大型地下水封洞庫主洞室穩定性研究

李云鵬

（惠州國儲石油基地有限責任公司，廣東惠州516080）

大型地下水封洞庫主洞室穩定性研究

李云鵬*

（惠州國儲石油基地有限責任公司，廣東惠州516080）

地下洞室的穩定性問題是地下洞室設計、施工所需面對的一個核心問題，通過對洞室圍巖穩定性進行分析，可以了解洞室開挖后圍巖的應力重分布狀態、變形情況，分析出洞室圍巖是否發生塑性變形及塑性區范圍，為洞室的尺寸、軸線方向、洞室間距等設計及洞室開挖方法及順序提供參考。采用數值計算方法對大型水封石油洞庫的一個主洞室進行分析，模擬實際的開挖工序，分析了不同等級巖體內不同截面形狀、不同截面尺寸地下洞室圍巖的應力、變形分布情況及其穩定性。

水封洞庫；圍巖；尺寸；形狀；巖體等級

1 概述

國際上的石油儲備庫分為地上油庫和地下油庫2種，而作為大規模的儲備庫多以地下油庫為主。地下油庫分為2種，一種是水封巖石洞庫，另一種是鹽巖洞庫。水封巖石洞庫的儲油原理是在穩定的地下水位線以下一定的深度，通過人工在地下巖石中開挖出一定容積的洞室，利用穩定地下水的水封作用密封儲存在洞室內的石油。鹽巖庫則是利用埋藏在一定深度的鹽巖，其孔隙率和滲透率幾乎等于零，具有很好的氣密性和液密性，在鹽巖中沖刷出來的洞穴中儲存石油。這兩種形式的地下庫在國外已建造了很多，如北歐多花崗巖體，多采用水封巖石洞庫，美國、加拿大等有厚鹽巖層的國家多建鹽巖洞庫。

地下水封巖石洞庫最先出現在瑞典、挪威等北歐國家，現在僅在斯堪的納維亞地區就建有200多座地下水封巖石原油庫，總庫容達1830×104m3。日本建有3座地下水封巖石原油庫，總庫容500×104m3。美國建有5個地下鹽巖洞庫，總庫容達到1×108m3以上[1]。我國于20世紀70年代在山東黃島成功建設了一座15×104m3的地下水封油庫，至今運營狀況良好，可以作為地下水封油庫選址的范例。但是，要應對當前地下水封油庫動輒數百萬方大庫容、大跨度、高邊墻的工程特點，從理論上系統地研究大型地下水封洞庫主洞室群穩定性已成為我們刻不容緩的任務[2-3]。

本文采用FLAC3D數值分析軟件對大型水封石油洞庫的一個主洞室進行分析，模擬實際的開挖工序，分析不同等級巖體內不同形狀和不同尺寸洞室圍巖的應力、變形情況與穩定性。

2 計算方法與原理

FLAC3D軟件是大型顯式有限差分數值計算軟件，FLAC是Fast Lagrangian Analysis of Continua縮寫，可翻譯為連續介質快速拉格朗日分析，是由美國名尼蘇達ITASCA咨詢集團于1986年研制推出。它應用了結點位移連續的條件，可以對連續介質進行大變形分析，同時FLAC3D又可以對地下水產生的滲流場進行模擬計算，可以實現水巖（土）相互作用的耦合分析。

FLAC3D軟件采用拉格朗日方法運算，按時步采用動力松弛的方法來求解，不需要形成剛度矩陣，不用求解大型聯立方程組，占用內存較少，便于用微機求解大型工程問題。

運用FLAC3D軟件進行一個工程的模擬分析計算，須確定問題的3個基本元素，即：網格模型、材料本構關系及參數、模型的邊界和初始條件。網格模型確定問題的幾何形狀；本構關系和材料參數要求模型再現“干擾”（比如，由于開挖的變形響應）的響應類型；邊界和初始條件一般定義原位狀態。在FLAC中，在這些條件確定后，首先為模型進行初始平衡狀態的計算，然后進行改變（例如，開挖或改變邊界條件），接著進行計算模型的結果響應。FLAC軟件應用精確時步方法解決代數方程，在一系列計算布置后，獲得計算答案。在FLAC中，解決問題的時步數目可以由代碼自動控制或用戶人工控制，在分析洞室穩定性的時候，一般均把洞室圍巖看作均質各向同性介質，通過弱化巖體參數的方法來表現節理裂隙的影響。

3 數值計算

3.1 計算模型

洞室截面形狀采用直墻圓拱形和斜墻圓拱形兩種，如圖1所示，每種斷面形狀都計算了3種不同的截面尺寸，如表1所示。

圖1 洞室截面形狀

表1 洞室斷面尺寸

模型尺寸為100mm×200mm×190m，x軸垂直洞室軸線方向，y軸平行軸線方向，z軸為豎直方向，模型以y=0和x=0為對稱面，模型并未模擬至地表高程，地表至模型頂面的巖體按其自重施加于模型頂面邊界。在x方向上，模型邊界離洞室外壁的距離為90m。在y方向上，模型總長為200m，其中洞室長度為100m。

3.2 邊界條件

數值分析的邊界條件通常有位移邊界條件和應力邊界條件，位移邊界條件中最常用的就是固定邊界條件。對于靜力問題，可以將無窮遠處邊界和對稱面定為固定邊界條件，本次數值分析，將模型的底面和對稱面（y=0、x=0）設為固定邊界，分別限制邊界上節點在z方向和y、x方向上的移動。在垂直于x方向的外邊界上（x=100）和垂直于y方向的外邊界（y=200）上施加應力邊界條件。根據某實際工程的地應力模擬結果[4]，工程區域內的水平最大主應力約為10.0MPa，近垂至于洞室軸線方向（y方向）；水平最小主應力約為6.5MPa，近平行于洞室軸線方向（y方向），因此在模型的x=100邊界上施加10.0MPa的壓應力，在y=200邊界上施加6.5MPa的壓應力。將模型的頂面設為自由邊界面，同時施加因上覆巖體自重而產生的壓應力，在本次研究中，設洞室拱頂埋深為150m，而模型上頂面距洞室拱頂的距離為80m，故還需在模型頂面施加70m的巖體自重（為1.89MPa）作為邊界應力。在計算時亦考慮了巖體自重的作用。

需要指出的是，實際工程洞室軸線很少能夠正好與最大原巖主應力垂直，而是考慮到洞室圍巖的穩定性。往往在設計時，盡量使得洞室軸線與最大原巖主應力小角度相交，按照本文上述方法施加邊界應力實際上是在最不利條件下分析洞室圍巖穩定性，增加了分析結果的安全性，同時不必在模型邊界上施加剪應力，使得模型結構和邊界條件在兩個對稱面（y=0、x= 0）上嚴格對稱，大大減少模型單元數，增加了計算效率。

3.3 材料本構及參數

本次研究有限差分法屬于連續介質數值分析方法，計算過程中將洞室圍巖視為均勻各向同性彈塑性介質，材料破壞規律服從莫爾—庫侖準則。由于本次研究并非針對某個特定的地下水封洞室工程，因此本次研究采用工程巖體分級標準（GB 50218-94）推薦的巖體參數下限值來進行計算[5]，數值分析考慮了Ⅰ級和Ⅱ級2種不同巖體類型，其具體物理力學參數列于表2。

表2 巖體參數

4 結果分析

4.1 Ⅰ級巖體

本次數值分析對洞室進行三步開挖，第一步開挖拱頂部分，第二步開挖中部直墻部分，第三步開挖下部直墻部分。將1#、2#、3#模型的各圍巖特征點的應力值和位移值列于表3，表中應力值為負數表示拉應力。綜合對比分析3種不同尺寸直墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應力可知，3種洞室圍巖的位移和應力分布形式基本相同，其量值亦相差不大，總體上有如下規律：隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖各特種部位的位移均相應減小；各特征部位x方向壓應力集中程度隨洞室截面尺寸減小而略微有所加劇，而y、z方向的壓應力集中程度則略微有所減緩；邊側直墻巖壁處產生的拉應力隨洞室截面尺寸減小有所降低，而且拉應力區域面積逐漸減小；隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖塑性區發展深度有所減小。

表3 Ⅰ級巖體不同尺寸直墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應力與位移

為了解洞室截面形狀對圍巖穩定性的影響，故而分析斜墻圓拱形洞室圍巖穩定性，與直墻圓拱形洞室一樣，斜墻圓拱形洞室也是分為三步開挖，為了對比分析不同洞室形狀對圍巖穩定性的影響，在此直接列出各尺寸斜墻圓拱形洞室開挖完成后圍巖的應力、變形及破壞情況，并將其與相應尺寸直墻圓拱形洞室圍巖進行對比分析。

將4#、5#、6#模型的各圍巖特征點的應力值和位移值列于表4，表4中應力值為負數表示拉應力。綜合對比分析3種不同尺寸斜墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應力可知，斜墻圓拱形洞室圍巖的應力和變形情況隨洞室尺寸的變化規律與直墻圓拱形洞室圍巖基本相同。

表4 Ⅰ級巖體不同尺寸斜墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應力與位移

對比分析表3和表4中相同洞室尺寸，不同形狀洞室圍巖特征點的位移、應力可知：斜墻圓拱形洞室圍巖的應力分布與直墻圓拱形洞室圍巖相比，分布規律基本相同，量值亦相差不大；斜墻圓拱形洞室拱頂處圍巖x方向的壓應力值略比直墻圓拱形洞室圍巖大，這主要是因為斜墻圓拱形洞室的圓拱直徑略小于直墻圓拱形洞室，同理在圓拱巖壁附近z方向的壓應力值也略比直墻圓拱形洞室圍巖的大，斜墻圓拱形洞室邊墻處x、z方向的拉應力均較直墻圓拱形洞室圍巖要略小，兩種形狀洞室圍巖y方向的應力基本一樣；斜墻圓拱形洞室圍巖最大位移亦出現在邊墻處，其最大位移值略大于直墻圓拱形洞室圍巖，此外，底板的隆起量略大于直墻圓拱形洞室圍巖，而兩端邊墻的位移值則略小于直墻圓拱形洞室圍巖。

4.2 Ⅱ級巖體

將Ⅱ級巖體1#、2#、3#模型的各圍巖特征點的應力值和位移值列于表5，表5中應力值為負數表示拉應力。綜合對比分析Ⅱ級巖體中3種不同尺寸直墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應力可知，3種洞室圍巖的位移和應力分布形式基本相同，其量值亦相差不大，總體上有如下規律：隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖各特種部位的位移均相應減小；洞室圍巖各方向最大壓應力隨洞室截面尺寸減小而略微有所減小，x、z方向的拉應力則有所增大，而y方向上的拉應力有所減小；隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖塑性區域及發展深度有所減小。

表5 Ⅱ級巖體不同尺寸直墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應力與位移

綜合對比分析Ⅰ、Ⅱ級巖體直墻圓拱形洞室圍巖的應力、位移和破壞情況（表3和表5）可知不同質量等級巖體中相同尺寸直墻圓拱形洞室圍巖應力和變形的變化規律：隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖各方向上的壓應力明顯減小，尤其是x方向上的壓應力，而拉應力變化不大；隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖各特征部位的位移明顯增大，Ⅱ級巖體洞室圍巖最大位移值比Ⅰ級巖體洞室圍巖最大位移值增大約70%；隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖發生破壞的范圍及其發展深度均顯著加大。

將Ⅱ級巖體中4#、5#、6#模型各圍巖特征點的應力值和位移值列于表6，表中應力值為負數表示拉應力。綜合對比分析Ⅱ級巖體中3種不同尺寸斜墻圓拱形洞室圍巖特征點的位移、應力可知，斜墻圓拱形洞室圍巖的應力和變形隨洞室尺寸的變化規律與直墻圓拱形洞室圍巖基本相同。

對比分析表5和表6中Ⅱ級巖體相同洞室尺寸，不同形狀洞室圍巖特征點的位移、應力可知：斜墻圓拱形洞室圍巖的應力分布與直墻圓拱形洞室圍巖相比，分布規律基本相同，量值亦相差不大；斜墻圓拱形洞室拱頂處圍巖x方向的壓應力值略比直墻圓拱形洞室圍巖大，這主要是因為斜墻圓拱形洞室的圓拱直徑略小于直墻圓拱形洞室，同理在圓拱巖壁附近z方向的壓應力值也略比直墻圓拱形洞室圍巖大，斜墻圓拱形洞室邊墻處x、z方向的拉應力均較直墻圓拱形洞室圍巖要略小，兩種形狀洞室圍巖y方向的應力基本一樣；斜墻圓拱形洞室圍巖最大位移亦出現在邊墻處，其最大位移值略大于直墻圓拱形洞室圍巖，此外，底板的隆起量略大于直墻圓拱形洞室圍巖，而兩端邊墻的位移值則與直墻圓拱形洞室圍巖基本一致。

綜合對比分析Ⅰ、Ⅱ級巖體斜墻圓拱形洞室圍巖的應力、位移和破壞情況（表4和表6）可知不同質量等級巖體中相同尺寸斜墻圓拱形洞室圍巖應力和變形的變化規律：隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖各方向上的壓應力明顯減小，尤其是x方向上的壓應力，而拉應力變化不大；隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖各特征部位的位移明顯增大，Ⅱ級巖體洞室圍巖最大位移值比Ⅰ級巖體洞室圍巖最大位移值增大約70%；隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖發生破壞的范圍及其發展深度均顯著加大。

表6 Ⅱ級巖體不同尺寸斜墻圓拱形洞室開挖后圍巖特征點應力與位移

5 結論

地下洞室的穩定性問題是地下洞室設計、施工所需面對的一個核心問題，通過對洞室圍巖穩定性進行分析，可以了解洞室開挖后圍巖的應力重分布狀態、變形情況，分析出洞室圍巖是否發生塑性變形及塑性區范圍，本文采用有限差分法分析了不同等級巖體、不同形狀、不同尺寸洞室圍巖的穩定性，發現：

（1）隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖各特種部位的位移均相應減小；各特征部位x方向壓應力集中程度隨洞室截面尺寸減小而略微有所加劇，而y、z方向的壓應力集中程度則略微有所減緩；邊側直墻巖壁處產生的拉應力隨洞室截面尺寸減小有所降低，而且拉應力區域面積逐漸減小；隨洞室截面尺寸減小，洞室圍巖塑性區發展深度有所減小。

（2）斜墻圓拱形洞室圍巖的應力分布與直墻圓拱形洞室圍巖相比，分布規律基本相同，量值亦相差不大；斜墻圓拱形洞室拱頂處圍巖x、z方向的壓應力值略比直墻圓拱形洞室圍巖大，而邊墻處x、z方向的拉應力均較直墻圓拱形洞室圍巖要略小，兩種形狀洞室圍巖y方向的應力基本一樣；斜墻圓拱形洞室圍巖最大位移亦出現在邊墻處，其最大位移值略大于直墻圓拱形洞室圍巖，此外，底板的隆起量略大于直墻圓拱形洞室圍巖，而兩端邊墻的位移值則略小于直墻圓拱形洞室圍巖。

（3）隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖各方向上的壓應力明顯減小，尤其是x方向上的壓應力，而拉應力變化不大；隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖各特征部位的位移明顯增大，Ⅱ級巖體洞室圍巖最大位移值比Ⅰ級巖體洞室圍巖最大位移值增大約70%；隨巖體質量等級的降低，洞室圍巖發生破壞的范圍及其發展深度均顯著加大。

[1]陳祥.黃島地下水封石油洞庫巖體質量評價及圍巖穩定性分析[D].北京:中國地質大學（北京）,2007.

[2]朱以文,黃克戩,李偉.地應力對地下洞室開挖的塑性區影響研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(8):1344-1348.

[3]祁文剛.二灘水電站泄洪洞典型圍巖穩定性分析[J].水電站設計,2002,18(2):62-65.

[4]陳祥,孫進忠,張杰坤,陳慶壽.黃島地下水封石油洞庫場區地應力場模擬分析[J].巖土工程學報,2009,31(5):713-719.

[5]GB50218-94工程巖體分級標準[S].中國計劃出版社，1995.

TE822

A

1004-5716(2015)01-0166-05

2014-02-18

2014-03-05

李云鵬（1962-），男（漢族），黑龍江訥河人，工程師，現從事地下洞庫的管理和研究工作。