摘要：本文以某矿区竖井的支护设计为例，以有限差分数值分析软件FLAC3.3为工具，对该竖井在开挖施工过程中遇到的问题以及解决方案进行了二维数值模拟分析，以围岩收敛量、塑性区厚度和衬砌内最大主应力三个参数为衡量指标，对开挖施工中让压变形量与围岩稳定性的关系进行了初步的探讨。
关键词：数值模拟 让压变形量、围岩稳定性
中图分类号：C35 文献标识码： A
1综述
在一些地下工程的开挖过程中，一次喷砼（柔性）与二次衬砌支护（刚性）之间的时间间隔是一个很难定量分析的问题。本文尝试从变形量的角度，来分析衬砌支护时机。在保证工程要求的情况下，衬砌支护之前允许围岩进行一定的变形，以释放部分地压，使得围岩的自稳能力得到发挥。文中采用让压变形量这一名词来定义喷砼与衬砌支护之间围岩的变形量。以某矿区竖井为例，进行数值模拟计算，初步定性探讨让压变形量和围岩稳定性之间的关系。
2工程背景
2.1竖井地质情况
该竖井井深675m，井筒净直径5.3m，净断面22.062m2。围岩出露于四种主要的岩层之中。
第一层：赋存标高为1738m～1657m，岩层厚度为81m，为红色正长花岗岩，IV类，RMR=30。
2.2竖井局部加固情况概述
2.2.1竖井支护设计方案与变形情况
本文以井筒深度为650m处围岩变形支护为研究对象。该处地压较大，并且岩性较差，基本属Ⅴ类围岩。该处支护均采用两次支护。一次支护为喷锚网支护，喷层厚100mm，二次为C30～C40钢筋混凝土衬砌。
2.2.2竖井稳定性影响因素分析
由于井筒工程不受采矿工程的影响，所以，井筒稳定性影响因素除围岩地质条件外，还包括应力环境和工程因素等。
（1）竖井围岩应力环境
竖井稳定性显然受开挖产生的次生应力的影响。井筒开挖后的次生应力又与矿区的构造应力密不可分。根据金川矿区地应力测试结果，矿区存在较大的水平构造应力，而中间主应力一般为自重应力，即σ2=γH。而最大和最小主应力σ1和σ3为近似于水平。显然，随着深度的增加，不仅中间主应力随深度的增加而增加，而水平主应力之差也随之增大，导致井筒围岩应力随深度增加，产生不利于井筒稳定的应力环境，即使具有相同地质条件，深部井筒的稳定性也逐渐减小，而变形破坏的可能性在加大。
根据岩石力学理论可知，对于静水应力场，圆形断面是受力最佳的几何形状。在此情况下，围岩和支护结构全部处于受压状态，因此，围岩和支护体的抗压强度控制井筒的稳定性。对于具有两个不等主应力应力的水平构造应力场，井筒的状态受控于两个水平主应力之差（σ1-σ3），此差值越大越不利于井筒的稳定，在此情况下，衬砌受剪切破坏。
（2）竖井施工与支护形式
井筒二次支护施工时机与支护类型对工程的稳定性也产生影响，尤其对于深部以变形地压为主的挤压破碎岩层，采取柔性支护和适当让压（释放位移）可以取得较好的稳定效果。但当围岩位移得不到有效控制，可能导致垮冒。因此必须根据井筒的岩层变形特性以及应力环境，采取相适应的支护形式和支护工艺。
3竖井井筒支护体系稳定性二维数值分析
3.1计算模型及参数的选择
采取垂直于井筒深度的水平剖面作为计算模型，将其简化为平面应变问题进行分析。计算参数如表1所示。
表 1 计算参数
3.2竖井围岩变形让压效果分析
表 2 不同让压变形量对竖井变形的计算结果（衬砌厚度δ=400mm）
图1 深部H=650m水平断面围岩位移释放量（让压变形量）与应力及变形的关系曲线
根据表2和图1的结果，可以获得如下几点认识：
（1）随着释放变形量的增加，围岩收敛量随之近于线性增加，而衬砌收敛量则近于线性减小。可见，释放变形进行让压，可以减小衬砌的收敛量。
（2）随着释放变形量的增加，围岩塑性区范围先线性增加，在达到某一量值（图1b，70mm）后，塑性区范围急剧加大。由此可见，通过适当让压（释放变形小于70mm），可将提高围岩的自承能力，但让压释放的变形过大（超过70mm），塑性急剧扩大，导致围岩不仅稳定性降低，而且围岩塑性变形加大，减小竖井使用空间。
（3）从图1c也可发现，随着释放变形量的增加，衬砌中的最大主应力也随之减小。但是随着释放变形量的增加，衬砌中最大主应力的减小速率不断减低。
为更清楚地了解释放变形量对围岩稳定状态的影响，图2a～d给出了不同让压所释放变形所对应的围岩塑性区范围（图中浅灰色区域的围岩曾经屈服过，而后恢复弹性状态；深灰色为正处于屈服破坏的围岩区域）。 a： u=0mm b ：u=50mm
c：u=100mm d：u=150mm
图2 让压释放变形时的围岩塑性区分布图（u为让压变形）
比较上述的四种不同的让压情况所显示的围岩塑性区分布图，可以获得如下几点结论：
（2）当让压所释放变形为50mm（图2b）时，围岩的塑性区分布较为均匀，且围岩在应力作用过程中所产生的部分瞬时屈服围岩（浅灰色区域）得到应力的调整和恢复到弹性状态，仅在竖井周边较均匀分布有处于正在剪切破坏的区域。显然，此种释放量缓解了围岩中的应力集中状态，利于围岩的稳定。
4结论
1、本文中采用让压变形量来代表地压释放，初步探讨了两者之间的对应关系，由于现在并没有相关的公认标准，因此这一探讨在岩土工程数值分析领域具有一定的积极意义。
2、对竖井井筒支护体系进行稳定性数值分析，主要考虑围岩收敛量、塑性区厚度和衬砌内最大主应力三个量作为判定支护体系稳定性的指标，能够正确的反映出现实施工中遇到的问题。
3、让压变形量这个概念可以广泛应用到基坑、边坡、隧道等地下工程中，选择合适的让压变形量，即合适的支护时机，可以最合理的发挥围岩自稳能力，从而降低工程造价。
