基于Phase2软件的浅埋隧洞不同围岩自稳能力分析

贾晶玺，于 奎，黄 勇，盛健挺，梁江晟

(1.黑龙江大学水利电力学院，哈尔滨 150000；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

0 引 言

浅埋式隧洞具有埋深浅、岩体覆盖层较薄、洞顶上覆岩体软弱、围岩自稳能力差、承载力小和变形大等特点，常导致浅埋式隧洞施工难度大、风险高、工程处理措施费用高，这是隧洞工程建设中常常遇到的问题[1]。如果选用的施工开挖方法或临时支护方式不合理、不及时，极有可能引发隧洞局部坍塌或出现地表过大沉降，产生工程事故。针对以上问题，专家学者们进行了大量研究，并取得了丰富的研究成果。井洪涛在隧道埋设地层变位和围岩应力测试元件，对开挖时黄土地区大跨径浅埋隧道的地层及围岩力学特性变化规律进行研究[2]；何玉珠等采用有限元软件建模分析，得出浅埋隧道的失稳破坏形态，建立了浅埋隧道围岩压力计算方法，对岩土体非线性破坏准则对浅埋隧道围岩压力的影响规律进行了探讨[3]。杨铁雄等针对现行设计规范和极限分析在围岩压力计算模型中的局限性，推导出能分析隧道断面参数对围岩压力影响的计算公式，并以实际工程为例进行计算验算[4]。张建阳通过对比分析巷道围岩在支护前后的变形场和塑形场分布规律，理论上验算了巷道支护设计强度[5]。

围岩压力作为隧道支护参数设计的重要研究内容，受岩石和岩体力学性能、隧洞形式影响、造成隧洞围岩破坏形式多种多样。文章拟以二甲沟水库引水隧洞为实例，利用有限元分析软件Phase2分析不同围岩应力和变形，在计算中通过调整不同围岩，判断其其在不同围岩压力作用下隧洞开挖的稳定性并给出施工开挖方案和临时支护建议。

语言的发展变化具有非线性的特征，充满着不可预测性。在以往语言研究中，语言系统往往被描述为一组明确规则的组合，各个部分之间具有线性的相互作用，语言在本质上是线性的简单系统。然而，研究表明，在母语习得和二语习得过程中，语言都表现出非线性的系统复杂性和变异性。例如，有研究表明语音意识(phonological awareness)是母语中阅读习得的最佳先导之一（沈昌宏，吕敏，2008）。这种非线性可归因于语言系统内部的全面连接性和交互性。所谓“牵一发而动全身”。由于语言系统内部的子系统在多个层面上相互连接，交互变化，因此，某个部分的变化不仅会引起其他部分的变化，甚至还会引发整个语言系统的变化。

1 计算方法

1.1 数值模拟

水利水电工程岩体模拟的主要方法有两种，物理模拟和数值模拟。数值模拟是将岩石、混凝土等有关材料和荷载等有关条件数学化，根据相关物理、力学方程进行数值计算，分析工程岩体的力学性状变化。数值模拟计算中运用最广泛的就是有限元为代表的近似计算方法。有限元法也称有限单元法。这种方法是将岩体离散成有限个单元的集合体，认为单元之间通过有限个节点连接，单元的节点力和节点位移之间的力学特性关系，得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，从而求解节点位移分量，一经解出就可以利用插值函数确定单元集合体上的位移场函数并得到单元应力、应变场。

1.2 Phase2软件

岩土工程有限单元法的常用计算分析软件有Ansys[6]、FLAC、 adina、Mare和Sap5等。近几年来由加拿大Rocscience公司研发的 Phase2有限元计算软件开始在国内使用[7]。相对于其他有限元分析软件来说，Phase2是一款专门的岩土工程弹塑性有限元分析软件，能够轻松、快速地完成复杂的、多工况模型的建模分析，并且能够分析渐进破坏、土与结构相互作用及各种其它问题。

粉质黏土强度因数图，见图5；强风化岩强度因数图，见图6；弱风化岩强度因数图，见图7。强度因数为给定点处岩体有效强度与围岩应力的比值，即强度因数(基于弹性分析结果)≤1时，如果不加以支护，就会发生破坏。很明显，Ⅴ类土体的粉质黏土在两底角附近出现了大量强度因数<1的区域，说明该土体在无支护下必会破坏。结合主应力图，该土体围岩周围出现了明显的压应力圈，该处围岩发生破坏时，以“压 - 剪”破坏模式为主。图6和图7中，强风化岩和弱风化岩在相同位置均未出现强度因数<1的区域，故以弹性分析时在无干扰情况下可自稳。

2 计算模型的建立

2.1 工程概况

据介绍，每一个合作的农户或种植基地，农拓者都会安排专业人员对土壤进行分析，收集历年作物生长、天气变化等大量数据，在大数据的基础上量身打造出覆盖种、肥、药和田间管理等多方面的全程种植解决方案，并在种植过程中进行监督化的跟踪管理。在这种模式下，农民的种植水平得以提升，避免了肥药的浪费和无效施用，精准的病虫害解决方案保障了作物健康，促进了农民增产增收，交出了辣椒亩产增幅30%、番茄亩产增幅40%、其他作物均有不同比例增产的答卷。

1.党的领导、群众路线，是“枫桥经验”创新发展的根本保证。“枫桥经验”是群众工作基础性、经常性、根本性的集中体现。50年来，“枫桥经验”始终坚持“党政动手、依靠群众”这条生命线，从最早的依靠和发动群众改造“四类分子”，到后来维护农村治安，再到预防化解矛盾，直到现在以群众工作统领社会治理创新，都把党的领导和群众路线紧密结合起来。事实证明，“枫桥经验”的根基在人民，血脉在人民，力量在人民。

2.2 模型建立

粉质黏土最大主应力图，见图2；强风化岩最大主应力图，见图3；弱风化岩最大主应力图，见图4。通过对比，在相同隧洞埋深和断面形式下，粉质黏土、强风化岩、弱风化岩三类围岩的最大主应力图中，隧洞围岩压力最大均出现在隧洞两底角处粉质黏土为Ⅴ类岩体，三者中重度最小，对应自重应力最小，故围岩压力中最大值三者最小，为2.25MPa。由于弱风化岩岩体重度最大，在相同埋深下对应位置最大主应力最大，隧洞底角可达3.2MPa，拱顶为1.0MPa。通过对不同围岩下相同断面形式隧洞进行数值模拟研究表明：从最大主应力图中，虽然为三种不同围岩，但是可以看到三者均是在隧道拱顶、底角的压应力相对较大，在隧道侧壁相对较小。

粉质黏土总位移等高线(显示变形向量和变形边界比例1∶500)，见图8；强风化岩总位移等高线(显示变形向量和变形边界比例1∶500)，见图9；弱风化岩总位移等高线(显示变形向量和变形边界比例11∶500)，见图10。为了更清晰的显示出变形方向和变形位置，这里选取了1∶500的显示比例来显示变形向量和变形边界。从总位移变形图上可以看到，三者总变形的最大变形分别为2.99mm、0.10mm、0.02mm。

根据实际工程方案，引水隧洞断面形式为半圆直墙拱，埋深约25.1m，为浅埋隧洞，底宽4.0m，洞高4.0m，永久支护衬砌采用钢筋混凝土衬砌。隧洞数值计算模型，见图1。由于6倍洞径以外部分通常不受隧洞开挖影响，故模型边界条件选择自动创建，膨胀系数选择为7，侧面添加外部约束限制水平位，模型底面添加外部约束限制垂直位移。

图1 隧洞数值计算模型

模型有限单元网格划分，单元类型选择为三角形，模型共划分1280个单元和2716个节点。数值模拟中选取Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三类围岩代表土体粉质黏土、强风化花岗岩和弱风化花岗岩三类土体分别作为研究对象，各岩层所选取的物理力学参数据冒顶处现场地质勘探资料所得。模型计算采用Mohr-Coulomb强度准则，地应力主要考虑自重应力。三种围岩的物理力学参数，见表1。

表1 三种围岩的物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 应力结果

为研究隧洞开挖断面在不同岩体作用下的应力和变形分析，文章将以二甲沟水库引水隧洞开挖断面作为Phase2软件的计算模型，依据岩体基本质量指标BQ选取质量等级Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三类岩体作为围岩土体，对同一工况的浅埋隧洞稳定性进行分析。

图2 粉质黏土最大主应力图

图3 强风化岩最大主应力图

图4 弱风化岩最大主应力图

多种岩土工程项目分析可以运用Phase2于软件，包括地表或地下开挖的支护设计、边坡稳定分析、地下水渗流分析以及概率分析等领域。该软件主要分析平面应变问题和空间轴对称问题，可以在均匀场应力单独作用或自重应力单独作用以及二者共同作用下的地应力分布下，模拟岩土工程不同开挖阶段、不同力学性能的岩体材料的应力和变形分布，并且可以自动绘制出围岩应力应变的分布图。相对于传统计算方法来说，它可以更直观、更清晰的反映出应力应变的分布规律以及极值，尤其在复杂地下开挖支护条件下更加具有优势。

图5 粉质黏土强度因数图

图6 强风化岩强度因数图

图7 弱风化岩强度因数图

3.2 位移结果

妇产科急腹症是一种常见的临床急诊病例，随着彩超技术的不断发展以及超声分瓣率的提高，彩超为妇产科急腹症患者提供了极大的帮助，为临床早发现、早诊断、早治疗提供强有力的依据。本文分析了我院2017年1月1日—2017年12月1日临床确诊的100例妇产科急腹症患者，通过这些实际案例探索彩超在妇产科急腹症的临床价值。

图8 粉质黏土总位移等高线(显示变形向量和变形边界比例1∶500)

图9 强风化岩总位移等高线(显示变形向量和变形边界比例1∶500)

通过粉质黏土、强风化粗粒花岗岩和弱风化粗粒花岗岩三类土体围岩应力和变形结果的比较和分析，可以得到以下结论：

图10 弱风化岩总位移等高线(显示变形向量和变形边界比例11∶500)

3.3 结果分析

由于上覆土层浅，粉质黏土地质软弱，抗剪承载力低，难以形成有效荷载拱，故粉质黏土围岩变形明显，整个拱顶和侧壁均出现较大向内变形，隧洞底部出现明显向上拱起[11-12]，此时隧洞开挖后不能自稳，需及时采取支护措施，防止出现重大安全事故。强风化岩围岩变形不大，隧洞侧面和底部有微小变形，如无外界干扰尚可自稳。对于弱风化岩来说，变形基本可以忽略，此时围岩稳定。

二甲沟水库工程位于黑龙江省哈尔滨市通河县。引水隧洞长度2410m，隧洞型式为圆拱直墙形，底宽4.0m，洞高4.0m。引水隧洞位于低山丘陵地区，隧洞沿线局部穿过山间台地，洞顶埋深约为25.1m。大部分山体表层覆盖有机质低液限粉质黏土，下部为强风化和弱风化粗粒花岗岩。据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)[9]和《工程岩体分级标准》(GB50218-94)[10]规定，隧洞大部分上覆岩体属于软质岩以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主。局部地表为水田，山体受多年浸泡的影响，土体及岩体均处于饱水状态，岩石岩性以强、弱风化花岗岩为主，地质条件差，施工难度大，施工开挖存在安全隐患，因此做好隧洞围岩应力和变形分析尤为重要。

1)埋深25.1m的半圆直墙拱形隧洞，粉质黏土围岩无法自稳，主要破坏形式为“压 - 剪”破坏，隧洞两底角出现应力集中，且整体变形较大，最大达2.99mm。由于本身粉质黏土为软弱土体，无支护情况下，应力集中处会出现松散脱落现象，顶拱土体塌落，故在此类土体施工要及时支护，合理设计，往往需要边开挖边支护，以防出现重大安全事故。

2)埋深25.1m的半圆直墙拱形隧洞，强风化岩的围岩应力和变形都在岩体承受范围之内，在无外界干扰的情况下，可自稳，但是要注意地下水的影响。

3)埋深25.1m的半圆直墙拱形隧洞，弱风化岩在此工况下变形微小，可以自稳。

（三）重师权，轻民主。在实验操作的过程中，会出现很多的实验数据记录和处理，这些数据直接决定了实验的结论，教师进行实验数据和结论的时候，经常会出现教师霸权主义，教师缺乏科学的精神。

4 结 语

文章通过3种不同岩体隧洞围岩应力和变形情况的分析，得到了3种不同围岩的自稳能力情况。依据上述围岩自稳能力的分析结果，在不同围岩中开挖隧洞要注意采取不同的开挖方案和支护方式，合理考虑气候的不利影响，以防隧洞坍塌或出现地表过大沉降，产生工程事故。通过计算分析不同围岩自稳能力，对于浅埋式隧洞开挖支护参数确定、支护方案设计和后期维护都具有一定的意义。文章只是对该问题作了初步研究，还有待后续优化计算模型进一步开展研究。