质勘查报告为依据，经过对地层化简与模型修正，得到地层参数（表1）。地层主要包括填土（深度 3 m）、黏土（深度1 m）。
表1地层参数
（2）地下水：场区的地下水位以上部滞留水为主，并以岩溶裂缝为主，其总量较少；利用开槽的方法，对地下水源进行了集中排放，并对桩周杂填土进行了高压旋喷，形成了一道止水帷幕，以避免上部滞留水的渗入（吴昌将等，2021）。因此，在此基础上，可以忽略地下水流的影响，使模型得到简化。
（3）围护桩：对于钻孔灌注桩，MIDAS可以采用梁单元、桩单元和实体单元等多种方法进行数值仿真，但是这些方法都存在着计算复杂度高、计算工作量大等问题。在数值仿真中，采用等截面承载能力的方法，将排桩支撑体系等价于等截面承载能力的连续墙（储成伍，2021）。MIDAS软件最大的优势在于，它已经将土木结构设计计算中遇到的问题，都采用了最新的理论和模拟方法集成程序，用户只需要输入相应的参数就可以得到较为满意的结果。
（4）内支撑：对于内部支撑结构，使用了梁体单元，将预应力施加在相应结合部上，并通过线性弹性本构关系确定连续墙和支撑材料关系（宋福贵，2022）。
2.3 深基坑开挖及支护过程模拟
深基坑施工按“先撑后挖”的施工工艺，分为 9 个步骤（表2）：分别为保持地应力平衡、挡土墙施工、开挖第一层土体、增加第一道支撑、开挖第二层土体、增加第二道支撑、开挖第三层土体、增加第三道支撑、开挖第四层土体。
表2深基坑开挖及支护步骤设置
根据该模型中所含的地基支撑结构，将模型的边沿水平方向固定在地上，下端为全向约束，结构为自由表面。根据设定的开挖施工步骤进行模拟。
2.4 基于应力分析的周围土体渗流-应力耦合模型构建
在深基坑工程施工过程中，常发生围护结构边坡失稳问题，其中最主要的原因就是围护结构边坡失稳。常规的渗透-应力耦合理论只考虑了土体的等向特性，无法充分反映土体中的力学和渗透特性，导致其与真实的土体存在很大差异（徐宏增等， 2021）。针对上述问题，建立一套能够反映周围土体力学特性的渗透-应力耦合模型，并在工程实践中对其进行验证。深基坑施工对近邻矿山周围土体的应力分析，如图2所示。
图2近邻矿山周围土体应力分析
在深基坑施工过程中，邻近矿山周围土体的应力分布可表示为：
(1)
式（1）中，R、r分别为深基坑外部受力半径和周围土体受力半径（m），F 表示边界受力大小（N）（张念等，2021）。当邻近矿山周围土体应力分布受到最大水平应力作用时，应先考虑深基坑周围土体受力情况，根据应力分布特性可以推断出，应力与深基坑初始状态是相同的。
选择极坐标作为参照，分析坐标点的余弦系数和正弦关系，并将2个坐标原点重合，可以得到矿山某点受到的应力分量为：
(2)
式（2）中，Fa、Fb分别为一面应力边界作用力和另一面极坐标应力边界作用力（N）；cosθ、sinθ 分别为坐标点的余弦和正弦值；δb 为作用位置在深基坑所在位置的无限远处应力（N/m2）（赵斌，2021）。
根据上述应力分析结果，构建周围土体的渗流-应力耦合模型：
(3)
式（3）中，λ1、λ2分别为两个应力边界渗流系数； λ 为渗透系数；Sx、Sy分别为受到应力作用后的横向和纵向位移（mm）；γ为应力耦合系数；p为土体孔隙水压（kPa）（潘祎文等，2021）。
上述公式为理想状态下周围土体受到的应力模拟结果，根据深基坑开挖的实际土体情况设定模拟条件，完成土体渗流-应力耦合模型的构建（王杰等，2021）。
3 数值模拟结果分析
通过上述研究可知，深基坑施工必然会对邻近矿山稳定性造成一定影响，受到应力扰动影响，出现周围土体卸载，打破了原有的应力平衡，邻近矿山往往也会向深基坑方向倾斜（岳西蒙等，2021）。
邻近矿山在最初受到应力影响时，要对抗这种不一致变化，就必须有一种自我调整能力，形成了一个拱形应力分布区域，确保上方土体不会塌落 （赵蕊等，2023）。该情况下，邻近矿山周围土体呈压力拱形，如图3所示。
由图3可知，当成拱系数小于 0时，深基坑开挖会引起邻近矿山周围土体切向应力减小，使得矿山周围土体处于卸压区域内；当成拱系数大于0时，深基坑开挖会引起邻近矿山周围土体切向应力集中，使得矿山周围土体处于应力升高区域内；当成拱系数等于 0 时，深基坑开挖引起的邻近矿山周围土体切向应力没有发生变化，深基坑开挖引起的邻近矿山周围土体切向应力处于两个区域的分界处。
图3邻近矿山周围土体呈压力拱形
通过对拱形压力分析，能直观反映深基坑开挖前后邻近矿山周围土体应力的变化情况。
对基坑继续深挖时，土体既要承担承载力，又要承担支挡作用，因此，在深基坑中，支挡作用的变化将直接关系到整个深基坑的稳定性，并使土体所受到的荷载及空间分布形式发生改变（张军贤和王清标，2020）。深基坑施工对邻近矿山的x方向位移变化云图和y方向变化云图，如图4所示。
由图4可知，y 方向位移变化云图危险程度较大，说明深基坑施工对邻近矿山稳定性的 y 方向影响相比于x方向要大，容易出现坍塌风险，应变单位 mm。
4 工程应用与现场监测对比
根据上述数值模拟研究，对邻近矿山周围土体共进行了 105 d的监测，为了更直观对比监测结果，选择变形量较大的数据进行分析与处理。为了方便监测，布置了 4 个监测点。监测点布置遵守国家基坑支护的有关技术规定，支护的安全级别是1级。分析深基坑周围环境及地质情况，设围护结构的形式为钢管内侧支撑形式。
图4不同方向位移变化云图
a—x方向位移变化云图；b—y方向位移变化云图
4.1 监测装置
采用应力控制式三轴压缩试验装置（图5）。该装置将传感光缆固定在底部，采用分层填充的方法制造出黏土样品，然后用压力罩将样品罩住，再在压力室内充满水，然后用位移仪来测定样品的变形。
图5应力控制式三轴压缩试验装置
4.2 监测数据
设置该矿山水平位移在100 mm以内、数值位移在300 mm以内为稳定状态，超过该范围则容易出现坍塌风险。使用位移计测量试样水平、竖直 2 个方向的位移变化情况，对监测结果进行统计（表3）。由表3可知，水平、竖直位移最大值分别为 95 mm、 440 mm。通过监测数据确定，所研究矿山存在坍塌风险。
表3水平、竖直方向位移变化监测数据
4.3 监测结果分析
将三维有限元法、弹性地基梁理论和所研究的 MIDAS 数值模拟法的水平、竖直 2 个方向位移变化情况进行对比分析，使用不同方法对比分析水平方向位移分析结果（图6）。
图6不同方法水平方向位移变化
a—三维有限元法；b—弹性地基梁理论；c—MIDAS数值模拟法
由图6a可知，使用该方法监测点1—4对应的位移数值与使用位移计测量的数据均不一致，其中在监测点 4出现了与测量数据相差最大的数值，即 33 mm。
由图6b可知，使用该方法监测点1—4对应的位移数值与使用位移计测量的数据均较大，其中在监测点4出现了与测量数据相差最大的数值，即53 mm。
由图6c可知，监测点1—4对应的水平方向位移最大变化量分别为40 mm、95 mm、72 mm、62 mm，其中监测点 4 出现了反方向的位移，与使用位移计测量的数据存在最大为 1 mm 的误差。使用不同方法对比分析竖直方向位移分析结果，如图7所示。
图7不同方法竖直方向位移变化
a—三维有限元法；b—弹性地基梁理论；c—MIDAS数值模拟法
由图7可知，使用三维有限元法、弹性地基梁理论与使用位移计测量的数据不一致，且相差较大，使用 MIDAS 数值模拟法与使用位移计测量的数据基本一致，只在监测点4处出现了误差，与测量数据最大相差8 mm。通过上述研究结果可得到，矿山不稳定，存在坍塌风险。
5 结束语
面对应力扰动造成的传统方法分析结果不精准的问题，结合MIDAS仿真技术和应力方法分析矿山稳定性，并得出如下结论：
（1）使用 MIDAS 仿真技术，能够得到简化分析模型，方便深基坑开挖及支护过程的模拟分析；
（2）通过应力分析方法，能够直观反映矿山周围土体应力变化和x、y方向变化云图；
（3）通过工程应用与现场监测分析，能够验证所研究方法分析结果的精准性。