隧洞软岩高外水洞段支护结构稳定应力分析

丁佳峰 孙其臣 何晓萌

隧洞软岩高外水洞段支护结构稳定应力分析

丁佳峰 孙其臣 何晓萌

采用ANSYS和PHASE2相结合的方法对隧洞软岩高外水洞段进行有限元计算，包括渗流计算和支护结构稳定应力分析。利用了ANSYS软件中三维考虑排水管排水效果的渗流场计算的优势，又结合了PHASE2程序对隧洞开挖计算的专业性，使存在外水软岩洞段支护结构稳定计算更简便，结果安全可靠，可为高外水隧洞考虑排水效果支护的设计和施工提供参考。

ANSYS PHASE2 支护 稳定

地下隧洞由于施工开挖卸载、地应力释放和地下水的影响，将产生应力重分布和渗流重分布，从而危及围岩的稳定性。地下岩体的稳定分析一直是工程地质和岩体力学非常重要的研究课题。支护结构对隧洞围岩稳定性起着非常重要的作用，故保证支护结构的稳定性是确保围岩稳定的主要因素。本文中采用ANSYS软件模拟渗流场，用“空气单元法”模拟排水管，即在正常作用下的排水孔实际是一个充满空气的中空的柱状体，也可以把它看作是比一般渗流介质的渗透性大得多的特殊介质。这样，就可以用一定的渗透系数来表征排水孔的“渗透性能”，并按照其它实体单元的计算方法，对它进行渗流计算。采用国际通用的岩土专业有限元计算程序PHASE2分析计算支护结构，模拟出隧洞在施工过程和运行过程中围岩变形和支护结构变形规律，为围岩和结构稳定性分析提供了依据。

1 工程实例

某施工支洞主要岩性为泥岩、砂质泥岩，泥岩、砂质泥岩埋深291 m，水头170 m。该段为马蹄形断面，开挖直径为6.7 m。一次支护为180°超前管棚支护，长3 m、间排距1 m×1 m、直径25 mm的锚杆，榀距0.5 m的U36型可伸缩刚拱架，20 cm厚C30喷混凝土；二次支护为50 cm厚C30钢筋混凝土。假定模型沿洞轴线方向为z方向，顺水流向为正方向；铅垂方向为y方向，铅垂向上为正方向。为避免周边约束对隧洞计算结果的影响，隧洞四周分别取5倍的洞径，四面约束。岩体采用Mohr-Coulomb模型，计算参数见表1。初步确定钢拱架可调节长度为0.6 m，洞周半径为3.35 m，则一次衬砌的gap=0.6/(2×3.14×3.35)×100%=2.85%。

表1 材料参数表

1.1 渗流计算分析结果

隧洞二次衬砌+排水孔的单元示意图见图1所示；给定水头边界条件，埋深291 m、水头170 m时，计算出的渗流场压力计算结果见图2所示。

图1 二次衬砌和排水管单元图

1.2 一次支护分析结果

一次衬砌在地应力释放后的一次衬砌和锚杆屈服情况，洞室底部中心位置处内力及洞室塑性区最大深度位移计算结果见表2。当地应力释放50%之后上一次支护，且一次衬砌的gap(1)=2%，则地应力释放75%时一次衬砌gap闭合，此时仅有12.5%的一次衬砌单元屈服，随着地应力释放至90%时，一次衬砌所承担的轴力数值达到峰值，此时73.8%一次衬砌混凝土单元屈服。当地应力释放60%时，83.8%的锚杆单元已经屈服；当地应力释放70%时，100%的锚杆单元屈服。

表2 一次衬砌和锚杆屈服情况、洞室底部内力及洞室塑性区最大深度

图2 埋深291 m、外水头为170 m时排水后二次衬砌渗流压力计算结果图(单位：m)

1.3 二次支护分析

二次衬砌承担5%地应力+外水压力+膨胀压力得到的内力及应力计算结果见表3；二次衬砌承担5%地应力+外水压力+膨胀压力配筋及裂缝计算结果见表4。配筋、裂缝宽度均满足要求。

表3 二次衬砌承担5%地应力+外水+膨胀压力内力/

注：埋深291 m外水头170 m

表4 二次衬砌承担5%地应力+外水+膨胀压力配筋及裂缝计算结果表

注：埋深291 m外水头170 m。

2 结 语

传统的隧洞衬砌外水压力计算法采用地下水折减的方法，只是根据规范规定的一个折减系数乘以地下水位，而实际情况整个排水管组成系统产生渗流场体力，得到二次衬砌的外水压力与排水孔的布置、孔径及围岩和衬砌的相对渗流系数有关，是一个三维渗流场问题。本文用ANSYS软件中三维有限元方法，采用“空气单元法”模拟排水管渗流场计算结果来确定排水的效果，从而确定二次支护的外水压力，有效而精确。在得到排水后的外水压力后，计算支护结构稳定采用了岩土专业有限元专业软件PHASE2来模拟隧洞开挖、一次支护和二次支护的整个施工过程。这种ANSYS和PHASE2相结合的方法可作为隧洞有外水洞段支护结构稳定设计和施工是可行的。

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1007-6980(2017)02-0001-02

2017-03-13)

丁佳峰 女 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

孙其臣 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

何晓萌 女 助理工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222