某地下儲油洞庫群開挖對圍巖穩定影響分析

黃學軍　溫新亮　楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司)

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某地下儲油洞庫群開挖對圍巖穩定影響分析

黃學軍溫新亮楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司)

摘要施工過程對地下工程圍巖穩定性具有重要的影響。以遼寧某地下水封石油洞庫為工程背景，采用FLAC3D數值模擬軟件進行了洞庫群施工過程仿真模擬，分析了圍巖應力場、位移場、塑性區動態變化規律，得出了動態開挖對圍巖穩定性的影響，為工程施工提供了理論依據。

關鍵詞儲油洞庫群動態開挖FLAC3D圍巖穩定性

地下儲油洞庫具有占地少、安全性高、投資省、運營費用低等諸多優點而成為目前國內外許多國家石油戰略儲備的一種重要形式[1-3]。因其特殊的使用目的而有別于其它地下建筑工程，儲油洞庫大多建造在工程地質條件較好的花崗巖中，然而卻具有洞軸長、洞跨大且一般成群的特點，故對圍巖穩定性要求高。因此為保證施工安全，需要對施工過程中的圍巖穩定性進行動態分析。王芝銀等利用FLAC3D數值模擬軟件比選出洞庫群較優的開挖施工順序，并進行了施工過程與黏彈性穩定性分析模擬[4]；楊峰以惠州水封洞庫工程為例，開展了洞室群穩定性的分析與評價[5]；王者超運用彈塑性理論研究了花崗巖地層洞庫圍巖的變形和穩定性[6]。以上研究對于我國儲油洞庫的穩定性分析及優化設計提供了一定的理論基礎。本文以遼寧某大型地下儲油洞庫工程為例，采用FLAC3D數值模擬軟件分析施工過程中圍巖的力學響應規律及穩定性影響。

1工程概況

某水封地下儲油庫工程場區地貌單元屬于剝蝕丘陵，低矮寬厚，海拔高12.70～42.83 m，為低緩丘陵區。該區附近沒有活斷層和區域斷層的分布。斷層走向以SN、NE、NW為主，運動性質以斜滑為主，與區域主導斷裂方向(華夏系NE和新華夏系NNE)和構造主應力方向(NEE)基本一致。斷裂構造及其活動性對地下油庫建設影響較小。庫址區巖體主要為中粗粒花崗巖，穿插輝綠巖脈，細晶巖、角閃閃長玢巖等巖脈。在巖脈侵入部位，由于熱液蝕變作用，節理發育，造成巖脈和接觸帶附近的花崗巖一般較為破碎，巖脈的走向、傾向和傾角與節理基本一致，以NNW和NNE走向為主。儲油庫設計庫容為300萬m3，建造4組儲油洞罐，每組洞罐由2條斷面和長度相同的儲油洞室通過巷道相連而構成，儲油洞室長度均為934 m，斷面跨度和高度分別為19，24 m，洞室間距為38 m，斷面采用三心拱直墻型，底面標高為-80 m，頂標高為-56 m；設有4座φ3 m進油豎井，4座φ6 m出油豎井；在洞室上方設置水幕系統；設有2條施工巷道。洞室群三維模型見圖1。洞室位置關系見圖2。

圖1　洞室群三維模型

圖2　洞室位置示意

通過對3個鉆孔深部主應力值統計表明，洞庫深度范圍內的最大水平主應力為6.19～11.50 MPa，優勢方向平均為NE74.3°，最小水平主應力為3.63～9.02 MPa，垂直主應力為1.81～3.61 MPa。

2數值模型建立及方案

2.1數值模型

選取2組洞罐3北3南、4北4南作為研究對象，建立計算模型(圖3)，X軸垂直于洞室軸線方向，Z軸與洞室軸線一致，Y軸豎直向上。洞室長度取300 m，模型尺寸為386 m×300 m×230 m。計算模型地表設為自由邊界，底部設為固定約束，模型四周設為單向位移邊界,計算考慮自重應力與構造應力的影響。洞室軸線方位為NE72.8°，與實測最大主應力優勢方向基本一致。基于試驗數據的綜合分析，力學模型為摩爾-庫倫彈塑性模型，取圍巖等級為Ⅲ級，巖體力學參數見表2。

圖3　計算模型(單位:m)

圍巖級別密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比摩擦角/(°)抗拉強度/MPa內聚力/MPaⅢ265090.27451.51.8

2.2施工模擬方案

洞室群整體開挖順序為3南、4南同時開挖且超前于4北、3北，采用光面爆破，重型卡車出渣。洞室自上而下分層開挖，8 m一層，中層和下層同時開挖，掌子面相距150 m左右。為了分析方便，4南、4北、3南、3北依次記為1#、2#、3#、4#洞。

3模擬結果分析

3.1應力分析

圖4為某開挖階段應力分布。對于水平應力，開挖造成洞室邊幫附近普遍形成應力卸荷區，洞室的拱頂部位出現一定程度的應力集中，其開挖造成的擾動影響范圍隨著開挖的進行不斷發生變化，具體表現為1#、3#出現洞室中層臺階開挖至240 m時，擾動范圍從無到有并增加到1倍于開挖尺寸的大小；隨著開挖的進行擾動范圍慢慢增加，到2#、4#洞室中層臺階開挖至240 m時，擾動范圍約為2倍于洞室尺寸(圖4(a2)中洞室之間擾動范圍相互貫通)。1#、3#洞室開挖過程中在洞室邊幫中部形成了部分拉應力區，到2#、4#洞室開挖時，拉應力區消失。垂直應力變化規律與水平應力大致相同，不同之處在于洞室開挖后對垂直應力擾動范圍相較于水平應力擾動范圍明顯減小，表明開挖過程對洞室邊幫的影響程度大大超過對洞室頂底板的影響程度。

3.2位移分析

隨著施工的進行，洞室周圍巖體向空區位移變形，形成了以洞室為中心的變形松動圈，且隨著開挖的進行，變形松動圈不斷擴大。為了更好地研究開挖過程對各個洞室周圍巖體變形的影響，在計算過程中對圍巖關鍵點不同方向的位移進行監測(圖2)。圖5為各洞室不同監測點位移變化曲經線。為了分析方便，1#、3#中150表示1#、3#洞室中層臺階開挖至150 m時，1#、3#中240表示1#、3#洞室中層臺階開挖至240 m時，1#、3#中表示1#、3#洞室中層臺階開挖完成時，1#、3#下表示1#、3#洞室開挖完成時；2#、4#洞室同理。

圖4　各洞室中層臺階開挖至240 m時應力分布

圖5　各洞室不同監測點位移對比

由圖5(a)可知，1#、3#洞室初始開挖時，兩幫朝內收縮，C1、D3點的位移略大于D1、C3點的位移，這是因為D1、C3受1#、3#洞室開挖后產生的復合應力場的影響；C4、D4也有少量的位移，位移方向與D3相同，且D4的位移要小于C4，說明位移場的影響效果隨著距離的加大而減小。隨著開挖的進行，洞周關鍵點的位移不斷發生變化，具體表現為在洞室前240 m的開挖過程對洞周的影響較大，且每個洞室都處在相鄰洞室開挖后產生的二次位移場之下，受影響程度隨著距離的增大而減小，每個洞室最終邊墻位移是一個復合位移場下位移相互疊加的結果。

由圖5(b)可知,相比較于邊幫的位移變化，雖然頂底板的位移變化范圍要小得多，但是各個洞室的頂底板的最終位移狀態也是復合應力場下位移相互疊加的結果，只是比較起復合位移場對洞室邊幫的相互影響程度，洞室頂底板受影響程度要小很多。其中，與洞室邊幫位移變化趨勢相比，洞室頂底板的位移變化還有一個顯著特點：雖然在洞室開挖初期明顯發生頂板下沉、底板鼓起現象，但隨著開挖深度的不斷加深，洞室頂底板呈現出位移回彈現象，并最終趨于穩定。

3.3塑性區分布

圖6為某開挖階段塑性區分布。初始開挖時塑性區均以剪切破壞為主，拉伸破壞為輔。剪切破壞主要分布于邊幫底腳和臺階，頂板附近也有少量分布。拉伸破壞主要集中于邊墻中部，剪切破壞和拉伸破壞均隨著斷面大小變化而變化。隨著開挖的進行，剪切破壞范圍不斷增大，拉伸破壞范圍減少。

圖6　各洞室中層臺階開挖至240 m時塑性區分布

圖7為開挖完后塑性區分布。開挖完成后，塑性區分布深度大概在洞室周邊1～3 m，頂板附近塑性區分布較少，主要集中于邊幫和底板附近。鑒于圍巖的抗拉強度較低，因此，實際施工中應注意邊幫中部的圍巖穩定情況。

圖7　洞室開挖完后塑性區分布

4結論

(1)開挖造成洞室邊幫附近普遍形成應力卸荷區，擾動影響范圍隨著開挖的進行不斷發生變化，1#、3#洞室開挖過程中在邊幫中部形成了部分拉應力區，2#、4#洞室開挖時，拉應力區消失。

(2)隨著開挖的進行，水平方向在洞室前240 m的開挖過程對洞周位移的影響較大，且每個洞室都處在相鄰洞室開挖后產生的二次位移場之下，受影響程度隨著距離的增大而減小，每個洞室最終的邊幫位移是一個復合位移場疊加的結果。垂直位移變化情況與水平位移變化大致相符，程度上有所減弱。

(3)塑性區主要以剪切破壞為主，拉伸破壞為輔；隨著開挖的進行，剪切破壞范圍不斷增大，拉伸破壞范圍減小；開挖完成后，塑性區分布深度大概在洞室周邊1～3 m，鑒于圍巖的抗拉強度較低，實際施工中應加強邊幫中部的圍巖穩定監測。

參考文獻

[1]Lee Y N，Yun S P，Kim D Y，et al. Design and construction aspects of unlined oil storage caverns in rock[J].Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11(1)：33-37.

[2]Tezukaa M，Seokab T. Latest technology of underground rock cavern excavation in Japan[J].Tunnelling and Underground Space Technology， 2003，18(2-3)：127-143.

[3]Sun J P，Zhao Z Y. Effects of anisotropic permeability of fractured rock masses on underground oil storage caverns[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2010，25(5)：629-637.

[4]王芝銀，李云鵬，郭書太，等. 大型地下儲油洞粘彈性穩定性分析[J].巖土力學，2005，26(11):1705-1710.

[5]楊峰.惠州地下水封儲油洞庫群圍巖穩定性分析與評價[D].北京：中國地質大學，2011.

[6]王者超，李術才，薛翊國，等. 大型地下水封石油洞庫圍巖完整性、變形和穩定性分析[J].山東大學學報：工學版，2011，4(3):112-115.

(收稿日期2016-01-22)

黃學軍(1978—)，男，總工程師，高級工程師，065201 河北省三河市燕郊開發區。