采用PHASE2軟件的隧洞一次支護數值模擬與分析

劉 卓，穆全平

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

隧洞在施工過程中，當圍巖條件較差時，需要采取一次支護措施以保證安全，如布置錨桿、噴混凝土、鋼筋掛網、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，遵守相關規范，結合地形地質條件等因素進行分析來確定。張雷［1］運用FLAC3D 研究錨索長度對軟巖輸水隧洞支護的影響，從而給出了錨索的合理長度。陳虹宇［2］在考慮隧洞支護作用的情況下， 采用平面線彈性的問題假定，選取使支護內邊界上的切向應力最小的優化準則，尋求最優的支護斷面形狀，所得最優斷面的內邊界可使應力集中最小，從而使隧洞襯砌的應力狀態得到最大限度地改善。 李燕波［3］應用ANSYS Workbench 軟件建立了熱-結構耦合分析模型分析了高地熱、高地應力、地震等荷載作用的條件下,地震位移響應與襯砌厚度的關系，并發現當襯砌厚度較大時， 支護結構可能與地震發生較大的響應，不利于結構的穩定性。張振杰［4］對ABAQUS 進行二次開發進行高外水作用下大埋深隧洞的圍巖穩定分析。PHASE2 是Rocscience 公司開發的巖土系列專業分析軟件之一，是一款功能強大的巖土工程彈塑性有限元分析軟件，被廣泛應用于地表或地下開挖的支護設計、邊坡穩定分析、地下水滲流分析等領域。PHASE2 可提供全面的支護結構類型模擬，如噴射混凝土、混凝土、鋼支架系統、樁、多層復合襯砌、土工織物等，其本構模型包括Mohr-Coulomb、廣義Hoek-Brown 和劍橋模型， 允許用戶自行定義基于統計學模型的節理裂隙網絡，只需輸入相關統計參數，軟件會自動生成節理網絡。本文將采用PHASE2軟件對某引調水工程處于V 類圍巖內的隧洞進行數值模擬計算， 分析其在一次支護前后的穩定狀態，以驗證支護措施的有效性，保證施工安全。

1 工程概況

四川省某引調水隧洞設計流量141 m3/s，縱剖為0.1%，隧洞為圓形斷面，內徑為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，巖性為斜長花崗巖，考慮隧洞的使用要求、水力條件、結構受力要求并兼顧施工方便，隧洞斷面采用圓形斷面形式，內徑為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 對隧洞開挖后的斷面進行模擬分析， 以驗證其在施工過程中的穩定性。

圖1 隧洞洞線示意圖

2 數值模型建立

2.1 材料本構模型

PHASE2 提供巖土工程中常用的多種本構模型，本文采用摩爾-庫倫破壞準則對圍巖進行非線性模擬。 摩爾-庫倫材料采用的是不相適應的流動法則，并且認為其具有理想塑性屈服特性。摩爾-庫倫材料的屈服函數為：

相應的塑性勢函數為：

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 時刻的第一應力不變量；為t時刻的第二偏應力不變量；為t 時刻的第三偏應力不變量。摩爾-庫倫屈服函數的空間曲面如圖2。

圖2 摩爾-庫倫模型的空間屈服面

2.2 計算模型及參數

假定巖石為均質巖體， 避免周邊約束對隧洞計算結果的影響，隧洞四周分取3 倍的洞徑。計算模型如圖3。依據地質工程師提供資料，模型中參數取值如下：巖體天然密度2.3 g/cm3，黏聚力0.1 MPa，內摩擦角25°，彈性模量1.0 GPa，泊松比0.37，抗拉強度0.3 MPa， 初始地應力σ1，σ3，σz分別取為45 MPa、37 MPa、50 MPa。

圖3 隧洞一次開挖支護計算模型

3 數值模擬分析

3.1 未采取支護措施數值分析結果

在未采取一次支護措施的情況下， 對隧洞進行開挖后的數值分析10000 步后計算仍未收斂， 此時圍巖總位移圖及其塑性屈服區分布圖如圖4 及圖5。可見在未采取一次支護措施時，由于圍巖較為破碎，力學參數較低，使得圍巖最大位移已達4.08 m 且未收斂，而根據SL377—2007《水利水電工程錨噴支護技術規范》［3］規定，當隧洞埋深大于300 m 時，V 類圍巖的洞周允許相對收斂量為1%～3%， 如表1 所示。因此在此情況下，隧洞變形遠超規范要求，隧洞實際上已屈服坍塌。從塑性破壞角度來看，在未采取一次支護措施時， 隧洞3 倍洞涇范圍內的圍巖已完全發生塑性破壞。

表1 允許變形標準值(%)

圖4 未采取支護措施圍巖總位移

圖5 未采取支護措施圍巖塑性屈服區

3.2 采取支護措施數值分析結果

擬采取支護措施如下：①全斷面范圍：初噴混凝土t=100 mm, 掛網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°范圍內另設如下措施：巖石錨桿直徑25 mm，長度6 m，間、排距1.0 m，交錯布置。支護后的圍巖總位移圖及其塑性屈服區分布如圖6 和圖7。 可見在采取擬定的支護措施后，最大位移值為0.106 m，相對收斂值為2.01%，滿足一次支護穩定要求，且未發生塑性破壞，可見錨桿、 掛網噴混凝土及鋼拱架等一次支護措施在保持隧洞穩定發揮了較大的作用。

圖6 采取支護措施后圍巖總位移

圖7 采取支護措施后圍巖塑性屈服區

4 結語

本文基于PHASE2 軟件對四川省某引調水工程中處于V 類圍巖的隧洞進行了模擬分析，結果表明：若不采取支護措施，由于圍巖較為破碎，力學參數較低，隧洞圍巖最大位移達到4 m 以上且未收斂，開挖后將發生坍塌破壞；在采取擬定的措施后，圍巖最大位移為0.106 m，相對收斂為2.01%，且不發生塑性破壞，滿足一次支護穩定要求。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指標，進而影響穩定；并盡量縮短施工開挖、一次支護措施之間的施工間隔，使支護盡早發揮作用，保證工程安全。