關(guān)鍵詞：大直徑深豎井；復合地層；引水隧洞；數(shù)值模擬；圍巖穩(wěn)定性；滇中引水工程中圖法分類號：TV223.1 文獻標志碼：A DOI：10. 15974/j. cnki. slsdkb. 2025.05.006文章編號：1006-0081（2025）05-0034-07

0 引言

豎井在長大隧洞施工期間可以增加工作面、加快施工進度，在隧洞運行期間還可作為通風、逃生、檢修通道。隨著水利水電工程隧洞建設的不斷發(fā)展，隧洞斷面日益擴大、長度越來越長，豎井在長大隧洞施工中的地位越來越重要[1-2]。為了保證豎井結(jié)構(gòu)的安全，有必要對豎井井筒的圍巖穩(wěn)定性進行分析。目前在水利水電工程領域，國內(nèi)尚無針對性的豎井結(jié)構(gòu)設計標準或規(guī)范，且對深豎井的研究主要集中在交通工程和采礦工程領域。李義華等[3]針對北京某鐵路隧道深豎井在穿越軟弱富水地層時成槽難、垂直度難控制等問題，提出了一系列的新施工工藝，取得了良好效果。黃明利等[4根據(jù)高黎貢山鐵路隧道深豎井的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程地質(zhì)條件，對豎井襯砌破壞過程進行了數(shù)值模擬分析。Sun等[5]基于金川礦區(qū)某豎井工程，使用UEDC軟件對豎井開挖過程中圍巖失穩(wěn)出現(xiàn)的時間和部位進行了探究。李洋洋等依托思山嶺鐵礦工程，對深豎井井筒圍巖的穩(wěn)定性進行了分析，并提出了控制圍巖穩(wěn)定性的方法。然而，現(xiàn)有研究很少涉及水利水電工程中豎井施工支護和豎井井筒圍巖穩(wěn)定性的評價。謝向榮等[7]對南水北調(diào)中線一期穿黃隧洞大型超深豎井結(jié)構(gòu)加固與防水設計進行了研究，通過降低灰槳墻與地下連續(xù)墻之間的地下水位，成功地解決了基坑嚴重漏水的問題，保證了工程施工順利進行。陳恩瑜等8針對巴基斯坦N-J水電站引水調(diào)壓豎井面臨陡傾角軟硬巖互層的復雜地質(zhì)條件，對不同施工方案進行了比選研究。此外，應用數(shù)值模擬方法，可以探究施工擾動下，巖土體的受力變形和卸荷損傷特征。一些學者使用基于有限差分方法的FLAC3D軟件，探究相關(guān)因素對深豎井圍巖穩(wěn)定性的影響。Walton等[9]用FLAC3D模擬比較了圓形和橢圓形豎井斷面在開挖卸荷后的應力重分布特征，發(fā)現(xiàn)橢圓形斷面更有利于圍巖穩(wěn)定。朱明德等[]使用FLAC3D反演了豎井工程區(qū)的地應力場，得出了地應力場隨深度和地層變化的分布規(guī)律。

在已有的研究中，水利水電工程領域豎井大都采用反并鉆機自上而下開挖導洞，再自上而下進行分層鉆爆擴挖形成最終開挖斷面[11-12]，而關(guān)于正井法施工“一掘一襯”支護方式的研究很少。大斷面豎井支護結(jié)構(gòu)的受力特性更加復雜、圍巖穩(wěn)定性更差、施工安全風險較高，尤其是斷層破碎帶部位的圍巖變形控制，成為技術(shù)難題;隨著豎井深度逐漸增加，支護結(jié)構(gòu)工程量逐漸變大，給設計和施工帶來了較大的困難，還需要進一步優(yōu)化。本文依托滇中引水工程香爐山隧洞復合地層的大直徑深豎井工程，結(jié)合實際工程按照正井法施工“一掘一襯”的支護方式，建立三維數(shù)值模型，并選取了6個典型監(jiān)測位置，從橫斷面和縱剖面的組合視角，研究在不同井深和圍巖類型下，施工開挖后井筒的圍巖應力應變分布和塑性損傷規(guī)律，為豎井開挖卸荷后圍巖的穩(wěn)定性提供判據(jù)，可為類似工程提供參考。

工程概況

滇中引水工程香爐山隧洞地質(zhì)條件具有“三高兩活躍”的特點，即地應力高、外水壓力高、地震烈度高，地下水環(huán)境活躍、地質(zhì)構(gòu)造活躍。隧洞沿線巖溶大泉發(fā)育，地形高差大，巖性多樣（主要有灰?guī)r類、砂泥巖類、玄武巖類、片巖類等），涉及4大巖溶水系統(tǒng)（白漢場巖溶水系統(tǒng)、拉什海巖溶水系統(tǒng)、鶴慶西山巖溶水系統(tǒng)、清水江一劍川巖溶水系統(tǒng)），隧洞穿越區(qū)域性大斷裂（帶）共13條，其中龍蟠—喬后、麗江—劍川、鶴慶—洱源為3條全新世活動斷裂。施工過程中遭遇了上百次塌方、涌水等不良地質(zhì)問題，工期已延誤數(shù)年。為了加快施工進度、追趕滯后工期，增加一座施工豎井，用以新開辟兩個施工工作面。

施工豎井井口高程 2 567. 00m ，井底高程2001.75m ，井深 565.25m ，凈斷面直徑 9.6m 。從上至下依次穿越地層：第四系覆蓋層、灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r、安山質(zhì)玄武巖，如圖1所示。Ⅲ類圍巖長 70.0m 占豎井長度的 12.38% ： ΔIV 類圍巖長 205.25m ，占豎井長度的 36.32% ;V類圍巖長 290.0m ，占豎井長度的51.30% ， ΔN 類和V類圍巖占比 87.62% ，圍巖穩(wěn)定問題較為突出，特別是灰?guī)r和安山質(zhì)玄武巖接觸部位，發(fā)生大變形的可能性較大。

2計算模型與方案

Ⅱ類、V類、V類非斷裂帶、 ΔV 類斷裂帶開挖井徑分別為 11.3，11.7，12.2，12.7m ，襯砌后凈斷面直徑為 9.6m 。為避免邊界效應影響，取計算模型尺寸為50m×50m×650m（X×Y×Z） 。圍巖本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫彈塑性接觸模型，共劃分189300個單元、198433個節(jié)點。當井深小于 400m 時，初始地應力場側(cè)壓力系數(shù)取1.4；當井深大于 400m 時，初始地應力場側(cè)壓力系數(shù)取1.2。豎井三維計算模型如圖2所示。

支護時，先進行初期支護，再進行二次支護，初期支護措施整體上以鋼拱架、掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土的方式進行，而二次支護則使用鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)進行；此外，斷層帶增加了錨桿支護。因為豎井井筒穿越的地層條件復雜，所以支護方案根據(jù)豎井井筒圍巖的類別和井深進行了專門設計。圍巖分為Ⅱ類、V類、V類，井深則分為 0～174，174～350，350～650m 三段。計算采用的材料物理力學參數(shù)見表1。

在計算時，以每個施工進尺循環(huán)為單位，采用豎井掌子面不斷下臥推進的方式模擬豎井下挖，對每一施工進尺內(nèi)的“開挖-支護\"流程進行模擬，然后不斷重復以上步驟，模擬掌子面逐步推進，實現(xiàn)對豎井動態(tài)施工開挖和支護的三維計算。其中，Ⅱ，V類圍巖的施工循環(huán)層高為 2.5m ，V類圍巖的施工循環(huán)層高為1.5m 。在每循環(huán)層開挖完成后進行初襯，初襯完成后進行二次襯砌，實現(xiàn)“一掘一襯”。

表1材料物理力學參數(shù)

對于荷載計算，根據(jù)開挖后的地應力釋放作用規(guī)律，計算作用在圍巖和掌子面臨空面上的反作用力，然后自動施加。壁后注槳壓力取 0.5MPa ，并假定其均作用于襯砌結(jié)構(gòu)外部，同時考慮一倍洞徑的外水荷載。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)不同的圍巖井深、類別，一共選取了6個典型監(jiān)測位進行分析，如圖3所示，涵蓋了Ⅱ，IV，V類圍巖。監(jiān)測位1＼～3穿越的地層巖性為灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r；藍測位4穿越了分別以灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r、安山質(zhì)玄武巖為主的兩個地層，并穿越了斷層帶；監(jiān)測位 5～ 6穿越的地層巖性為安山質(zhì)玄武巖

3.1 圍巖變形分析

豎井開挖完成后的井筒橫斷面圍巖變形如圖4所示。除了監(jiān)測位4，其余5個監(jiān)測位的圍巖都有著相同的變形規(guī)律：洞周圍巖的變形量以井筒中心為圓心，呈環(huán)狀分布，最內(nèi)一圈圍巖變形最大，從臨空面向外，圍巖變形逐漸減??；而結(jié)構(gòu)面的存在致使監(jiān)測位4橫斷面的橫向變形明顯大于縱向變形，其最大變形出現(xiàn)在斷層出露部位。井深 350m 處的Ⅲ類圍巖變形基本量未超過 20mm ，變形量很小。井深170，373，560m 處的V類圍巖變形基本量值達到了幾十到幾百毫米，變形量很大，且隨著深度增加，變形增長顯著。對于V類圍巖，當井深從 345m 增加到 560m 時，其變形基本量值從 30mm 增長到 50mm ，增長不如V類圍巖顯著。

各監(jiān)測位圍巖位移矢量同監(jiān)測位1一樣（如圖5（a）所示）都垂直洞壁指向洞內(nèi)，但監(jiān)測位4的上方和下方圍巖各有一排指向洞內(nèi)的小位移矢量（如圖5（b）所示），這是因為監(jiān)測位4結(jié)構(gòu)面處圍巖在施工擾動下產(chǎn)生了額外的變形。

開挖完成后的井筒監(jiān)測位縱剖面圍巖變形如，6個監(jiān)測位縱剖面的掌子面巖體最大變形都發(fā)生在中部。具體而言，井深 350m 處的Ⅲ類圍巖變形量基本在 10mm 以內(nèi)，而不同井深的V類圍巖開挖后掌子面和井筒圍巖變形量達到幾十甚至幾百毫米，變形量很大，并且隨著井深增加，變形增長明顯。另外，未處于復雜結(jié)構(gòu)面處但井深更大的V類圍巖變形量明顯增加，說明井深比結(jié)構(gòu)面對V圍巖變形的影響更大。隨著井深增加，V類圍巖處的變形量增長明顯，但遠不如V類圍巖顯著。

3.2 圍巖應力分析

豎井開挖后井筒監(jiān)測位1和監(jiān)測位4的橫斷面圍巖應力分布如圖7所示。除了監(jiān)測位4，其余5個監(jiān)測位橫斷面的應力分布具有相似規(guī)律：應力以井筒中心為圓心，呈環(huán)狀分布，洞周圍巖第一主應力較大值（即壓應力較大值）出現(xiàn)在臨空面往外一定范圍內(nèi)，而第三主應力則是距臨空面越近量值越小。由于結(jié)構(gòu)面的存在，監(jiān)測位4橫斷面的應力分布呈不規(guī)則分布，其第一主應力的較大值區(qū)域橫向分布范圍大于縱向，且橫向較大值區(qū)域距離臨空面比縱向更遠；第三主應力較大值區(qū)域很小且斷續(xù)分布在井筒臨空面往外一定距離處。

監(jiān)測位1＼～6橫斷面的圍巖第一主應力基本量值分別為 -8.5～-4.5，-16～-7，-17～-7，-21～ -8，-22～-10，-24～-10MPa ；第三主應力基本量值分別為 -3.9～-1.8，-8～-3，-8～-2，-9～ -3，-12～-5，-13～-5MPa 。除監(jiān)測位4外，其余監(jiān)測位第一主應力最大值處距離臨空面約 3m ，而監(jiān)測位4則為 4m 。由以上數(shù)據(jù)可知，V類和V類圍巖的第一主應力和第三主應力都會隨著井深的增大而增大，并且井深對應力增長的影響大于結(jié)構(gòu)面的影響。當V類圍巖中存在地層交界面和斷層帶等結(jié)構(gòu)面時，其圍巖的應力分布會受到明顯影響，其最大應力處距離井筒臨空面的距離會加大。

3.3 圍巖塑性損傷分析

豎井開挖后的井筒橫斷面圍巖塑性區(qū)分布如圖8所示。在沒有結(jié)構(gòu)面存在時，各監(jiān)測位圍巖的塑性區(qū)都大致呈圓環(huán)狀分布。監(jiān)測位1，2，4，5的圍巖都以純剪切塑性損傷為主，而監(jiān)測位3，6的圍巖以拉剪混合塑性損傷為主。由此可知，并深在 200m 左右的V類圍巖，在豎井開挖后，可能會發(fā)生剪切塑性損傷；井深在 400m 左右且存在大量結(jié)構(gòu)面的V類圍巖，在豎井開挖后，可能也主要發(fā)生剪切塑性損傷；而當并深進一步增加，比如增加到 600m 左右時，在豎井開挖后，V類圍巖便不再以純剪切塑性損傷為主，而是呈現(xiàn)出拉剪混合塑性損傷。對于 ΔN 類圍巖，不論其井深在400m 左右還是 600m 左右，都是以純剪切塑性損傷為主。井深 400m 左右的Ⅲ類圍巖呈現(xiàn)出拉剪混合塑性損傷特征。結(jié)構(gòu)面的存在，會顯著改變其附近圍巖的塑性區(qū)分布。

豎井開挖后的井筒縱剖面圍巖塑性區(qū)分布如圖9所示。對于V類圍巖，當井深較小時，其掌子面上方一定距離內(nèi)的井筒圍巖、掌子面下方巖體都是純剪切塑性損傷。當井深很大時，其掌子面上方近處的井筒圍巖、掌子面下方靠近臨空面的巖體都以拉剪混合塑性損傷為主，但是其掌子面上方較遠處的井筒圍巖、掌子面下方距離臨空面較遠處的巖體則表現(xiàn)出純剪切塑性損傷特征。在井深 373m 處的V類圍巖，由于結(jié)構(gòu)面的存在，其在結(jié)構(gòu)面處表現(xiàn)出更為復雜的拉剪混合塑性損傷，而在非結(jié)構(gòu)面處繼續(xù)表現(xiàn)為純剪切塑性損傷。與V類圍巖不同的是，井深相對較小的V類圍巖掌子面下方巖體主要為拉剪混合塑性損傷，而井深較大的Ⅳ類圍巖掌子面下方巖體又表現(xiàn)出了純剪切塑性損傷的特征。從縱剖面視角觀察到的井筒圍巖塑性損傷規(guī)律與橫斷面的情況相近。

豎井井筒各監(jiān)測位巖體塑性區(qū)深度如表2所示。隨著深度增加，V，V類圍巖開挖后的豎井側(cè)壁圍巖、掌子面下方巖體的塑性區(qū)深度都會明顯增加，給施工中的圍巖穩(wěn)定性控制帶來挑戰(zhàn)。井深 350m 左右的Ⅲ類圍巖在開挖后的塑性區(qū)深度小，圍巖穩(wěn)定性控制難度較低。

4結(jié)論

本文使用FLAC3D軟件建立了滇中引水工程香爐山隧洞大直徑深豎井井筒三維數(shù)值模型。根據(jù)不同井深和圍巖類型，選取了6個監(jiān)測位，從橫斷面和縱剖面的組合視角，對施工開挖后井筒圍巖和掌子面下方巖體的變形、應力、塑性損傷特征進行了分析。主要結(jié)論如下。

（1）從變形角度來看，在沒有結(jié)構(gòu)面存在時，井筒圍巖的變形呈環(huán)狀分布，由臨空面向外，變形逐漸減小。圍巖類別越差，變形量越大且隨井深增長顯著。同時，結(jié)構(gòu)面的存在可能會使圍巖產(chǎn)生額外變形，但與結(jié)構(gòu)面相比，井深對圍巖變形的影響更為顯著。

（2）從應力角度來看，在沒有結(jié)構(gòu)面存在時，豎井并筒圍巖都處于受壓狀態(tài)且應力呈環(huán)狀分布。洞周圍巖第一主應力最大值出現(xiàn)在臨空面往外一定深度處，而第三主應力則是從臨空面往外逐漸增大。隨著井深增大，應力顯著增大。另外，結(jié)構(gòu)面的存在會使圍巖的應力呈不規(guī)則分布特征。

（3）從塑性損傷的角度看，在沒有結(jié)構(gòu)面存在時，圍巖的塑性區(qū)呈環(huán)狀分布。隨著井深的增加，V類圍巖由純剪切塑性損傷轉(zhuǎn)變?yōu)槔艋旌纤苄該p傷，但M類圍巖則始終是純剪切塑性損傷；同時，NV，V類圍巖的塑性區(qū)深度都會明顯增加，從而導致圍巖穩(wěn)定性降低。結(jié)構(gòu)面的存在會改變其周圍巖體的塑性區(qū)分布及塑性損傷類型。

（4）本文通過對該豎井圍巖應力、變形和塑性區(qū)分布進行分析，能夠為支護結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供依據(jù)，同時為今后其他類似工程提供參考。

參考文獻：

[1]ZHAO X，LI Y.Estimation of support requirement for a deep shaftat the Xincheng Goldmine，China[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2021，80（9） ：6863-68/6.

[2] ZHOU Y，LIU J，HUANGS，etal.Performance change ofshaft lining concrete under simulated coastal ultra - deep-mineenvironments[J].Constructionand BuildingMaterials，2020，230：116909.

[3] 李義華，翟志國，許維青，等.京沈客專望京隧道超深豎井施工技術(shù)革新[J].隧道建設（中英文），2022，42（8）：1482 -1490.

[4] 黃明利，姚夏壹，譚忠盛，等.富水風化花崗巖地層深豎井襯砌破壞特征研究[J].地下空間與工程學報，2022，18（增1）：433-440，447.

[5] SUNQ，MAF，GUOJ，etal.Deformationfailuremechanismofdeep vertical shaftin Jinchuanminingarea[J].Sustain-ability，2020，12（6） ：2226.

[6] 李洋洋，趙興東，代碧波，等.思山嶺鐵礦 1500m 副井基巖段井筒圍巖穩(wěn)定性分析與控制研究［J].金屬礦山，2022（11） ：64-70.

[7]謝向榮，石裕，符志遠.穿黃隧洞大型超深豎井結(jié)構(gòu)加固與防水設計[J].人民長江，2011，42（8）：21-30.

[8] 陳恩瑜，張宏山，彭會椿.陡傾不良地質(zhì)條件下大型調(diào)壓豎井開挖支護施工[J].人民長江，2014，45（1）：69-72.

[9] WALTONG，KIME，SINHAS，et al. Investigationofshaftstabilityandanisotropicdeformationinadeepshaftin Ida-ho，UnitedStatesJ].InternationalJournalofRockMechan-ics and Mining Sciences，2018，105：160-171.

[10] 朱明德，王照亞，張月征，等.基于水壓致裂法的三山島深豎井工程區(qū)地應力測量與反演分析[J].地質(zhì)力學學報，2023，29（3）：430-441.

[11] 胡向陽，胡中平.西藏扎拉水電站工程關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].水利水電快報，2024，45（6）：1-7.

[12] 羅悠，李洪濤，馮思敏，等.贊比亞下凱富峽水電站發(fā)電洞豎井開挖支護施工技術(shù)[J].水利水電快報，2023，44（增1）：22-25.

（編輯：高小雲(yún)）

Stability analysis of surrounding rock of large diameter deep shaft in complex geological belt

LIU Bo¹ ，WANG Tingyi2，WU Zhenhual （1.ChangjiangureylagDsigndResearchCod.Wuan4ohina；.WaterDersionProectCosuA ministration of Central Yunnan Province，Kunming 65oooo，China）

Abstract： Inresponse totherisk ofrock instability indeep verticalshafts crossng composite strata with complex geological conditions，basedonthelarge diameterdeep vertical shaftof Xianglushan Tunnel in theYunnanCentral Water Diversion Project，a calculation model was established using FLAC3D software.Six monitoring positions were selected toanalyze the stability of the shaft surrounding rock during the construction period.The results show that ： ① In the absence of structural planes，thedeformation，stress，andplasticzoneofthesurroundingrock weredistributedinacircularptern. The deformation of the surrounding rock gradually decreased from the free face to the deepand was in a compressed state. ② Asthe shaft depth increased，the deformation，stress，and plastic damage depth of Class IV and ∨ surrounding rocks increased significantly.The influence of shaft depth on the deformation and stress growth of Class IV and V surrounding rocks was more significant than that of structural planes. ③ For Class IV and V surrounding rocks with large shaft depths，deformation control shouldbe emphasized during construction，andthe deperthe well，the earlierthe supportandreinforcement shouldbecariedout.Meanwhile，the influenceof plastic zone depth onthestabilityof surrounding rock should be considered.The research results can provide a reference for other similar projects.

Key words： large diameter deep shaft；composite strata；water diversion tunnel； numerical simulation； surrounding rock stability；Central Yunnan Water Diversion Project