Phase2軟件在隧洞開挖圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)中的應(yīng)用

何 欣,曹懷園,劉永智,劉潔玉

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)03—0049—05

Phase2軟件在隧洞開挖圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)中的應(yīng)用

何 欣,曹懷園,劉永智,劉潔玉

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

新奧法支護(hù)理論允許圍巖變形，“適時(shí)”支護(hù)，能夠保證圍巖穩(wěn)定的前提下，減少支護(hù)措施。文章利用phase2軟件，引入應(yīng)力釋放法和彈性模量折減法解決“適時(shí)”的問題，將新奧法理論應(yīng)用于德爾西水電站工程引水隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用量化、清晰易懂的方式證明了合理地選擇支護(hù)時(shí)機(jī)可以優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)、減少工程投資，對(duì)隧洞工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

隧洞；支護(hù)時(shí)機(jī)；新奧法；位移；Phase2;德爾西水電站

0 前 言

地下洞室工程廣泛地應(yīng)用于水利水電工程中，其中圍巖穩(wěn)定問題是地下洞室最突出的工程問題。人們開始探索地下洞室的支護(hù)設(shè)計(jì)理論，早在19世紀(jì)初，學(xué)者認(rèn)為只有襯砌作為受力結(jié)構(gòu)，承受上部圍巖荷載，襯砌厚度設(shè)計(jì)偏大。20世紀(jì)60年代，新奧法作為新興的隧道設(shè)計(jì)方法得到關(guān)注，新奧法理論[1-2]是“合理”支護(hù)時(shí)機(jī)最初的理論基礎(chǔ)，最佳支護(hù)時(shí)機(jī)的確定，使我們?cè)诖_保圍巖穩(wěn)定和節(jié)約支護(hù)材料的工作中充滿自信。然而如何確定支護(hù)時(shí)機(jī)成為工程中的難點(diǎn)。

在德爾西水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定計(jì)算中，我們應(yīng)用了Phase2軟件提供的2種確定支護(hù)時(shí)機(jī)的方法，并對(duì)比其與及時(shí)支護(hù)時(shí)3種不同情況下圍巖變形和噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，為地下洞室開挖圍巖穩(wěn)定分析提供參考和建議。

1 支護(hù)時(shí)機(jī)確定的相關(guān)理論

1.1 “允許位移量”的確定

新奧法的基本觀點(diǎn)：把巖體視為連續(xù)介質(zhì)，根據(jù)巖體具有的黏性、彈性、塑性的物理性質(zhì)，并利用洞室開挖后圍巖應(yīng)力重分布而產(chǎn)生的變形到松動(dòng)破壞有一個(gè)時(shí)間效應(yīng)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，“適時(shí)”地采用薄壁柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)(以錨噴為主要手段)，與圍巖緊密貼合起來共同工作，從而調(diào)動(dòng)并充分利用了天然圍巖的自身承載能力，以達(dá)到洞室圍巖穩(wěn)定的目的。

目前，人們正在進(jìn)行各種努力以尋求一種具體量的表示方法來清楚地表達(dá)“適時(shí)”這個(gè)概念。研究發(fā)現(xiàn)通過圍巖“允許變形量”可以確定支護(hù)時(shí)機(jī)，但是，洞室的位移受到多種因素的影響。就某一工程而言，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件、洞室形狀與尺寸、施工方法等確定時(shí)，主要受到2個(gè)因素的影響：

(1) “空間效應(yīng)”，即掌子面約束作用所產(chǎn)生的影響。距掌子面越近，影響越大，距掌子面越遠(yuǎn)，影響越小，到達(dá)某種距離后影響基本上可以消除。

(2) “時(shí)間效應(yīng)”，通常指掌子面約束作用解除后，變形隨時(shí)間而增大的這一現(xiàn)象。

以上2個(gè)因素對(duì)一般巖體來說，前者占90%以上，后者占不到10%，所以人們開始探索允許釋放位移量和掌子面進(jìn)尺之間的關(guān)系。 隨后經(jīng)過很多學(xué)者探索，2003年，Unlu and Gercek[3]通過大量實(shí)驗(yàn)提出了能準(zhǔn)確反映圍巖塑性、而且塑性區(qū)影響的隧道位移隨開挖面(掌子面)的變化曲線——LDP曲線，公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：RP為隧洞中心到塑性區(qū)最外邊緣的距離，m；u0為掌子面的徑向位移，m；Rt為隧洞半徑，m；X為開挖斷面到掌子面的距離，m；umax為最大徑向位移，m。

1.2 應(yīng)力釋放法和彈性模量折減法理論

巖體在開挖過程中，開挖荷載是隧洞施工期的主要荷載。實(shí)際的巖體開挖過程是開挖巖體部分的應(yīng)力釋放過程，對(duì)于開挖的模擬可以簡(jiǎn)單地假定為在邊界上施加保持圍巖單元位移不變的外力荷載的反作用力，即工程所謂的“反轉(zhuǎn)作用力”[4]，亦即在開挖邊界上作用與原有支撐力相反的荷載來模擬開挖。各次開挖后地應(yīng)力釋放產(chǎn)生的等效結(jié)點(diǎn)荷載為：

(5)

式中：σj為第j-1次開挖引起地應(yīng)力重分布后的應(yīng)力場(chǎng)；[Bi]為開挖單元i的幾何矩陣；a為地應(yīng)力釋放系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究成果，在對(duì)隧道開挖二維模擬過程中，彈塑性力學(xué)特征參數(shù)(變形模量E、泊松比μ，內(nèi)粘結(jié)力c、內(nèi)摩擦角φ等)對(duì)洞室位移變化影響的靈敏度分析顯示，變形模量對(duì)位移的影響是占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的，因而在二維仿真模擬分析過程中，將應(yīng)力釋放的綜合因素可以通過變形模量的變化近似地體現(xiàn)出來，即彈性模量折減法。

2 分析思路

本文基本分析思路如下：

(1) 針對(duì)德爾西水電站引水隧洞Ⅲ(D)類圍巖通過式(4)計(jì)算出位移隨掌子面的變化曲線——LDP曲線，進(jìn)而計(jì)算出“允許變形量”，即最佳支護(hù)時(shí)機(jī)，亦即圍巖在達(dá)到“允許變形量”之前無需支護(hù)，是通過“允許變形量”來控制支護(hù)時(shí)機(jī)；

(2) 通過應(yīng)力釋放和彈性模量折減方法模擬隧洞開挖、洞周位移緩慢變形的過程，求出隨應(yīng)力釋放以及彈性模量折減位移變化過程曲線，根據(jù)計(jì)算出的“允許變形量”尋找對(duì)應(yīng)的應(yīng)力釋放系數(shù)和折減彈性模量，此為“適時(shí)”的支護(hù)時(shí)機(jī)，即在此時(shí)，施加錨噴支護(hù)；

(3) 對(duì)比及時(shí)支護(hù)和適時(shí)支護(hù)圍巖變形和噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況。

3 工程應(yīng)用

德爾西水電站主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和輸變電系統(tǒng)組成。引水系統(tǒng)主要建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道。引水隧洞直徑為4.1～4.9 m，全長(zhǎng)約8 553.5 m。

引水隧洞巖體工程質(zhì)量類別為Ⅱ類(A+B)、Ⅲ類(C+D)和Ⅳ類(E),本文選取具有代表性的Ⅲ(D)類圍巖進(jìn)行分析。圍巖參數(shù)見表1，支護(hù)材料參數(shù)見表2。

表1 圍巖計(jì)算選取參數(shù)表

表2 支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)表

3.1 模型建立

本文采用Phase2軟件進(jìn)行計(jì)算，Phase2軟件是 Rocscience 公司開發(fā)的專門模擬地下巖體開挖工程應(yīng)力及應(yīng)變的二維有限元軟件，其分析步驟分3個(gè)階段，即前處理、求解和后處理。同其它有限元軟件相比，該軟件具有建模簡(jiǎn)單、網(wǎng)格劃分容易和后期處理功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，尤其在模擬地下洞室開挖時(shí)有突出優(yōu)勢(shì)，可以模擬隧洞開挖及開挖后對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

由于引水隧洞布置在左岸雄厚的山體中，一般隧洞埋深100～500 m，取平均埋深為300 m，根據(jù)海姆假說[6]，如果巖體是理想的塑性體，而且埋深較大，巖體就處于近似靜水壓力狀態(tài)，應(yīng)力的大小等于其上覆巖體的自重，而且?guī)r體中各個(gè)方向的應(yīng)力均相等。所以，圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng)為σ1=σ2=σ3=γh=8MPa

模型模擬范圍取5倍洞徑，模型邊界為全約束位移邊界條件(見圖1)。模型計(jì)算采用Mohr-coulomb準(zhǔn)則。

圖1 計(jì)算模型圖

3.2 最佳支護(hù)時(shí)機(jī)確定

(1) 應(yīng)力折減法

首先采用20個(gè)計(jì)算階段進(jìn)行應(yīng)力折減計(jì)算，通過不同的計(jì)算階段進(jìn)行應(yīng)力折減，從而實(shí)現(xiàn)隧洞應(yīng)力逐步釋放，最終得出位移隨應(yīng)力釋放的變化曲線。計(jì)算模型如圖2。

圖2 應(yīng)力折減法計(jì)算模型圖

此處計(jì)算階段是人為定義的，計(jì)算階段主要是為了表示隧洞應(yīng)力釋放過程。定義的計(jì)算階段越多，則應(yīng)力釋放過程模擬越細(xì)致。本文定義20個(gè)計(jì)算階段來實(shí)現(xiàn)隧洞開挖后圍巖的應(yīng)力釋放過程，其中階段1表示圍巖應(yīng)力沒有釋放，即圖2中應(yīng)力釋放系數(shù)為1；中間階段應(yīng)力釋放系數(shù)逐漸遞減，直到最后一個(gè)階段，本文中階段20表示隧洞應(yīng)力釋放完成，即圖2中應(yīng)力釋放系數(shù)為0。

通過計(jì)算得知，最大位移發(fā)生在底拱，計(jì)算出底拱最大徑向位移umax=5.16 mm和隧洞中心到塑性區(qū)最外邊緣的距離RP=3.478 m，如圖3和圖4。

圖3 圍巖位移圖

圖4 圍巖塑性區(qū)圖

圖5 LDP曲線圖

由LDP曲線可見，開挖斷面到掌子面的距離越大，隧洞變形越小，通過這一方法可評(píng)估距掌子面一定距離處洞壁位移的收斂情況、應(yīng)力釋放程度及所需的支護(hù)力，借此來控制圍巖變形和支護(hù)壓力。

由底拱最大位移隨應(yīng)力釋放階段變化(見圖6)可以看出，在應(yīng)力釋放11～12階段之間，接近12階段，隧洞底拱徑向位移接近允許釋放位移2.72 mm，即應(yīng)力折減系數(shù)取0.3～0.5時(shí)，為最佳支護(hù)時(shí)機(jī)。

圖6 不同階段的底拱最大位移變化曲線(應(yīng)力折減)

對(duì)應(yīng)力折減系數(shù)進(jìn)行0.3～0.5之間的細(xì)化，得出底拱最大位移隨計(jì)算階段的變化曲線，見圖7，找到最佳支護(hù)階段為14～15，應(yīng)力釋放系數(shù)最終確定為0.31。

圖7 不同階段的底拱最大位移變化曲線(應(yīng)力細(xì)化后)

(2) 彈性模量折減法

允許釋放位移和前面計(jì)算方法一樣，同樣可以得出允許釋放位移為2.72 mm。

上節(jié)應(yīng)力折減系數(shù)為0.31，鎖定開挖部分圍巖彈性模量折減系數(shù)接近0.31，所以對(duì)彈性模量進(jìn)行3 000～2 000 MPa之間的細(xì)化計(jì)算，模型如圖8。

圖8 彈性模量折減模型圖

采用圖8中彈性模量折減方式，底拱最大位移隨階段變化曲線(如圖9)，找到最佳支護(hù)階段為2～3，接近第3階段，最終確定開挖部分圍巖的彈性模量折減為2 600 MPa。

圖9不同階段的底拱最大位移變化曲線(彈性模量折減)

4 不同支護(hù)時(shí)機(jī)特性對(duì)比

(1) 特性對(duì)比

通過計(jì)算，分別得出應(yīng)力折減法和彈性模量折減法的圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)，與及時(shí)支護(hù)相比，圍巖的位移、塑性區(qū)分布以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，總結(jié)如下：

1) 位移情況。開挖釋放后，洞周位移向洞內(nèi)變形，且位移呈現(xiàn)環(huán)狀分布趨勢(shì)，從內(nèi)向外逐漸減小，位移范圍在0～5 mm之間，由于頂拱是拱形，受力條件較好，同時(shí)頂拱施作錨桿支護(hù)，最大位移位于底拱，不同支護(hù)時(shí)機(jī)的底拱位移最大值見表3。

表3 不同支護(hù)時(shí)機(jī)結(jié)果對(duì)比圖表

2) 塑性區(qū)情況。開挖釋放后，洞周塑性區(qū)呈現(xiàn)環(huán)狀分布，但是由于頂拱是拱形，受力條件較好，同時(shí)頂拱施作錨桿支護(hù)，下部邊墻和底拱塑性區(qū)厚度大于頂拱塑性區(qū)厚度，塑性區(qū)厚度在0～0.7 m之間，不同支護(hù)時(shí)機(jī)的塑性屈服單元個(gè)數(shù)見表3。

3) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。施作錨噴支護(hù)后，錨桿應(yīng)力從洞周向外均勻遞減，錨桿受力范圍20～204 MPa，錨桿受力最大部位位于洞周頂拱；噴層軸力沿著洞周分布比較均勻，軸力范圍在0.5～3 MN之間，噴層彎矩圖分布情況為頂拱彎矩較小，邊墻下部彎矩大，彎矩范圍在-0.03～0.02 MN.m，噴層最大應(yīng)力部位位于邊墻下部。不同支護(hù)時(shí)機(jī)錨桿應(yīng)力和噴層應(yīng)力最值見表3。

(2) 優(yōu)化結(jié)論

1) 及時(shí)支護(hù)能夠及時(shí)阻止圍巖開挖后的變形和塑性區(qū)的擴(kuò)展，其位移和屈服單元數(shù)相對(duì)于其他2種支護(hù)時(shí)機(jī)的較小，但是適時(shí)支護(hù)的位移和塑性區(qū)增大范圍較小，不會(huì)引起圍巖的破壞；

2) 及時(shí)支護(hù)情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)了圍巖開挖后所有荷載，所以其支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明顯大于其他2種支護(hù)時(shí)機(jī)，而且噴層的受力超過了噴層的抗壓強(qiáng)度21 MPa，需要采用加厚噴層等支護(hù)措施；其他2種支護(hù)時(shí)機(jī)的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力較小，滿足錨桿和噴層的受力要求，因此采用適時(shí)支護(hù)可以優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)；

3) 應(yīng)力釋放法和彈性模量折減法的圍巖位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力基本相當(dāng)，證明了采取任意一種方法進(jìn)行合理支護(hù)時(shí)機(jī)模擬都可以達(dá)到優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)的目的。

5 結(jié) 語

最佳支護(hù)時(shí)間點(diǎn)在工程上是節(jié)約工程材料降低工程造價(jià)的理想點(diǎn)，這一時(shí)刻可以保證工程材料最省和工程造價(jià)最低。本文通過德爾西水電站Ⅲ(D)類圍巖段隧洞開挖圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬，采用量化、清晰易懂方式向咨詢工程師解釋了引水隧洞圍巖支護(hù)時(shí)機(jī)的問題，并證明了合理地選擇支護(hù)時(shí)機(jī)可以優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了以往圍巖最佳支護(hù)時(shí)機(jī)的不確定性、不準(zhǔn)確性和經(jīng)驗(yàn)性的缺點(diǎn)，使洞室開挖支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和安全性評(píng)價(jià)成為可能。

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Application of Phase 2 Software in Support Time of Surrounding Rock in Tunneling

HE Xin, CAO Huai-yuan, LIU Yong-zhi, LIU Jie-yu

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

New Austrian tunneling method allows deformation of surrounding rock, support is provided at Proper Time. Under the precondition of securing stability of surrounding rock, support measures is decreased. In this paper, Proper Time is determined by application of stress release method and elastic module reduction method through Phase 2 software. Accordingly, theory of new Austrian tunneling method is applied in design of support structure of the headrace tunnel of Delsi Hydropower Project. By application of quantitive, clear and simple means, it verifies that the proper support time allows to optimize support structure and reduce investment as well. This is practical for the design of support structure of tunneling works.

tunnel; support time; new Austrian tunneling method (NATM); displacement; Phase 2; Delsi Hydropower Project

2015-04-15

何欣(1987- )，女，陜西省戶縣人，助理工程師，主要從事水工和巖土設(shè)計(jì)工作.

TV222.2;TV554

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.014