近年来，随着西部开发的不断推进，我国资源开发利用率越来越高，资源开采难度也随之加大，越来越多的工程项目在复杂地质条件下修建（Fan et al.，2020；李廷春等，2004；Wu et al.，2021）。冰碛层是我国西部地区广泛分布的一种特殊的岩土材料，近年来在该类土体上的施工项目越来越多。相比一般的围岩结构，冰碛层土体基本由碎屑物构成，岩块大小组成复杂，围岩多呈软塑状态，固结程度低，土体稳定性极差，且冰碛层多为富水土层，孔隙水压力较大，一般的竖井施工方法难以适用。因此，模拟冰碛层土体条件下各类竖井施工方法的开挖过程，对比竖井施工过程围岩土体变形规律，对于提高竖井施工效率及安全性具有重要意义。

目前诸多学者对竖井施工过程及施工方法开展了不同程度的研究。Klrkbride（2002）根据太沙基理论和弹塑性理论，分析了竖井侧壁围岩应力分布状态。Guz（2003）通过理论分析和实验论证方法，分析了竖井施工过程中的围岩变形机理，进而提出了竖井侧壁围岩稳定性分析评价方法。李康等（2020）以三山岛金矿新立矿区为工程背景，分析了竖井施工过程中的围岩变形过程，提出了锚注型壁座联合加固方法，结果表明该加固方式对破坏区域起到有效的支护作用。徐士良等（2009）以秦岭公路隧道工程为例，分析了岩爆对竖井施工过程的影响，开展了室内岩石单轴压缩变形试验和物理模型试验，归纳总结了岩爆发生机理及其规律，在此基础上提出了竖井岩爆预测和防治措施。李孟等（2017）运用有限元增量法，模拟了湛江湾跨海隧道竖井施工过程，对比分析了模拟结果与实际测量数据，得出支护结构水平位移及受力规律，指明了竖井施工过程中危险性最高的工况。王海林等（2008）分析了竖井气压沉箱法对周边土体的影响程度，结合数值模拟和现场监测结果，得到了以气压沉箱法施工周边地面沉降的影响范围，进而确定了水平位移的分布形式。

上述学者对竖井开挖过程进行了研究，并取得了若干研究成果，但是研究内容主要针对竖井开挖过程中的支护结构，并未考虑不同施工方案对竖井围岩稳定性的影响，且多数研究没有综合考虑含水土层孔隙水压力对应力和应变场的影响。鉴于此，以四川凉山小麻柳尾矿库8#竖井工程为例，采用有限差分软件FLAC^3D模拟竖井开挖过程，分析竖井施工过程中周边围岩渗流场变化特征、土体应力、应变及土体变形规律，对比分析不同竖井施工方法的特征（白铭海等，2015；胡中福等，2004；杨继华等，2018；蒋中明等，2014；李孜军等，2021），得出适用于冰碛层土体条件下的竖井施工方案。

小麻柳尾矿库8#竖井位于第四系下更新二期以冰碛层为主的地质结构，竖井井底标高为1 651.044 m，井口标高为1 766.810 m，总深度约为116 m，竖井开挖直径为2.5 m。开挖土层主要划分为3个部分：（1）砾砂土层；（2）中、强风化玄武岩；（3）冰碛层土体（冰川、冰水堆积层）。其中，标高在1 717 m以下部分为冰碛层，其内部以冰川融水为主要应力，旁侧含透水岩层，地下径流受冰碛物阻隔，汇集较丰富的地下水，成为富水性良好的含水层，竖井开挖区域为冰碛层土层富水侧。为简化分析过程，将各土层视为均质分布，各土层厚度分别为10，40，66 m，土层分布示意图如图1所示。

为探究不同竖井施工方法对冰碛层围岩稳定性的影响，分别模拟了正掘法、全断面反井法和反井导洞扩挖法3种施工方案的竖井施工过程。各类施工方法的具体施工程序如下：

（1）正掘法是自上而下完成开挖过程，以1.2 m为开挖循环，在砾砂土层及中、强风化玄武岩土层内，完成一循环的开挖工作后，及时进行衬砌支护，待竖井侧壁围岩稳定后，再开始下一循环的开挖工作；在冰碛层土体施工前，需先排水，待排至掌子面以下1.2 m处，再进行开挖和支护工作。

（2）全断面反井法的施工过程划分为2个部分（毛光宁，1994）。第一部分是导孔开挖，沿竖井中心线位置，以反井钻机自上而下开挖半径为0.235 m的导孔，当反井钻机钻头自竖井顶端开挖至底端后，在竖井底部更换半径为2.5 m的扩孔钻头，再自下而上进行扩孔开挖，待反井钻机钻头提升至竖井顶端后，即刻进行支护，竖井一次施工成型。

（3）反井导洞扩挖法是正掘法与全断面反井钻法相结合的施工方法（汤正等，2019），其施工过程划分为3个部分。首先，利用反井钻机沿竖井中心线自上而下开挖半径为0.235 m的导孔；其次，在竖井底部更换半径为1.2 m的扩孔钻头，待反井钻头提升至竖井顶端后，进行初期支护；最后，待扩孔初期支护完成后，再通过正掘法的施工方式自上而下以1.2 m为施工循环，将竖井直径由1.2 m扩挖至2.5 m，待开挖完成后及时进行二次衬砌支护。

在竖井施工过程中，经过砾砂层、中、强风化玄武岩及冰碛层土体，只有冰碛层土体为富水土层，故仅在冰碛层土体施工过程中考虑地下水控制。由于竖井深度较大且土体富水性较好，以喷射注浆桩作为防水墙的控制方案，其成本较高且周期长，因此在考虑地下水控制方面，主要对竖井侧壁孔隙潜水进行集中处理，以减弱孔隙潜水对施工过程的影响。

竖井侧壁孔隙潜水一般有2种存在方式：一是竖井侧壁存在主要出水点，水流横截面较大，对于这类孔隙潜水，采用外接软管的方式，将侧壁主要出水点的地下水引至井底集水箱；二是竖井侧壁地下水大面积呈雨滴状从块石和含块石砂质粉土层中渗出，对于这类孔隙潜水，一般在竖井侧壁开凿导流槽，将侧壁滴水引流至井底集水箱。上述2类孔隙潜水处理方式示意图如图2所示。

竖井支护采用格栅拱架+锚网喷砼联合支护方式，每次完成竖井一个步长的开挖后，即刻进行施工竖井支护，因此土体的应力释放过程只进行一部分，便进入与支护结构共同作用阶段。每次完成竖井支护后，支护区域位移变化减小，达到应力平衡状态。

竖井结构简化为圆筒模型，竖井开挖影响区域选取开挖尺寸的8倍（余成华等，2010；郑斌等，2020；高彦斌等，2020），土体底部边界距竖井底部20 m。为了提高模型的计算效率，根据对称性原则，选择沿垂直水平面方向竖井纵向剖切面作为研究对象进行数值分析，数值模型长度为40 m、宽度为20 m、高度为136 m，整个三维计算模型划分为217 600个单元，单元节点数量为229 473个。模型力学边界条件：前、后、左、右边界条件法向方向约束，底部为全约束边界；渗流边界条件：底部固定水压边界，其余为隔水边界；根据实际工程情况，围岩水平方向应力取竖直方向应力的0.4386倍。三维数值计算模型如图3所示。

在模拟实际竖井施工过程中，围岩力学参数的准确性是影响数值计算结果的重要因素。为提高数值模拟结果的准确性，从四川小麻柳尾矿库8#竖井施工区域选取相应围岩岩样加工打磨成标准试件，采用Instron 刚性液压伺服材料试验机进行三轴试验，测定力学参数。围岩样品及三轴试验设备如图4所示。

由于现场岩体工程力学特性与实验室室内力学试验结果差异较大，室内试验结果不能直接用于数值模拟计算，需先进行折减处理。力学参数以Hoek-Brown法进行折减，折减结果见表1。

竖井支护采用格栅拱架+锚网喷砼联合支护方式，以壳形结构单元模拟支护结构，支护结构主要为C30混凝土。根据工程实测数据，壳单元材料属性取各项同性材料，弹性模量为10.5e9 Pa，泊松比为0.25，密度为2 600 kg/m³，支护结构混凝土厚度为0.5 m。

竖井开挖过程模拟主要包括初始应力场、开挖和支护等程序。初始应力场忽略构造应力作用，仅考虑围岩体自重应力作用，随着土体的开挖，原有初始应力平衡状态被打破，在竖井开挖区域会产生临空面，周边土体有向竖井开挖区域移动的趋势。在土体间作用力条件下，竖井开挖区域应力状态逐渐趋于平衡，重新达到应力平衡状态。对于土体开挖过程的模拟，以空单元赋值模拟开挖情况，通过null命令流实现。竖井支护采用格栅拱架+锚网喷砼联合支护方式，以壳结构单元进行模拟，每次完成竖井一个步长的开挖后，即刻进行施工竖井支护，因此土体的应力释放过程只进行一部分，便进入与支护结构共同作用阶段。每次完成竖井支护后，支护区域位移变化减小，达到应力平衡状态。

本研究参照实际施工过程，以短掘短支的开挖方式进行施工，以1.2 m为单位步长进行循环施工，掘进总循环共计97个。其中，前41个施工循环内为砾砂土层以及中、强风化玄武岩土层施工，周期内施工包括初始地应力、开挖、支护和地应力再平衡等子步骤。后56个施工循环内为冰碛层土层施工，由于冰碛层为富水性良好的含水层，因而在进行支护作业前需先对竖井侧壁孔隙潜水进行处理。开挖后，以图2所示的地下水控制方案将竖井侧壁潜水集中至底部水箱内再进行支护作业，孔隙潜水渗流时间约为12 h，为简化模拟过程同时提高计算效率，排水和支护作业分为2个阶段，分别进行单渗流计算和单力学计算。

本研究在控制其他因素条件不变的情况下，分别模拟了正掘法、全断面反井法和反井导洞扩挖法（以下简称为方案A、方案B和方案C）竖井施工过程，考虑了开挖完成后渗流场状态、应力场状况、围岩变形情况及塑性区分布情况，对比分析了3类竖井施工方式的效果。

采用正掘法（方案A）、全断面反井法（方案B）和反井导洞扩挖法（方案C）施工竖井，开挖完成后各方案的渗流场孔隙水压力分布状况如图5所示。

由图5可以看出，3类竖井施工方法孔隙水压力分布状况类似。相比全断面反井法施工，正掘法和反井导洞扩挖法的施工排水效果较好，竖井侧壁处附近孔隙水压力较小，其主要原因在于正掘法和反井导洞扩挖法的施工周期较长，地下水渗流效果较好，在自上而下施工过程中，进行每一循环支护作业前，均先进行排水处理，降低孔隙潜水对施工过程的影响，因此在开挖过程中地下水能充分排出，竖井侧壁孔隙水压力较低。相比之下，全断面反井法的竖井施工周期较短，导孔施工完成后竖井一次施工成型，地下水渗流时间较短，积聚在土体内难以完全排出，因此竖井侧壁附近处孔隙水压力较大。

各类竖井施工方案应力场分布情况如图6所示。其中，图6（a）为竖向应力随竖井深度变化图，图6（b）为侧向应力随竖井深度变化图。

由图5可知，全断面反井法的施工周期短，应力释放不充分，因此竖向应力值较小，但由于施工作业一次性完成，支护作业有滞后性，故侧向应力值较大。正掘法和反井导洞扩挖法以1.2 m循环施工，单个循环施工后及时进行支护作业，支护效果较好，竖井侧向应力值相应较小，但由于施工周期较长，竖井侧壁围岩应力释放较为充分，故竖向应力值较大。

通过对比图6中竖井侧壁应力分布变化规律可知，在砾砂土层及中、强风化玄武岩土层内，3类竖井施工方法应力分布状况相差较小。但在冰碛层土体内，由于孔隙潜水的影响，全断面反井法（方案B）的竖向应力波动较大；正掘法（方案A）因自上而下进行开挖工作，应力释放较缓，在工作面处应力集中，故在底部区域竖向应力及侧向应力均出现较大波动；反井导洞扩挖法（方案C）的排水较充分，降低了孔隙潜水对应力分布的影响，同时在导孔扩孔施工后，围岩应力释放充分，竖井底部应力波动较小，故应力分布较为均匀，随着竖井深度的增加应力值近乎呈线性增加。

竖井侧壁围岩竖直方向位移变形情况如图7所示。由图7可知，砾砂土层及中、强风化玄武岩土层内，围岩竖向位移较小，均小于0.015 m。当进入冰碛层土体内之后，由于正掘法（方案A）施工周期较长，竖井侧壁围岩应力充分释放，竖向位移较大，在竖井底部达到最大值0.06 m；全断面反井法（方案B）的施工周期较短，围岩竖向应力释放不充分，竖向位移较小，但受孔隙潜水的影响，全断面反井法在冰碛层内竖向位移发生波动，竖向位移在竖井底部达到最大值0.04 m；反井导洞扩挖法（方案C）在开挖后及时进行支护，对围岩扰动较小，竖向位移最小，但由于冰碛层围岩力学参数较差，故竖向位移存在较大波动。

竖井侧壁围岩水平方向位移变形情况如图8所示。正掘法（方案A）和反井导洞扩挖法（方案C）在施工后及时进行支护作业，支护效果较好，竖井侧向位移较小，而全断面反井法（方案B）的支护作业效果较差，故侧向位移较大，与图8变化规律一致。在冰碛层土体内，由于力学强度较低，3类施工方法的侧向位移均随竖井深度的增加而增大，其中全断面反井法变化最显著，在竖井底部侧向位移达到最大值，约为0.09 m。

竖井施工完成后围岩塑性破坏区分布情况如图9所示。由图9可知，3类施工方法中全断面反井法（方案B）的塑性区体积最大，正掘法（方案A）和反井导洞扩挖法（方案C）的排水较充分且支护作业效果较好，对围岩扰动较低，故塑性区体积也相应较小。综合来看，围岩力学参数是影响塑性区分布的主要因素，由于冰碛层力学强度较低，因此3类施工方法在冰碛层区域均产生了较大塑性区，随着竖井深度的增加，竖井侧壁围岩应力及变形相应增大，塑性区体积也会随之增加，形成“葫芦形”分布情况。同时，全断面反井法施工过程对围岩扰动较大，在砾砂土层围岩性质较差的区域产生了相应的塑性区。

由上述分析可知，采用全断面反井法进行施工时，竖井侧壁竖向应力及变形较小，但侧向应力及位移较大，且渗流场及塑性区分布情况较差；采用正掘法和反井导洞扩挖法进行施工时，竖井侧壁侧向应力及位移较小，渗流场和塑性区分布形式较好。综合考虑上述影响因素，对比各类施工方法的优劣，采用CRITIC算法计算上述各因素指标权重，得到适用于冰碛层土体竖井施工的最佳方案，表2所示为各施工方案初始因素数据。

对表2中各列数据进行归一化处理，计算公式为x-xmin/xmax-xmin，其中xmax为对应列数据最大值，xmin为对应列数据最小值，数据归一化后消除量纲影响。采用CRITIC算法对归一处理后数据进行分析，所得各评价指标权重结果如表3所示。

根据表3中的各评估指标权重，可综合计算各施工方案总评估分数，上述各项指标均为逆向指标，故总评估分数越低，表明施工方案越优，正掘法、全断面反井法和反井导洞扩挖法的总评估分数分别为0.502、0.554和0.353。结合上述数值模拟和评估结果，得到3类竖井施工方法中，反井导洞扩挖法的施工效果最佳，在冰碛层土体内竖井侧壁孔隙水压力较小，围岩变形较小，处于可控范围内，适用于冰碛层土体内施工。

根据理论分析和数值模拟结果，小麻柳尾矿库8#竖井采用反井导洞扩挖法进行施工，砾砂土层及中、强风化玄武岩土层施工作业较为顺利。当开挖至冰碛层段时，由于冰碛层力学强度较低，竖井侧壁围岩位移较大，竖井侧壁围岩局部发生坍塌，堵塞中心孔。为保证竖井作业的顺利进行，对垮塌段灌注混凝土，以提高周边围岩力学强度，待加固完成后在混凝土浇筑段沿原开挖方向继续进行施工作业，图10所示为竖井垮塌段施工示意图。

除中、强风化玄武岩与冰碛层接壤段发生局部垮塌外，其余段竖井施工作业顺利进行，未发生任何不良影响，竖井侧壁未发生明显变形，整体性良好，与数值模拟结果一致。

采用有限差分软件FLAC^3D模拟了冰碛层土体条件下竖井开挖过程，对比分析了不同竖井施工方法的施工效果。通过将模拟计算结果运用于指导现场施工，取得了良好的施工效果，施工效率提高了约30%，施工过程中未发生工程事故，完成了既定的施工目标。主要结论如下：

（1）由冰碛层土体内竖井施工过程的竖直模拟及实际工程应用效果可知，在弱固结富水土体内的施工过程中，全断面反井法的施工效果较差，位移最大值达0.088 m，难以达到施工要求的效果；正掘法施工效果优于全断面反井法，其围岩变形量最大为0.059 m；反井导洞扩挖法的施工效果最好，竖井侧壁围岩变形量小于0.038 m，能够较好地适用于此类土体条件下的竖井施工。

（2）冰碛层土体内地下水对围岩和支护结构的受力及变形情况影响明显，尤其是对于水平方向应力场及围岩变形影响较大。采用全断面反井法进行施工时，由于施工周期较短，土体内地下水未完全排出，竖井侧壁围岩孔隙水压力较大，计算得到的应力场及围岩变形情况在冰碛层变化明显，与砾砂土层及中、强风化玄武岩应力场及围岩变形分布情况相差较大。因此，在含地下水区域进行施工过程中，应在施工前对地下水进行处理，降低其对施工过程中竖井侧壁围岩稳定性的影响。

（3）施工完成后应尽快施加衬砌，使围岩与支护结构进入共同作用阶段。短掘短支的开挖方式能够缩短作业完成后围岩暴露时间，提高围岩的自撑能力，保证施工过程中的安全和工程质量。

（4）竖井施工过程中，在竖井底部掌子面处易产生剪切破坏区，施工完成后应加强对竖井底部掌子面处的支护，防止其产生较大的剪切破坏区，影响竖井的正常使用。

（5）综合考虑应力、应变及塑性区结果，采用CRITIC算法评价3类竖井施工方案，得出反井导洞扩挖法在冰碛层土体内施工效果最佳，能够满足实际工程项目的要求。