基于Phase2軟件的淺埋隧洞不同圍巖自穩(wěn)能力分析

賈晶璽，于 奎，黃 勇，盛健挺，梁江晟

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150000；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)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(wěn)能力差、承載力小和變形大等特點(diǎn)，常導(dǎo)致淺埋式隧洞施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、工程處理措施費(fèi)用高，這是隧洞工程建設(shè)中常常遇到的問(wèn)題[1]。如果選用的施工開挖方法或臨時(shí)支護(hù)方式不合理、不及時(shí)，極有可能引發(fā)隧洞局部坍塌或出現(xiàn)地表過(guò)大沉降，產(chǎn)生工程事故。針對(duì)以上問(wèn)題，專家學(xué)者們進(jìn)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(shè)地層變位和圍巖應(yīng)力測(cè)試元件，對(duì)開挖時(shí)黃土地區(qū)大跨徑淺埋隧道的地層及圍巖力學(xué)特性變化規(guī)律進(jìn)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(wěn)破壞形態(tài)，建立了淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法，對(duì)巖土體非線性破壞準(zhǔn)則對(duì)淺埋隧道圍巖壓力的影響規(guī)律進(jìn)行了探討[3]。楊鐵雄等針對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和極限分析在圍巖壓力計(jì)算模型中的局限性，推導(dǎo)出能分析隧道斷面參數(shù)對(duì)圍巖壓力影響的計(jì)算公式，并以實(shí)際工程為例進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)算[4]。張建陽(yáng)通過(guò)對(duì)比分析巷道圍巖在支護(hù)前后的變形場(chǎng)和塑形場(chǎng)分布規(guī)律，理論上驗(yàn)算了巷道支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度[5]。

圍巖壓力作為隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容，受巖石和巖體力學(xué)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(kù)引水隧洞為實(shí)例，利用有限元分析軟件Phase2分析不同圍巖應(yīng)力和變形，在計(jì)算中通過(guò)調(diào)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(wěn)定性并給出施工開挖方案和臨時(shí)支護(hù)建議。

語(yǔ)言的發(fā)展變化具有非線性的特征，充滿著不可預(yù)測(cè)性。在以往語(yǔ)言研究中，語(yǔ)言系統(tǒng)往往被描述為一組明確規(guī)則的組合，各個(gè)部分之間具有線性的相互作用，語(yǔ)言在本質(zhì)上是線性的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。然而，研究表明，在母語(yǔ)習(xí)得和二語(yǔ)習(xí)得過(guò)程中，語(yǔ)言都表現(xiàn)出非線性的系統(tǒng)復(fù)雜性和變異性。例如，有研究表明語(yǔ)音意識(shí)(phonological awareness)是母語(yǔ)中閱讀習(xí)得的最佳先導(dǎo)之一（沈昌宏，呂敏，2008）。這種非線性可歸因于語(yǔ)言系統(tǒng)內(nèi)部的全面連接性和交互性。所謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。由于語(yǔ)言系統(tǒng)內(nèi)部的子系統(tǒng)在多個(gè)層面上相互連接，交互變化，因此，某個(gè)部分的變化不僅會(huì)引起其他部分的變化，甚至還會(huì)引發(fā)整個(gè)語(yǔ)言系統(tǒng)的變化。

1 計(jì)算方法

1.1 數(shù)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(shù)值模擬。數(shù)值模擬是將巖石、混凝土等有關(guān)材料和荷載等有關(guān)條件數(shù)學(xué)化，根據(jù)相關(guān)物理、力學(xué)方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析工程巖體的力學(xué)性狀變化。數(shù)值模擬計(jì)算中運(yùn)用最廣泛的就是有限元為代表的近似計(jì)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(gè)單元的集合體，認(rèn)為單元之間通過(guò)有限個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，單元的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間的力學(xué)特性關(guān)系，得到一組以節(jié)點(diǎn)位移為未知量的代數(shù)方程組，從而求解節(jié)點(diǎn)位移分量，一經(jīng)解出就可以利用插值函數(shù)確定單元集合體上的位移場(chǎng)函數(shù)并得到單元應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)。

1.2 Phase2軟件

巖土工程有限單元法的常用計(jì)算分析軟件有Ansys[6]、FLAC、 adina、Mare和Sap5等。近幾年來(lái)由加拿大Rocscience公司研發(fā)的 Phase2有限元計(jì)算軟件開始在國(guó)內(nèi)使用[7]。相對(duì)于其他有限元分析軟件來(lái)說(shuō)，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(fù)雜的、多工況模型的建模分析，并且能夠分析漸進(jìn)破壞、土與結(jié)構(gòu)相互作用及各種其它問(wèn)題。

粉質(zhì)黏土強(qiáng)度因數(shù)圖，見圖5；強(qiáng)風(fēng)化巖強(qiáng)度因數(shù)圖，見圖6；弱風(fēng)化巖強(qiáng)度因數(shù)圖，見圖7。強(qiáng)度因數(shù)為給定點(diǎn)處巖體有效強(qiáng)度與圍巖應(yīng)力的比值，即強(qiáng)度因數(shù)(基于彈性分析結(jié)果)≤1時(shí)，如果不加以支護(hù)，就會(huì)發(fā)生破壞。很明顯，Ⅴ類土體的粉質(zhì)黏土在兩底角附近出現(xiàn)了大量強(qiáng)度因數(shù)<1的區(qū)域，說(shuō)明該土體在無(wú)支護(hù)下必會(huì)破壞。結(jié)合主應(yīng)力圖，該土體圍巖周圍出現(xiàn)了明顯的壓應(yīng)力圈，該處圍巖發(fā)生破壞時(shí)，以“壓 - 剪”破壞模式為主。圖6和圖7中，強(qiáng)風(fēng)化巖和弱風(fēng)化巖在相同位置均未出現(xiàn)強(qiáng)度因數(shù)<1的區(qū)域，故以彈性分析時(shí)在無(wú)干擾情況下可自穩(wěn)。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 工程概況

據(jù)介紹，每一個(gè)合作的農(nóng)戶或種植基地，農(nóng)拓者都會(huì)安排專業(yè)人員對(duì)土壤進(jìn)行分析，收集歷年作物生長(zhǎng)、天氣變化等大量數(shù)據(jù)，在大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)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(guò)程中進(jìn)行監(jiān)督化的跟蹤管理。在這種模式下，農(nóng)民的種植水平得以提升，避免了肥藥的浪費(fèi)和無(wú)效施用，精準(zhǔn)的病蟲害解決方案保障了作物健康，促進(jìn)了農(nóng)民增產(chǎn)增收，交出了辣椒畝產(chǎn)增幅30%、番茄畝產(chǎn)增幅40%、其他作物均有不同比例增產(chǎn)的答卷。

1.黨的領(lǐng)導(dǎo)、群眾路線，是“楓橋經(jīng)驗(yàn)”創(chuàng)新發(fā)展的根本保證?！皸鳂蚪?jīng)驗(yàn)”是群眾工作基礎(chǔ)性、經(jīng)常性、根本性的集中體現(xiàn)。50年來(lái)，“楓橋經(jīng)驗(yàn)”始終堅(jiān)持“黨政動(dòng)手、依靠群眾”這條生命線，從最早的依靠和發(fā)動(dòng)群眾改造“四類分子”，到后來(lái)維護(hù)農(nóng)村治安，再到預(yù)防化解矛盾，直到現(xiàn)在以群眾工作統(tǒng)領(lǐng)社會(huì)治理創(chuàng)新，都把黨的領(lǐng)導(dǎo)和群眾路線緊密結(jié)合起來(lái)。事實(shí)證明，“楓橋經(jīng)驗(yàn)”的根基在人民，血脈在人民，力量在人民。

2.2 模型建立

粉質(zhì)黏土最大主應(yīng)力圖，見圖2；強(qiáng)風(fēng)化巖最大主應(yīng)力圖，見圖3；弱風(fēng)化巖最大主應(yīng)力圖，見圖4。通過(guò)對(duì)比，在相同隧洞埋深和斷面形式下，粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖、弱風(fēng)化巖三類圍巖的最大主應(yīng)力圖中，隧洞圍巖壓力最大均出現(xiàn)在隧洞兩底角處粉質(zhì)黏土為Ⅴ類巖體，三者中重度最小，對(duì)應(yīng)自重應(yīng)力最小，故圍巖壓力中最大值三者最小，為2.25MPa。由于弱風(fēng)化巖巖體重度最大，在相同埋深下對(duì)應(yīng)位置最大主應(yīng)力最大，隧洞底角可達(dá)3.2MPa，拱頂為1.0MPa。通過(guò)對(duì)不同圍巖下相同斷面形式隧洞進(jìn)行數(shù)值模擬研究表明：從最大主應(yīng)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(yīng)力相對(duì)較大，在隧道側(cè)壁相對(duì)較小。

粉質(zhì)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(qiáng)風(fēng)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(fēng)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(lái)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(jù)實(shí)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(hù)襯砌采用鋼筋混凝土襯砌。隧洞數(shù)值計(jì)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(dòng)創(chuàng)建，膨脹系數(shù)選擇為7，側(cè)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(shù)值計(jì)算模型

模型有限單元網(wǎng)格劃分，單元類型選擇為三角形，模型共劃分1280個(gè)單元和2716個(gè)節(jié)點(diǎn)。數(shù)值模擬中選?、?、Ⅳ、Ⅲ三類圍巖代表土體粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和弱風(fēng)化花崗巖三類土體分別作為研究對(duì)象，各巖層所選取的物理力學(xué)參數(shù)據(jù)冒頂處現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探資料所得。模型計(jì)算采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，地應(yīng)力主要考慮自重應(yīng)力。三種圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 三種圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力結(jié)果

為研究隧洞開挖斷面在不同巖體作用下的應(yīng)力和變形分析，文章將以二甲溝水庫(kù)引水隧洞開挖斷面作為Phase2軟件的計(jì)算模型，依據(jù)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ選取質(zhì)量等級(jí)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三類巖體作為圍巖土體，對(duì)同一工況的淺埋隧洞穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖2 粉質(zhì)黏土最大主應(yīng)力圖

圖3 強(qiáng)風(fēng)化巖最大主應(yīng)力圖

圖4 弱風(fēng)化巖最大主應(yīng)力圖

多種巖土工程項(xiàng)目分析可以運(yùn)用Phase2于軟件，包括地表或地下開挖的支護(hù)設(shè)計(jì)、邊坡穩(wěn)定分析、地下水滲流分析以及概率分析等領(lǐng)域。該軟件主要分析平面應(yīng)變問(wèn)題和空間軸對(duì)稱問(wèn)題，可以在均勻場(chǎng)應(yīng)力單獨(dú)作用或自重應(yīng)力單獨(dú)作用以及二者共同作用下的地應(yīng)力分布下，模擬巖土工程不同開挖階段、不同力學(xué)性能的巖體材料的應(yīng)力和變形分布，并且可以自動(dòng)繪制出圍巖應(yīng)力應(yīng)變的分布圖。相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算方法來(lái)說(shuō)，它可以更直觀、更清晰的反映出應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律以及極值，尤其在復(fù)雜地下開挖支護(hù)條件下更加具有優(yōu)勢(shì)。

圖5 粉質(zhì)黏土強(qiáng)度因數(shù)圖

圖6 強(qiáng)風(fēng)化巖強(qiáng)度因數(shù)圖

圖7 弱風(fēng)化巖強(qiáng)度因數(shù)圖

3.2 位移結(jié)果

婦產(chǎn)科急腹癥是一種常見的臨床急診病例，隨著彩超技術(shù)的不斷發(fā)展以及超聲分瓣率的提高，彩超為婦產(chǎn)科急腹癥患者提供了極大的幫助，為臨床早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療提供強(qiáng)有力的依據(jù)。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(chǎn)科急腹癥患者，通過(guò)這些實(shí)際案例探索彩超在婦產(chǎn)科急腹癥的臨床價(jià)值。

圖8 粉質(zhì)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(qiáng)風(fēng)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(guò)粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r和弱風(fēng)化粗?；◢弾r三類土體圍巖應(yīng)力和變形結(jié)果的比較和分析，可以得到以下結(jié)論：

圖10 弱風(fēng)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(jié)果分析

由于上覆土層淺，粉質(zhì)黏土地質(zhì)軟弱，抗剪承載力低，難以形成有效荷載拱，故粉質(zhì)黏土圍巖變形明顯，整個(gè)拱頂和側(cè)壁均出現(xiàn)較大向內(nèi)變形，隧洞底部出現(xiàn)明顯向上拱起[11-12]，此時(shí)隧洞開挖后不能自穩(wěn)，需及時(shí)采取支護(hù)措施，防止出現(xiàn)重大安全事故。強(qiáng)風(fēng)化巖圍巖變形不大，隧洞側(cè)面和底部有微小變形，如無(wú)外界干擾尚可自穩(wěn)。對(duì)于弱風(fēng)化巖來(lái)說(shuō)，變形基本可以忽略，此時(shí)圍巖穩(wěn)定。

二甲溝水庫(kù)工程位于黑龍江省哈爾濱市通河縣。引水隧洞長(zhǎng)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(qū)，隧洞沿線局部穿過(guò)山間臺(tái)地，洞頂埋深約為25.1m。大部分山體表層覆蓋有機(jī)質(zhì)低液限粉質(zhì)黏土，下部為強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化粗?；◢弾r。據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)[9]和《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)[10]規(guī)定，隧洞大部分上覆巖體屬于軟質(zhì)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(tài)，巖石巖性以強(qiáng)、弱風(fēng)化花崗巖為主，地質(zhì)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(yīng)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(zhì)黏土圍巖無(wú)法自穩(wěn)，主要破壞形式為“壓 - 剪”破壞，隧洞兩底角出現(xiàn)應(yīng)力集中，且整體變形較大，最大達(dá)2.99mm。由于本身粉質(zhì)黏土為軟弱土體，無(wú)支護(hù)情況下，應(yīng)力集中處會(huì)出現(xiàn)松散脫落現(xiàn)象，頂拱土體塌落，故在此類土體施工要及時(shí)支護(hù)，合理設(shè)計(jì)，往往需要邊開挖邊支護(hù)，以防出現(xiàn)重大安全事故。

2)埋深25.1m的半圓直墻拱形隧洞，強(qiáng)風(fēng)化巖的圍巖應(yīng)力和變形都在巖體承受范圍之內(nèi)，在無(wú)外界干擾的情況下，可自穩(wěn)，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(fēng)化巖在此工況下變形微小，可以自穩(wěn)。

（三）重師權(quán)，輕民主。在實(shí)驗(yàn)操作的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理，這些數(shù)據(jù)直接決定了實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)教師霸權(quán)主義，教師缺乏科學(xué)的精神。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章通過(guò)3種不同巖體隧洞圍巖應(yīng)力和變形情況的分析，得到了3種不同圍巖的自穩(wěn)能力情況。依據(jù)上述圍巖自穩(wěn)能力的分析結(jié)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(hù)方式，合理考慮氣候的不利影響，以防隧洞坍塌或出現(xiàn)地表過(guò)大沉降，產(chǎn)生工程事故。通過(guò)計(jì)算分析不同圍巖自穩(wěn)能力，對(duì)于淺埋式隧洞開挖支護(hù)參數(shù)確定、支護(hù)方案設(shè)計(jì)和后期維護(hù)都具有一定的意義。文章只是對(duì)該問(wèn)題作了初步研究，還有待后續(xù)優(yōu)化計(jì)算模型進(jìn)一步開展研究。