采用PHASE2軟件的隧洞一次支護(hù)數(shù)值模擬與分析

劉 卓，穆全平

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

隧洞在施工過程中，當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，需要采取一次支護(hù)措施以保證安全，如布置錨桿、噴混凝土、鋼筋掛網(wǎng)、鋼拱架、鋼格柵等多種形式，其選取需基于隧洞的型式與尺寸，遵守相關(guān)規(guī)范，結(jié)合地形地質(zhì)條件等因素進(jìn)行分析來確定。張雷［1］運(yùn)用FLAC3D 研究錨索長(zhǎng)度對(duì)軟巖輸水隧洞支護(hù)的影響，從而給出了錨索的合理長(zhǎng)度。陳虹宇［2］在考慮隧洞支護(hù)作用的情況下， 采用平面線彈性的問題假定，選取使支護(hù)內(nèi)邊界上的切向應(yīng)力最小的優(yōu)化準(zhǔn)則，尋求最優(yōu)的支護(hù)斷面形狀，所得最優(yōu)斷面的內(nèi)邊界可使應(yīng)力集中最小，從而使隧洞襯砌的應(yīng)力狀態(tài)得到最大限度地改善。 李燕波［3］應(yīng)用ANSYS Workbench 軟件建立了熱-結(jié)構(gòu)耦合分析模型分析了高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、地震等荷載作用的條件下,地震位移響應(yīng)與襯砌厚度的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)襯砌厚度較大時(shí)， 支護(hù)結(jié)構(gòu)可能與地震發(fā)生較大的響應(yīng)，不利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。張振杰［4］對(duì)ABAQUS 進(jìn)行二次開發(fā)進(jìn)行高外水作用下大埋深隧洞的圍巖穩(wěn)定分析。PHASE2 是Rocscience 公司開發(fā)的巖土系列專業(yè)分析軟件之一，是一款功能強(qiáng)大的巖土工程彈塑性有限元分析軟件，被廣泛應(yīng)用于地表或地下開挖的支護(hù)設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定分析、地下水滲流分析等領(lǐng)域。PHASE2 可提供全面的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型模擬，如噴射混凝土、混凝土、鋼支架系統(tǒng)、樁、多層復(fù)合襯砌、土工織物等，其本構(gòu)模型包括Mohr-Coulomb、廣義Hoek-Brown 和劍橋模型， 允許用戶自行定義基于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型的節(jié)理裂隙網(wǎng)絡(luò)，只需輸入相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，軟件會(huì)自動(dòng)生成節(jié)理網(wǎng)絡(luò)。本文將采用PHASE2軟件對(duì)某引調(diào)水工程處于V 類圍巖內(nèi)的隧洞進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算， 分析其在一次支護(hù)前后的穩(wěn)定狀態(tài)，以驗(yàn)證支護(hù)措施的有效性，保證施工安全。

1 工程概況

四川省某引調(diào)水隧洞設(shè)計(jì)流量141 m3/s，縱剖為0.1%，隧洞為圓形斷面，內(nèi)徑為8 m。隧洞沿線山體雄厚，谷坡陡峻，穿越多條沖溝，洞室垂直埋深一般400～1700 m，最大埋深約1850 m，部分洞段圍巖類別為V 類，巖性為斜長(zhǎng)花崗巖，考慮隧洞的使用要求、水力條件、結(jié)構(gòu)受力要求并兼顧施工方便，隧洞斷面采用圓形斷面形式，內(nèi)徑為8 m，開挖外徑10.4 m，縱剖為0.1%。本文將綜合考慮圍巖巖性、隧洞埋深等條件， 選取最不利斷面基于PHASE2 對(duì)隧洞開挖后的斷面進(jìn)行模擬分析， 以驗(yàn)證其在施工過程中的穩(wěn)定性。

圖1 隧洞洞線示意圖

2 數(shù)值模型建立

2.1 材料本構(gòu)模型

PHASE2 提供巖土工程中常用的多種本構(gòu)模型，本文采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則對(duì)圍巖進(jìn)行非線性模擬。 摩爾-庫(kù)倫材料采用的是不相適應(yīng)的流動(dòng)法則，并且認(rèn)為其具有理想塑性屈服特性。摩爾-庫(kù)倫材料的屈服函數(shù)為：

相應(yīng)的塑性勢(shì)函數(shù)為：

式中φ 為材料的摩擦角；C 為材料的黏聚力；ψ 為材料的膨脹角；為t 時(shí)刻的第一應(yīng)力不變量；為t時(shí)刻的第二偏應(yīng)力不變量；為t 時(shí)刻的第三偏應(yīng)力不變量。摩爾-庫(kù)倫屈服函數(shù)的空間曲面如圖2。

圖2 摩爾-庫(kù)倫模型的空間屈服面

2.2 計(jì)算模型及參數(shù)

假定巖石為均質(zhì)巖體， 避免周邊約束對(duì)隧洞計(jì)算結(jié)果的影響，隧洞四周分取3 倍的洞徑。計(jì)算模型如圖3。依據(jù)地質(zhì)工程師提供資料，模型中參數(shù)取值如下：巖體天然密度2.3 g/cm3，黏聚力0.1 MPa，內(nèi)摩擦角25°，彈性模量1.0 GPa，泊松比0.37，抗拉強(qiáng)度0.3 MPa， 初始地應(yīng)力σ1，σ3，σz分別取為45 MPa、37 MPa、50 MPa。

圖3 隧洞一次開挖支護(hù)計(jì)算模型

3 數(shù)值模擬分析

3.1 未采取支護(hù)措施數(shù)值分析結(jié)果

在未采取一次支護(hù)措施的情況下， 對(duì)隧洞進(jìn)行開挖后的數(shù)值分析10000 步后計(jì)算仍未收斂， 此時(shí)圍巖總位移圖及其塑性屈服區(qū)分布圖如圖4 及圖5。可見在未采取一次支護(hù)措施時(shí)，由于圍巖較為破碎，力學(xué)參數(shù)較低，使得圍巖最大位移已達(dá)4.08 m 且未收斂，而根據(jù)SL377—2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》［3］規(guī)定，當(dāng)隧洞埋深大于300 m 時(shí)，V 類圍巖的洞周允許相對(duì)收斂量為1%～3%， 如表1 所示。因此在此情況下，隧洞變形遠(yuǎn)超規(guī)范要求，隧洞實(shí)際上已屈服坍塌。從塑性破壞角度來看，在未采取一次支護(hù)措施時(shí)， 隧洞3 倍洞涇范圍內(nèi)的圍巖已完全發(fā)生塑性破壞。

表1 允許變形標(biāo)準(zhǔn)值(%)

圖4 未采取支護(hù)措施圍巖總位移

圖5 未采取支護(hù)措施圍巖塑性屈服區(qū)

3.2 采取支護(hù)措施數(shù)值分析結(jié)果

擬采取支護(hù)措施如下：①全斷面范圍：初噴混凝土t=100 mm, 掛網(wǎng)φ6@150*150, 鋼拱架30 b， 間距1.0 m，再噴混凝土t=300 mm。②上頂拱270°范圍內(nèi)另設(shè)如下措施：巖石錨桿直徑25 mm，長(zhǎng)度6 m，間、排距1.0 m，交錯(cuò)布置。支護(hù)后的圍巖總位移圖及其塑性屈服區(qū)分布如圖6 和圖7。 可見在采取擬定的支護(hù)措施后，最大位移值為0.106 m，相對(duì)收斂值為2.01%，滿足一次支護(hù)穩(wěn)定要求，且未發(fā)生塑性破壞，可見錨桿、 掛網(wǎng)噴混凝土及鋼拱架等一次支護(hù)措施在保持隧洞穩(wěn)定發(fā)揮了較大的作用。

圖6 采取支護(hù)措施后圍巖總位移

圖7 采取支護(hù)措施后圍巖塑性屈服區(qū)

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于PHASE2 軟件對(duì)四川省某引調(diào)水工程中處于V 類圍巖的隧洞進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果表明：若不采取支護(hù)措施，由于圍巖較為破碎，力學(xué)參數(shù)較低，隧洞圍巖最大位移達(dá)到4 m 以上且未收斂，開挖后將發(fā)生坍塌破壞；在采取擬定的措施后，圍巖最大位移為0.106 m，相對(duì)收斂為2.01%，且不發(fā)生塑性破壞，滿足一次支護(hù)穩(wěn)定要求。需注意施工期間需要做好排水措施， 避免巖體遇水而降低物理力學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而影響穩(wěn)定；并盡量縮短施工開挖、一次支護(hù)措施之間的施工間隔，使支護(hù)盡早發(fā)揮作用，保證工程安全。