采用PHASE2软件的隧洞一次支护数值模拟与分析

刘 卓，穆全平

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

隧洞在施工过程中，当围岩条件较差时，需要采取一次支护措施以保证安全，如布置锚杆、喷混凝土、钢筋挂网、钢拱架、钢格栅等多种形式，其选取需基于隧洞的型式与尺寸，遵守相关规范，结合地形地质条件等因素进行分析来确定。张雷［1］运用FLAC3D 研究锚索长度对软岩输水隧洞支护的影响，从而给出了锚索的合理长度。陈虹宇［2］在考虑隧洞支护作用的情况下， 采用平面线弹性的问题假定，选取使支护内边界上的切向应力最小的优化准则，寻求最优的支护断面形状，所得最优断面的内边界可使应力集中最小，从而使隧洞衬砌的应力状态得到最大限度地改善。 李燕波［3］应用ANSYS Workbench 软件建立了热-结构耦合分析模型分析了高地热、高地应力、地震等荷载作用的条件下,地震位移响应与衬砌厚度的关系，并发现当衬砌厚度较大时， 支护结构可能与地震发生较大的响应，不利于结构的稳定性。张振杰［4］对ABAQUS 进行二次开发进行高外水作用下大埋深隧洞的围岩稳定分析。PHASE2 是Rocscience 公司开发的岩土系列专业分析软件之一，是一款功能强大的岩土工程弹塑性有限元分析软件，被广泛应用于地表或地下开挖的支护设计、边坡稳定分析、地下水渗流分析等领域。PHASE2 可提供全面的支护结构类型模拟，如喷射混凝土、混凝土、钢支架系统、桩、多层复合衬砌、土工织物等，其本构模型包括Mohr-Coulomb、广义Hoek-Brown 和剑桥模型， 允许用户自行定义基于统计学模型的节理裂隙网络，只需输入相关统计参数，软件会自动生成节理网络。本文将采用PHASE2软件对某引调水工程处于V 类围岩内的隧洞进行数值模拟计算， 分析其在一次支护前后的稳定状态，以验证支护措施的有效性，保证施工安全。

1 工程概况

四川省某引调水隧洞设计流量141 m3/s，纵剖为0.1%，隧洞为圆形断面，内径为8 m。隧洞沿线山体雄厚，谷坡陡峻，穿越多条冲沟，洞室垂直埋深一般400～1700 m，最大埋深约1850 m，部分洞段围岩类别为V 类，岩性为斜长花岗岩，考虑隧洞的使用要求、水力条件、结构受力要求并兼顾施工方便，隧洞断面采用圆形断面形式，内径为8 m，开挖外径10.4 m，纵剖为0.1%。本文将综合考虑围岩岩性、隧洞埋深等条件， 选取最不利断面基于PHASE2 对隧洞开挖后的断面进行模拟分析， 以验证其在施工过程中的稳定性。

图1 隧洞洞线示意图

2 数值模型建立

2.1 材料本构模型

PHASE2 提供岩土工程中常用的多种本构模型，本文采用摩尔-库伦破坏准则对围岩进行非线性模拟。 摩尔-库伦材料采用的是不相适应的流动法则，并且认为其具有理想塑性屈服特性。摩尔-库伦材料的屈服函数为：

相应的塑性势函数为：

式中φ 为材料的摩擦角；C 为材料的黏聚力；ψ 为材料的膨胀角；为t 时刻的第一应力不变量；为t时刻的第二偏应力不变量；为t 时刻的第三偏应力不变量。摩尔-库伦屈服函数的空间曲面如图2。

图2 摩尔-库伦模型的空间屈服面

2.2 计算模型及参数

假定岩石为均质岩体， 避免周边约束对隧洞计算结果的影响，隧洞四周分取3 倍的洞径。计算模型如图3。依据地质工程师提供资料，模型中参数取值如下：岩体天然密度2.3 g/cm3，黏聚力0.1 MPa，内摩擦角25°，弹性模量1.0 GPa，泊松比0.37，抗拉强度0.3 MPa， 初始地应力σ1，σ3，σz分别取为45 MPa、37 MPa、50 MPa。

图3 隧洞一次开挖支护计算模型

3 数值模拟分析

3.1 未采取支护措施数值分析结果

在未采取一次支护措施的情况下， 对隧洞进行开挖后的数值分析10000 步后计算仍未收敛， 此时围岩总位移图及其塑性屈服区分布图如图4 及图5。可见在未采取一次支护措施时，由于围岩较为破碎，力学参数较低，使得围岩最大位移已达4.08 m 且未收敛，而根据SL377—2007《水利水电工程锚喷支护技术规范》［3］规定，当隧洞埋深大于300 m 时，V 类围岩的洞周允许相对收敛量为1%～3%， 如表1 所示。因此在此情况下，隧洞变形远超规范要求，隧洞实际上已屈服坍塌。从塑性破坏角度来看，在未采取一次支护措施时， 隧洞3 倍洞泾范围内的围岩已完全发生塑性破坏。

表1 允许变形标准值(%)

图4 未采取支护措施围岩总位移

图5 未采取支护措施围岩塑性屈服区

3.2 采取支护措施数值分析结果

拟采取支护措施如下：①全断面范围：初喷混凝土t=100 mm, 挂网φ6@150*150, 钢拱架30 b， 间距1.0 m，再喷混凝土t=300 mm。②上顶拱270°范围内另设如下措施：岩石锚杆直径25 mm，长度6 m，间、排距1.0 m，交错布置。支护后的围岩总位移图及其塑性屈服区分布如图6 和图7。 可见在采取拟定的支护措施后，最大位移值为0.106 m，相对收敛值为2.01%，满足一次支护稳定要求，且未发生塑性破坏，可见锚杆、 挂网喷混凝土及钢拱架等一次支护措施在保持隧洞稳定发挥了较大的作用。

图6 采取支护措施后围岩总位移

图7 采取支护措施后围岩塑性屈服区

4 结语

本文基于PHASE2 软件对四川省某引调水工程中处于V 类围岩的隧洞进行了模拟分析，结果表明：若不采取支护措施，由于围岩较为破碎，力学参数较低，隧洞围岩最大位移达到4 m 以上且未收敛，开挖后将发生坍塌破坏；在采取拟定的措施后，围岩最大位移为0.106 m，相对收敛为2.01%，且不发生塑性破坏，满足一次支护稳定要求。需注意施工期间需要做好排水措施， 避免岩体遇水而降低物理力学指标，进而影响稳定；并尽量缩短施工开挖、一次支护措施之间的施工间隔，使支护尽早发挥作用，保证工程安全。