基坑开挖对矿区周边地质环境的影响分析

王贵生，高书杰

（河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450000）

1 软件介绍

在矿山开挖工程中，随着本构模型研究的发展，数值计算已经在工程中大量应用，并且取得大量的实践经验。数值计算在某种程度上已经成为解决许多复杂地质工程问题的主要手段之一。Plaxis程序是荷兰开发的地质工程有限元软件，它应用性非常强，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析。Plaxis程序能够计算两类工程问题：平面应变问题和轴对称问题。能够模拟土体、墙、板、梁结构，各种元素和土体的接触面，锚杆、土工织物、桩基础等。Plaxis程序能够分析的计算类型有变形、固结、分级加载、稳定分析和渗流计算等。

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，利用简单且相互作用的元素（单元体），以及有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，其基本步骤如下：

（1）结构的离散化。用有限元法对结构进行应力分析时，首先要将结构进行离散化。即将一个连续体看成由有限个单元组成的体系，相邻的单元体仅在节点处相连接，而以如此单元的结合体去代替原来的结构。

（2）选择位移函数。位移函数决定了单元内部的各点的位移模式，可选择线性或非线性模式。

（3）建立单元应力和结点位移之间的关系。Plaxis程序自身提供了8种地质构造模型，另外，还可根据计算需要添加新的本构模型。

（4）建立单元上的结点力和节点位移之间的关系。利用虚功原理，单元结点力和节点位移的关系式可表示为单元平衡方程：

（5）建立整体平衡方程。集合所有单元的刚度矩阵，得结构整体刚度矩阵[K]，集合所有作用于各单元的等效结点力矩阵，形成总体荷载列阵[R]，从而，整个结构的平衡方程表示为：。

（6）求解未知节点位移和单元应力。

基坑开挖对于矿山地质环境的影响的数值模拟计算，主要包括两部分计算内容：先进行基坑开挖，后进行矿山地质环境的数值模拟计算。考虑基坑开挖后，矿区施工过程中，周边的地质环境受到一定的影响。

在有限元中的计算，为了能够得到较符合实际情况的数值模拟计算结果，模型的简化非常重要，除了荷载的简化、模型的大小选取等，比较重要的是参数简化，即接触面的模拟与单元的选取等。

2 模拟计算

2.1 计算模型

本文结合工程地质条件，主要考虑临近基坑断面处开挖对矿井的影响，使其计算结果对于矿井安全性的评估更具现实意义。

（1）地基模型简化：地基土模型尺寸取为：x=50，y=45m，桩锚支护桩径1.0m，水平间距1.5m，桩体采用钢筋混凝土材料，为简化计算模型，提高计算效率，软基模型按平面应变问题进行数值分析，构建半对称数值计算模型。地下水位14.5m，地基模型如图1所示。

（2）边界条件：采用了扩展土体的方法，计算模型底部（y=-45m）固定，采用XY约束，限制底部土体单元的竖向和横向位移；模型侧面（x=0，x=50）固定，采用X约束，限制侧面单元的x方向位移；模型顶部采用自由边界。调用标准边界条件即可满足要求。

（3）初始条件：计算模型进行初始化运算，地基自重固结已经完成。并且将自重产生的位移和变形速率进行归零处理。

（4）本构关系：地基选用M-C模型，模拟地基的弹塑性变形和应力应变；排桩采用线弹性模型，调用plate结构单元模拟桩体；锚索采用点对点锚杆+土工格栅组合模拟，点对点锚杆模拟锚索的拉杆，土工格栅模拟锚索注浆体形成锚固段。

2.2 计算参数

计算参数主要有Mohr-Coulomb模型的基本参数：E杨氏模量、μ泊松比、φ内摩擦角、c内聚力、Ψ剪胀角、渗透系数k；Plate结构单元主要有有轴向刚度EA、抗弯刚度EI、等效厚度D、重度w、泊松比μ；点对点锚杆和土工格栅主要有轴向刚度、水平间距和预应力等参数。土体本构模型采用摩尔—库伦模型，排桩和矿井衬砌采用Plate结构单元。

2.3 模拟过程

图1 地基模型计算简图

本模型主要计算深基坑开挖对地质环境的影响，并进行系统评估。深基坑开挖后，再进行地质环境数值模拟plaxis计算；在模型计算步骤中，降水渗流在开挖前计算。先模拟基坑降水，在渗流稳定后进行基坑开挖模拟。

2.4 结果分析

将plaxis计算结果统计于下表，根据基坑开挖完成后，矿井开采区域上节点、下节点、左节点和右节点的具体发生变形量（沉降量和水平位移量），在基坑开挖后施工矿井的情况下，最大沉降为0.35mm，最大水平位移为1.01mm。可见，先开挖基坑后施工矿井，此时基坑本身的存在对矿井的影响很微弱，甚至存在矿井本身施工影响基坑支护结构的可能。

表1 基坑开挖

3 结论

本文采用plaxis有限元软件就某基坑开挖对矿山矿井的影响进行了分析，结果发现，先开挖基坑后进行矿井开挖的方式对矿山地质环境影响甚微。