杨凡 李萍 常峻 武振

1 概述

1.1 工程概况

凤凰寨隧洞为2016年第11标段是鄂北地区水资源配置工程中的一段关键性工程，设计输水流量7.4m3/s，建筑物级别为3级，隧洞长10.13km，是无压输水。

隧洞进口位于广水市王家湾村以北100m，出口位于广水市郝店镇西北侧约460m，线路走向总体从西北向东南，沿线地面高程118.5～344m，相对高差220m左右，为低山丘陵地形。工程区属秦岭褶皱系一级构造单元。隧洞位于北大巴山—随县加里东褶皱带（二级）随县—会寨复背斜（三级）关庙倒转复式背斜（四级）关庙倒转背斜北翼，洞身沿线穿越F19、F20、F22、F23和F10共5处断层，相应最大埋深分别为70、100、100、50、65m。

1.2 凤凰寨隧洞设计

隧洞设计为城门洞形断面，过水断面净宽3.5m，净高4.14m，隧洞过断层带位置开挖外轮廓宽4.6m，高5.19 m。隧洞顶拱及侧墙挂网喷C25混凝土，厚15cm，钢筋网Φ8@15cm×15cm；顶拱及侧墙设Φ22mm系统锚杆，长2.5m，间排距1m；顶拱及侧墙底角设Φ22mm锁角锚杆，长3.5m，排距75cm；顶拱及侧墙设工12型钢拱架，榀距75cm；顶拱120°范围设超前小导管注浆，长4m外倾角10°，环向间距0.4m，排距2m。全断面浇注钢筋混凝土衬砌，厚40cm。

2 计算理论及方法

2.1 计算程序

Phase2是加拿大Rocscience公司基于二维有限元原理开发的一款功能强大的岩土工程分析程序，其内置多种形式锚杆（如端锚、全粘接锚杆、水涨式锚杆等）和支护结构单元（如梁单元、喷混单元、钢筋网单元、钢拱架单元、钢格栅拱架单元等），被广泛应用于国内外各类工程分析中，特别是地下开挖支护工程，有许多成功应用的案例。本次选用Phase2计算程序进行凤凰寨隧洞的稳定计算分析。

2.2 围岩允许变位

根据规范[1]，洞周允许相对收敛量见表1。

表1 隧洞、洞室周边允许相对收敛值

3 计算输入

3.1 计算模型

计算坐标系：x轴为水平方向，与隧洞轴线方向垂直，指向右为正；y轴为竖直方向，向上为正。

计算模型范围：在岩体中开挖隧洞时，地应力二次分布的影响范围有限，一般距洞室中心点3～5倍开挖宽度的范围内影响较大。本次计算在隧洞左、右方向沿洞开挖边界往外延伸不小于5倍开挖宽度，上、下方向沿洞开挖边界往外延伸不小于5倍开挖高度作为模型截取边界。

边界条件：有限元模型截取边界为位移约束边界，考虑模型四周边界处受隧洞开挖支护的影响很小，几乎可以忽略不计，故在模型四周边界均采取约束水平向和竖直向位移的方式。

采用网格映射划分技术建立隧洞穿断层带（V类围岩）洞段典型断面的二维有限元计算网格图，计算中考虑了隧洞的开挖和支护的施工过程，拟定不同的施工步，其网格模型如图1所示（为突出隧洞，图中仅显示隧洞及周边网格）。

图1 隧洞穿断层带洞段典型断面有限元计算网格

3.2 计算荷载工况

本次有限元计算选择隧洞沿线穿断层带洞段最大埋深断面（穿F22断层，最大埋深100m）进行计算分析，主要对隧洞一次支护结构稳定性进行验算，计算中，围岩自重应力、衬砌重度等荷载均采用标准值，然后验算围岩及支护结构在外荷载作用下所受力是否超过其设计强度。

3.3 计算参数

本此计算采用围岩力学参数见表2。

4 计算结果分析

4.1 计算模拟过程

假定岩体是均质、连续的，且所提力学参数准确。通过设置不同的计算步来模拟隧洞的施工情况，具体模拟过程如下：

计算步1（施工步1）：隧洞开挖完成，围岩部分应力得以快速释放，岩体向临空面发生变位，应力发生调整，临空面周边围岩出现屈服的可能。

表2 隧洞围岩力学参数表

计算步2（施工步2）：施加一次支护结构，围岩内剩余应力全部释放或释放绝大部分，一次支护结构抵抗围岩向临空面的变位趋势，从而自身产生内力；此阶段由于围岩应力的继续释放以及一次支护的抵抗作用，隧洞围岩内应力发生再次调整，围岩屈服区域伴随应力的调整发生变化。

计算中，参照类似工程计算经验，偏安全考虑，假定计算步1围岩应力释放比例为75%，计算步2围岩应力完全释放。

4.2 计算结果及分析

4.2.1 围岩变位分析

计算得到计算步2（一次支护结构完成）隧洞围岩变位分布如图2所示。图中水平位移沿x轴正向为正，竖直位移沿y轴正向为正。

考虑到隧洞围岩发生塑性屈服，洞周允许相对收敛值取表1中大值；隧洞开挖宽为4600mm，故侧墙间允许最大相对变位为4600×1.6%=73.6mm；隧洞开挖高5190mm，故顶拱与底拱间允许最大相对变位为5190×1.6%=83mm。分析位移分布可知，一次支护完成，围岩应力完全释放，侧墙间相对变位为56mm，不超过允许值；顶拱与底拱间相对变位为35mm，不超过允许值，在上述计算假定下，隧洞围岩变位满足规范要求。

4.2.2 围岩塑性区分析

分析不同施工阶段围岩塑性区范围可知，隧洞开挖完成一次支护前，围岩应力释放75%，洞周围岩发生较大范围塑性屈服；一次支护结构完成，围岩应力释放至100%，围岩塑性区范围基本没有变化。计算结果表明，隧洞开挖后围岩虽有较大范围发生屈服，但在一次支护结构作用下，围岩应力的进一步释放并未加大塑性区的扩展范围，围岩塑性区发展受到限制。

图2 一次支护结构完成隧洞围岩位移分布图（单位：m）

4.2.3 支护结构内力及稳定分析

隧洞穿断层带洞段一次支护为挂网+钢拱架+喷混凝土+系统锚杆，由于钢筋网自身柔性等特性，其所受内力很小，此处不予分析。

4.2.3.1 锚杆内力分析

一次支护结构完成，围岩应力完全释放，锚杆轴力分布如图3所示。

分析锚杆轴力分布图可知，总体上越靠近临空面锚杆轴力较大。侧墙两侧局部锚杆单元发生屈服，其他部位锚杆单位轴力均不超过锚杆抗拉强度，总体上锚杆结构是安全的。

图3 一次支护结构完成（计算步2）锚杆轴力分布图（单位：kN）

4.2.3.2 钢拱架内力及稳定分析

图4 一次支护结构完成（计算步2）钢拱架内力分布

一次支护结构完成，围岩应力完全释放，钢拱架内力分布如图4所示。分析钢拱架内力分布，一次支护完成，围岩应力释放至100%，钢拱架轴力最大值约为167kN，出现在顶拱拱角；钢拱架轴力最小值约为86kN，出现在顶拱中心；钢拱架轴力由顶拱中心和侧墙底部向顶拱拱角逐渐增大。钢拱架所受弯矩整体较小，最大值约为9.2kN·m，外侧受拉，出现在顶拱拱角。分析钢拱架安全系数包络图，拱架结构单元抗剪及抗弯矩安全系数均大于1，且基本大于1.6，满足稳定要求。

4.2.3.3 喷混内力及稳定分析

一次支护结构完成，围岩应力完全释放，喷混内力分布如图5所示。

图5 一次支护结构完成（计算步2）喷混内力分布

分析喷混内力分布，一次支护完成，围岩应力释放至100%，喷混内力分布趋势及出现极值位置同钢拱架，轴力最大值约为791kN，轴力最小值约为408kN；所受弯矩最大值约为33.9kN·m。分析喷混安全系数包络图，喷混结构单元抗剪安全系数均大于1.6；除顶拱两侧拱角局部，喷混结构单元抗弯矩安全系数均大于1.2，喷混结构整体满足稳定要求。

5 结语

基于平面有限元理论和典型断面分析方法，采用国际通用岩土分析程序phase2对凤凰寨隧洞穿越断层带洞段一次支护结构进行了稳定复核分析。结果表明，假定岩体是均质、连续的，所提力学参数准确，隧洞开挖完成围岩应力释放比例为75%，隧洞一次支护完成围岩应力完全释放，在设计支护结构条件下，隧洞位移满足规范要求，一次支护结构整体处于稳定状态。