基于Phase2軟件的淺埋隧洞不同圍巖自穩能力分析

賈晶璽，于 奎，黃 勇，盛健挺，梁江晟

(1.黑龍江大學水利電力學院，哈爾濱 150000；2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

淺埋式隧洞具有埋深淺、巖體覆蓋層較薄、洞頂上覆巖體軟弱、圍巖自穩能力差、承載力小和變形大等特點，常導致淺埋式隧洞施工難度大、風險高、工程處理措施費用高，這是隧洞工程建設中常常遇到的問題[1]。如果選用的施工開挖方法或臨時支護方式不合理、不及時，極有可能引發隧洞局部坍塌或出現地表過大沉降，產生工程事故。針對以上問題，專家學者們進行了大量研究，并取得了豐富的研究成果。井洪濤在隧道埋設地層變位和圍巖應力測試元件，對開挖時黃土地區大跨徑淺埋隧道的地層及圍巖力學特性變化規律進行研究[2]；何玉珠等采用有限元軟件建模分析，得出淺埋隧道的失穩破壞形態，建立了淺埋隧道圍巖壓力計算方法，對巖土體非線性破壞準則對淺埋隧道圍巖壓力的影響規律進行了探討[3]。楊鐵雄等針對現行設計規范和極限分析在圍巖壓力計算模型中的局限性，推導出能分析隧道斷面參數對圍巖壓力影響的計算公式，并以實際工程為例進行計算驗算[4]。張建陽通過對比分析巷道圍巖在支護前后的變形場和塑形場分布規律，理論上驗算了巷道支護設計強度[5]。

圍巖壓力作為隧道支護參數設計的重要研究內容，受巖石和巖體力學性能、隧洞形式影響、造成隧洞圍巖破壞形式多種多樣。文章擬以二甲溝水庫引水隧洞為實例，利用有限元分析軟件Phase2分析不同圍巖應力和變形，在計算中通過調整不同圍巖，判斷其其在不同圍巖壓力作用下隧洞開挖的穩定性并給出施工開挖方案和臨時支護建議。

語言的發展變化具有非線性的特征，充滿著不可預測性。在以往語言研究中，語言系統往往被描述為一組明確規則的組合，各個部分之間具有線性的相互作用，語言在本質上是線性的簡單系統。然而，研究表明，在母語習得和二語習得過程中，語言都表現出非線性的系統復雜性和變異性。例如，有研究表明語音意識(phonological awareness)是母語中閱讀習得的最佳先導之一（沈昌宏，呂敏，2008）。這種非線性可歸因于語言系統內部的全面連接性和交互性。所謂“牽一發而動全身”。由于語言系統內部的子系統在多個層面上相互連接，交互變化，因此，某個部分的變化不僅會引起其他部分的變化，甚至還會引發整個語言系統的變化。

1 計算方法

1.1 數值模擬

水利水電工程巖體模擬的主要方法有兩種，物理模擬和數值模擬。數值模擬是將巖石、混凝土等有關材料和荷載等有關條件數學化，根據相關物理、力學方程進行數值計算，分析工程巖體的力學性狀變化。數值模擬計算中運用最廣泛的就是有限元為代表的近似計算方法。有限元法也稱有限單元法。這種方法是將巖體離散成有限個單元的集合體，認為單元之間通過有限個節點連接，單元的節點力和節點位移之間的力學特性關系，得到一組以節點位移為未知量的代數方程組，從而求解節點位移分量，一經解出就可以利用插值函數確定單元集合體上的位移場函數并得到單元應力、應變場。

1.2 Phase2軟件

巖土工程有限單元法的常用計算分析軟件有Ansys[6]、FLAC、 adina、Mare和Sap5等。近幾年來由加拿大Rocscience公司研發的 Phase2有限元計算軟件開始在國內使用[7]。相對于其他有限元分析軟件來說，Phase2是一款專門的巖土工程彈塑性有限元分析軟件，能夠輕松、快速地完成復雜的、多工況模型的建模分析，并且能夠分析漸進破壞、土與結構相互作用及各種其它問題。

粉質黏土強度因數圖，見圖5；強風化巖強度因數圖，見圖6；弱風化巖強度因數圖，見圖7。強度因數為給定點處巖體有效強度與圍巖應力的比值，即強度因數(基于彈性分析結果)≤1時，如果不加以支護，就會發生破壞。很明顯，Ⅴ類土體的粉質黏土在兩底角附近出現了大量強度因數<1的區域，說明該土體在無支護下必會破壞。結合主應力圖，該土體圍巖周圍出現了明顯的壓應力圈，該處圍巖發生破壞時，以“壓 - 剪”破壞模式為主。圖6和圖7中，強風化巖和弱風化巖在相同位置均未出現強度因數<1的區域，故以彈性分析時在無干擾情況下可自穩。

2 計算模型的建立

2.1 工程概況

據介紹，每一個合作的農戶或種植基地，農拓者都會安排專業人員對土壤進行分析，收集歷年作物生長、天氣變化等大量數據，在大數據的基礎上量身打造出覆蓋種、肥、藥和田間管理等多方面的全程種植解決方案，并在種植過程中進行監督化的跟蹤管理。在這種模式下，農民的種植水平得以提升，避免了肥藥的浪費和無效施用，精準的病蟲害解決方案保障了作物健康，促進了農民增產增收，交出了辣椒畝產增幅30%、番茄畝產增幅40%、其他作物均有不同比例增產的答卷。

1.黨的領導、群眾路線，是“楓橋經驗”創新發展的根本保證。“楓橋經驗”是群眾工作基礎性、經常性、根本性的集中體現。50年來，“楓橋經驗”始終堅持“黨政動手、依靠群眾”這條生命線，從最早的依靠和發動群眾改造“四類分子”，到后來維護農村治安，再到預防化解矛盾，直到現在以群眾工作統領社會治理創新，都把黨的領導和群眾路線緊密結合起來。事實證明，“楓橋經驗”的根基在人民，血脈在人民，力量在人民。

2.2 模型建立

粉質黏土最大主應力圖，見圖2；強風化巖最大主應力圖，見圖3；弱風化巖最大主應力圖，見圖4。通過對比，在相同隧洞埋深和斷面形式下，粉質黏土、強風化巖、弱風化巖三類圍巖的最大主應力圖中，隧洞圍巖壓力最大均出現在隧洞兩底角處粉質黏土為Ⅴ類巖體，三者中重度最小，對應自重應力最小，故圍巖壓力中最大值三者最小，為2.25MPa。由于弱風化巖巖體重度最大，在相同埋深下對應位置最大主應力最大，隧洞底角可達3.2MPa，拱頂為1.0MPa。通過對不同圍巖下相同斷面形式隧洞進行數值模擬研究表明：從最大主應力圖中，雖然為三種不同圍巖，但是可以看到三者均是在隧道拱頂、底角的壓應力相對較大，在隧道側壁相對較小。

粉質黏土總位移等高線(顯示變形向量和變形邊界比例1∶500)，見圖8；強風化巖總位移等高線(顯示變形向量和變形邊界比例1∶500)，見圖9；弱風化巖總位移等高線(顯示變形向量和變形邊界比例11∶500)，見圖10。為了更清晰的顯示出變形方向和變形位置，這里選取了1∶500的顯示比例來顯示變形向量和變形邊界。從總位移變形圖上可以看到，三者總變形的最大變形分別為2.99mm、0.10mm、0.02mm。

根據實際工程方案，引水隧洞斷面形式為半圓直墻拱，埋深約25.1m，為淺埋隧洞，底寬4.0m，洞高4.0m，永久支護襯砌采用鋼筋混凝土襯砌。隧洞數值計算模型，見圖1。由于6倍洞徑以外部分通常不受隧洞開挖影響，故模型邊界條件選擇自動創建，膨脹系數選擇為7，側面添加外部約束限制水平位，模型底面添加外部約束限制垂直位移。

圖1 隧洞數值計算模型

模型有限單元網格劃分，單元類型選擇為三角形，模型共劃分1280個單元和2716個節點。數值模擬中選取Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ三類圍巖代表土體粉質黏土、強風化花崗巖和弱風化花崗巖三類土體分別作為研究對象，各巖層所選取的物理力學參數據冒頂處現場地質勘探資料所得。模型計算采用Mohr-Coulomb強度準則，地應力主要考慮自重應力。三種圍巖的物理力學參數，見表1。

表1 三種圍巖的物理力學參數

3 計算結果與分析

3.1 應力結果

為研究隧洞開挖斷面在不同巖體作用下的應力和變形分析，文章將以二甲溝水庫引水隧洞開挖斷面作為Phase2軟件的計算模型，依據巖體基本質量指標BQ選取質量等級Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類巖體作為圍巖土體，對同一工況的淺埋隧洞穩定性進行分析。

圖2 粉質黏土最大主應力圖

圖3 強風化巖最大主應力圖

圖4 弱風化巖最大主應力圖

多種巖土工程項目分析可以運用Phase2于軟件，包括地表或地下開挖的支護設計、邊坡穩定分析、地下水滲流分析以及概率分析等領域。該軟件主要分析平面應變問題和空間軸對稱問題，可以在均勻場應力單獨作用或自重應力單獨作用以及二者共同作用下的地應力分布下，模擬巖土工程不同開挖階段、不同力學性能的巖體材料的應力和變形分布，并且可以自動繪制出圍巖應力應變的分布圖。相對于傳統計算方法來說，它可以更直觀、更清晰的反映出應力應變的分布規律以及極值，尤其在復雜地下開挖支護條件下更加具有優勢。

圖5 粉質黏土強度因數圖

圖6 強風化巖強度因數圖

圖7 弱風化巖強度因數圖

3.2 位移結果

婦產科急腹癥是一種常見的臨床急診病例，隨著彩超技術的不斷發展以及超聲分瓣率的提高，彩超為婦產科急腹癥患者提供了極大的幫助，為臨床早發現、早診斷、早治療提供強有力的依據。本文分析了我院2017年1月1日—2017年12月1日臨床確診的100例婦產科急腹癥患者，通過這些實際案例探索彩超在婦產科急腹癥的臨床價值。

圖8 粉質黏土總位移等高線(顯示變形向量和變形邊界比例1∶500)

圖9 強風化巖總位移等高線(顯示變形向量和變形邊界比例1∶500)

通過粉質黏土、強風化粗粒花崗巖和弱風化粗粒花崗巖三類土體圍巖應力和變形結果的比較和分析，可以得到以下結論：

圖10 弱風化巖總位移等高線(顯示變形向量和變形邊界比例11∶500)

3.3 結果分析

由于上覆土層淺，粉質黏土地質軟弱，抗剪承載力低，難以形成有效荷載拱，故粉質黏土圍巖變形明顯，整個拱頂和側壁均出現較大向內變形，隧洞底部出現明顯向上拱起[11-12]，此時隧洞開挖后不能自穩，需及時采取支護措施，防止出現重大安全事故。強風化巖圍巖變形不大，隧洞側面和底部有微小變形，如無外界干擾尚可自穩。對于弱風化巖來說，變形基本可以忽略，此時圍巖穩定。

二甲溝水庫工程位于黑龍江省哈爾濱市通河縣。引水隧洞長度2410m，隧洞型式為圓拱直墻形，底寬4.0m，洞高4.0m。引水隧洞位于低山丘陵地區，隧洞沿線局部穿過山間臺地，洞頂埋深約為25.1m。大部分山體表層覆蓋有機質低液限粉質黏土，下部為強風化和弱風化粗粒花崗巖。據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)[9]和《工程巖體分級標準》(GB50218-94)[10]規定，隧洞大部分上覆巖體屬于軟質巖以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。局部地表為水田，山體受多年浸泡的影響，土體及巖體均處于飽水狀態，巖石巖性以強、弱風化花崗巖為主，地質條件差，施工難度大，施工開挖存在安全隱患，因此做好隧洞圍巖應力和變形分析尤為重要。

1)埋深25.1m的半圓直墻拱形隧洞，粉質黏土圍巖無法自穩，主要破壞形式為“壓 - 剪”破壞，隧洞兩底角出現應力集中，且整體變形較大，最大達2.99mm。由于本身粉質黏土為軟弱土體，無支護情況下，應力集中處會出現松散脫落現象，頂拱土體塌落，故在此類土體施工要及時支護，合理設計，往往需要邊開挖邊支護，以防出現重大安全事故。

2)埋深25.1m的半圓直墻拱形隧洞，強風化巖的圍巖應力和變形都在巖體承受范圍之內，在無外界干擾的情況下，可自穩，但是要注意地下水的影響。

3)埋深25.1m的半圓直墻拱形隧洞，弱風化巖在此工況下變形微小，可以自穩。

（三）重師權，輕民主。在實驗操作的過程中，會出現很多的實驗數據記錄和處理，這些數據直接決定了實驗的結論，教師進行實驗數據和結論的時候，經常會出現教師霸權主義，教師缺乏科學的精神。

4 結 語

文章通過3種不同巖體隧洞圍巖應力和變形情況的分析，得到了3種不同圍巖的自穩能力情況。依據上述圍巖自穩能力的分析結果，在不同圍巖中開挖隧洞要注意采取不同的開挖方案和支護方式，合理考慮氣候的不利影響，以防隧洞坍塌或出現地表過大沉降，產生工程事故。通過計算分析不同圍巖自穩能力，對于淺埋式隧洞開挖支護參數確定、支護方案設計和后期維護都具有一定的意義。文章只是對該問題作了初步研究，還有待后續優化計算模型進一步開展研究。