基于攝影測量技術(shù)的地下儲油洞庫巖體穩(wěn)定性分級及力學(xué)參數(shù)確定

溫新亮　黃學(xué)軍　楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司)

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基于攝影測量技術(shù)的地下儲油洞庫巖體穩(wěn)定性分級及力學(xué)參數(shù)確定

溫新亮黃學(xué)軍楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司)

摘要巖體分級是評價地下工程巖體穩(wěn)定性及確定巖體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)。以遼寧某地下水封石油洞庫為工程背景，借助三維數(shù)字攝影測量系統(tǒng)對洞庫4北5個測點進行現(xiàn)場原位節(jié)理掃描，獲取節(jié)理幾何參數(shù)。采用RMR及GSI分類方法對各測點進行穩(wěn)定性分級，得出洞庫巖體等級為Ⅰ～Ⅲ級，總體穩(wěn)定性較好。最后，根據(jù)分級結(jié)果，采用Hoek-Brown準則計算得到了不同測點處的巖體力學(xué)參數(shù)，為工程數(shù)值模擬計算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞地下儲油洞庫攝影測量巖體分級巖體參數(shù)

地下水封洞庫主要通過水封技術(shù)，利用油的密度小于水的密度原理，通過在洞庫周圍布設(shè)水封孔，注一定的高壓水，形成水組成的密閉空間進行石油儲藏[1]。通常地下水封儲油洞庫布設(shè)在工程地質(zhì)條件較好的花崗巖中，并且洞庫具有軸向長、洞跨大及成組布設(shè)的特點。在洞庫施工過程中，有效地對洞庫圍巖穩(wěn)定性進行分級，對后期洞庫施工建設(shè)及其安全運營至關(guān)重要。但由于洞庫具有軸向長、斷面尺寸大的特點，僅僅依靠傳統(tǒng)的精線法、測網(wǎng)法、鉆孔定向取芯技術(shù)及孔內(nèi)照相技術(shù)等，存在技術(shù)含量低、工作量大及難以滿足現(xiàn)代快速施工的缺點。量測巖體結(jié)構(gòu)面，并進行巖體穩(wěn)定性分級，是評價圍巖穩(wěn)定性及確定巖體力學(xué)參數(shù)的基礎(chǔ)。本文以遼寧某地下水封儲油洞庫群為工程背景，利用巖體攝影測量系統(tǒng)(ShapeMetriX3D)對洞庫圍巖體進行了結(jié)構(gòu)面數(shù)字識別[2-3]，在此基礎(chǔ)上采用不同圍巖分級方法對洞庫圍巖進行了穩(wěn)定性分級，并確定巖體力學(xué)參數(shù)。

1洞庫巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字識別

庫區(qū)地層主要為中粗粒花崗巖，巖性較為單一。場區(qū)地殼穩(wěn)定，無區(qū)域斷裂，但局部發(fā)育有小斷層。該儲油庫設(shè)計庫容為300萬m3，設(shè)有2條施工巷道，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庫通過巷道相連而構(gòu)成，斷面跨度和高度分別為19，24 m，相鄰洞庫間距為38 m，采用三心拱直墻型，設(shè)有4條進油豎井和4條出油豎井，在洞庫群上方設(shè)置水幕系統(tǒng)。

根據(jù)巖土工程勘探報告可知，庫區(qū)最大水平主應(yīng)力方向為NEE(N71.7°E～N78.5°E)。洞庫深度范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力為6.19～11.50 MPa，優(yōu)勢方向平均為NE74.3°，最小水平主應(yīng)力為3.63～9.02 MPa，垂直主應(yīng)力為1.81～3.61 MPa。

以儲油洞庫4北洞室中層為研究對象，選取5個測點，采用三維攝影測量系統(tǒng)(ShapeMetriX 3D)進行巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字識別。以1#測點為例，節(jié)理識別效果見圖1。

圖1　節(jié)理效果識別

2洞庫巖體穩(wěn)定性分級

RMR分類系統(tǒng)[4]是Bieniawski于1973年提出的確定巖體質(zhì)量等級的方法。歷經(jīng)多次修正，目前廣泛采用1989年標準[5]。該方法考慮了6個主要的因素，即巖塊單軸抗壓強度、巖石質(zhì)量指標(RQD)、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面條件、地下水條件和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與工程走向的關(guān)系，并以其總和值作為巖體的RMR值。采用RMR分類系統(tǒng)所得到的巖體分級結(jié)果見表1。

表1　RMR分類結(jié)果

地質(zhì)強度指標(GSI)分類體系由Hoek等人[6-9]提出，目的在于修正Hoek-Brown巖體破壞準則，估算不同地質(zhì)條件下的巖體強度。GSI細致描述巖體特性，變化范圍從0～100。GSI系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展伴隨著Hoek-Brown準則的發(fā)展。GSI使得不同版本的Hoek-Brown準則統(tǒng)一為廣義的準則。

Hoek和Brown給出了RMR、Q與GSI之間的關(guān)系[10]：

(1)

采用RMR與GSI分類方法所確定的不同測點處巖體質(zhì)量分值見表2。洞庫巖體質(zhì)量為Ⅰ～Ⅲ級，穩(wěn)定性較好。另外，巖土工程勘探報告中，通過對勘探鉆孔的計算統(tǒng)計得出在擬建水幕和儲油洞室位置(標高-20～-80 m)巖體Q值一般大于10，巖體質(zhì)量為好～很好，各級巖體所占的比例見表3，可知，洞庫巖體多為Ⅰ～Ⅱ級，整體穩(wěn)定性較好，適合建造地下水封儲油洞庫。

表2　不同巖體穩(wěn)定性分級分值對比

表3　洞庫巖體各級圍巖所占比例

3巖體力學(xué)參數(shù)確定

3.1巖石力學(xué)參數(shù)

庫區(qū)巖體主要為中粗粒花崗巖，因此，從洞庫不同地點選取中粗粒花崗巖巖樣進行力學(xué)實驗，并結(jié)合巖土工程勘探地質(zhì)報告所確定的力學(xué)參數(shù)(表4)。

表4　巖石物理及力學(xué)參數(shù)

3.2Hoek-Brown參數(shù)

Hoek-Brown強度準則可反映巖石破環(huán)時極限主應(yīng)力之間的非線性經(jīng)驗關(guān)系[10]，其表達式為

(2)

式中，σ1,σ3分別為巖體破壞時的最大和最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力為正),kN；σci為巖塊單軸抗壓強度，可由室內(nèi)試驗確定,MPa；m,s為材料常數(shù)，m反映巖石的軟硬程度，取值范圍為3～44，完整巖體取44，嚴重擾動巖體取3,s反映巖體的破碎程度，完整巖體取1，破碎巖體取0。

初始的Hoek-Brown準則又稱狹義的Hoek-Brown準則，是針對硬巖提出并不斷應(yīng)用于工程實踐中。而研究表明，當該準則應(yīng)用于質(zhì)量較差的巖體時，會過高估計巖體的抗拉強度。因此，該準則被不斷修正。其中，1992年修改的版本被稱為廣義的Hoek-Brown巖體強度準則[9]，其表達式為

(3)

式中，mb,a為反映巖體特征的經(jīng)驗參數(shù)值，其中mb類似于m，a為反映不同巖體的經(jīng)驗參數(shù);其他參數(shù)意義同前。

廣義Hoek-Brown準則適用范圍更廣，包含了(α=0.5)狹義的Hoek-Brown準則，可用于破碎巖體，特別是在低應(yīng)力條件下。目前，該強度準則已成為國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)建議方法之一。

Hoek等基于廣義Hoek-Brown準則和GSI并引入了考慮爆破損傷與應(yīng)力釋放的擾動參數(shù)D的基礎(chǔ)上提出了巖體參數(shù)mb、s和a取值方法[6-7]：

(4)

(5)

(6)

式中，mi為完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)，區(qū)域巖體為中粗粒花崗巖，取32；D為擾動系數(shù)，0～1，要求盡量減少爆破對地下水封儲油洞庫圍巖的擾動，取0。

基于以上討論，計算獲得的Hoek-Brown參數(shù)見表5。

表5　Hoek-Brown參數(shù)

3.3力學(xué)參數(shù)計算

巖體單軸抗壓強度：

(7)

計算得到各測點的巖體單軸抗壓強度分別為4.590，7.392，11.722，17.426和34.135 MPa。

巖體單軸抗拉強度：

(8)

計算得到各測點的巖體單軸抗拉強度分別為0.048，0.088，0.162，0.274和0.677 MPa。

當巖塊單軸抗壓強度小于100 MPa時，巖體彈性模量：

(9)

當巖塊單軸抗壓強度小于100MPa時，巖體彈性模量：

(10)

利用式(11)計算得到各測點的巖體彈性模量分別為8.69，14.59，22.5，30.00和40.10 GPa。

3.4等效Mohr-Coulomb強度參數(shù)

目前，大多數(shù)巖土工程軟件都采用Mohr-Coulomb破壞準則。為了擴大Hoek-Brown準則的使用范圍，Hoek提出了采用Hoek-Brown參數(shù)計算巖體等效黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的方法[10],而且大多數(shù)研究者認為黏聚力和內(nèi)摩擦角具有更明確的物理意義。

由Mohr-Coulomb準則可知：

(11)

采用式(12)計算得到一系列最小主應(yīng)力σ3與最大主應(yīng)力σ1的數(shù)值，然后通過線性擬合所得到巖體遵循Hoek-Brown準則的直線方程，即

(12)

由式(12)和式(13)對比可得

(13)

(14)

Hoek等同時指出利用此方法估算的c、φ值對最小主應(yīng)力的選擇范圍比較敏感，當0<σ3<0.25σci，2個準則吻合度較高。5個測點處巖體強度擬合曲線見圖2，計算得到的等效Mohr-Coulomb強度參數(shù)見表6。

圖2　不同測點巖體強度擬合曲線

測點c/MPa?/(°)1#7.938.22#8.740.63#9.643.04#10.545.05#12.548.6

4結(jié)論

(1)利用攝影測量技術(shù)對庫區(qū)4北5個測點進行了現(xiàn)場原位節(jié)理掃描，獲取了節(jié)理空間分布特征，比傳統(tǒng)測量方法更智能、精確。

(2)根據(jù)巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合地應(yīng)力和礦巖力學(xué)性質(zhì)，利用RMR和GSI分類方法對各測點巖體進行了穩(wěn)定性分級，得出圍巖級別為Ⅰ～Ⅲ級。

(3)根據(jù)Hoek-Brown準則詳細論述了巖體力學(xué)參數(shù)的求解方法并計算出結(jié)果，為巖體力學(xué)數(shù)值模擬提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻

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[10]Hoek E. Estimating Mohr-Coulomb friction and cohesion values from the Hoek-Brown failure criterion[J].Int J Rock Mech & Mining Sci & Geomechanics Abstracts,1990,12(3):227-229.

(收稿日期2016-01-22)

溫新亮(1975—)，男，高級工程師，065201 河北省三河市燕郊。