基于離散單元法對不同排水條件下襯砌穩定性的研究

梁建毅 畢麗平 劉曉亮 李 崴

(1.黃島國家石油儲備基地有限責任公司，山東 青島 266426； 2.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

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基于離散單元法對不同排水條件下襯砌穩定性的研究

李 崴(1992- )，男，在讀碩士

梁建毅1畢麗平2劉曉亮1李 崴2

(1.黃島國家石油儲備基地有限責任公司，山東 青島 266426； 2.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

以國家首個大型水封石洞油庫為背景，采用離散單元法，模擬了洞室施工期不同排水條件下的襯砌形態，對不同排水條件下的襯砌進行穩定性研究，確定了作用在襯砌上水壓力控制范圍，并將其運用于施工過程中，證明了該研究在工程實踐中的有效性。

水封油庫，離散單元法，襯砌，排水條件

0 引言

石油是國民經濟的命脈。我國高速發展的經濟對石油的需求量也日益增大。十二五期間，我國制定了能源發展規劃，把建立石油戰略儲存作為能源工作的重要任務。相比于傳統地上儲備庫，地下儲庫具有安全性高、使用壽命長、可躲避常規武器襲擊等優點[1]。作為地下儲備庫的一種，地下水封石油洞庫更是以其地域適應性強、庫存規模大、易擴建等優點受到各國的青睞[2]。

在地下油庫中，襯砌起著支護圍巖，防止圍巖變形的作用。在施工期，不同的排水方式對襯砌造成的壓力也不相同，選擇合理的排水方式對襯砌穩定形態的維護具有重要作用。

本文以我國首個大型水封石洞油庫為背景，采用離散單元法模擬洞室施工期不同排水條件下襯砌形態，觀測襯砌破壞形態，研究成果可為水封洞庫襯砌設計和施工提供科學依據和重要參考。

1 離散單元法

在離散單元法中，二維梁單元表示襯砌，梁單元與圍巖通過彈簧(交界面)連接，可以定義交界面的法向和切向剛度，如圖1所示[3]。

離散元軟件根據開挖隧道的形狀自動生成相應個數的單元節點，如圖2中圓形區域所示。在本文所采用的模型中，系統根據開挖斷面形狀自動生成了36個單元節點，如圖2所示。每兩個單元節點之間為一個結構單元，分別用不同的id號表示，例如結構單元1位于節點1和節點2之間，依次類推。在模擬過程中襯砌與周圍地層通過交界面實現相互作用，產生結構單元的軸力、彎矩等。

2 數值模擬

2.1 工程背景

該地下水封洞庫工程庫址區屬低山丘陵地貌。地面平均標高為220 m，最高點標高為350.9 m，最低點標高為97.50 m，儲庫洞室區呈北偏西方向展布，南北長約為838 m，東西寬為600 m。工程包括地下工程和地上輔助設施兩部分，地下儲庫由9個洞室組成，每3個主洞室之間通過4條支洞相連組成一個罐體，共分為3個洞罐組。洞室設計底板面標高為-50 m，長度為500 m～600 m不等，設計洞跨為20 m，洞高為30 m，截面形狀為直墻圓拱形，如圖3 所示。

2.2 網絡模型

本文利用離散元軟件UDEC將洞室襯砌簡化為平面應變問題，選擇一個洞室橫截面，在二維x，y兩個方向對洞室襯砌進行數值模擬。在洞室工程建設中，洞室開挖后，3倍～5倍洞徑范圍為開挖影響范圍，該范圍內的巖體稱為圍巖體，應力將產生重分布。模型設計尺寸為100 m×100 m的正方形，并在參考地質概況的基礎上，添加傾角為45°和135°的巖層節理面，劃分網格，如圖4所示。圍巖及襯砌參數參考文獻[4]～[6]。

2.3 施工期模擬

施工期模擬分別為工況1完全不排水、工況2和工況3為部分排水、工況4完全排水。在完全不排水的情況下經計算作用在襯砌上的水壓力為0.7 MPa；在洞室完全排水情況下，作用在襯砌上的水壓力為0；部分排水按不排水情況下水壓力的60%，30%計算，則四種工況用襯砌水壓力分別表示為0.7 MPa，0.42 MPa，0.21 MPa和0。模擬四種工況下的襯砌形態，分析襯砌受力特征，記錄四種工況下襯砌破壞部位的數量，如圖5所示。

從圖5可以看出在四種排水條件不同的工況下，襯砌產生的破壞部位和數量是不同的，圖5中灰色區域為拉伸破壞，在工況1下，洞室開挖后襯砌背后的水沒有排出，這就造成了襯砌背部水壓力的過大，襯砌破壞部位增多，在重力作用下，由于洞室底部水壓大于其他部位，故此時破壞部位多集中于底拱和側墻位置；在工況2下，洞室開挖后部分排水，水壓力降低為完全不排水的60%，這種工況下，襯砌破壞部位仍在底拱部位；在工況3下，排水條件進一步提高，降為完全不排水的30%，此時襯砌破壞部位明顯減少，出現在拱腳位置，側墻位置出現少量拉伸破壞；在工況4下，由于洞室開挖后襯砌背后的地下水排入開挖部位，則其背后沒有水壓作用，對襯砌產生擠壓作用較小，故此時洞室破壞部位較少，多為拉伸破壞，主要集中在拱腳應力集中部位，此時產生的裂縫也較少，可通過拱腳位置注漿加固方法進行消除。

圖6中顯示了在工況1～工況4下襯砌彎矩變化情況，圖6中灰色區域為彎矩值，四種工況下彎矩值分別為6.349×105N·m，4.275×105N·m，3.011×105N·m，2.523×105N·m，最大彎矩部位與襯砌破壞產生裂隙位置相同，可知在排水不良的情況下，襯砌彎矩較大，破壞位置數量也較多。隨著排水條件轉好，最大彎矩下降，當襯砌水壓力降為0.21 MPa時，工況3和工況4彎矩下降趨勢減小。選取結構單元4，11，21，32進行分析，記錄單元軸力如圖7所示。

圖7顯示了在工況1～工況4下單元軸力變化情況，從圖7中可以看出襯砌單元的軸力隨著襯砌水壓力的減小而呈降低趨勢，當水壓力范圍從0.7 MPa降為0.42 MPa時，軸力下降明顯(約30%)，水壓力從0.42 MPa降低到0.21 MPa時，軸力下降同樣明顯(約30%)，而水壓力從0.21 MPa降低到0時，軸力下降較小(約10%)。

綜合圖5～圖7可知，隨著作用在襯砌上水壓力的減少，襯砌裂縫數量、最大彎矩及軸力都減小，但這種減小為非線性關系，當水壓力降為0.21 MPa時已滿足襯砌穩定支護的要求，故在實際工程中將襯砌上水壓力選定為0.21 MPa左右，在實際施工過程中證明工程效果明顯，節省了大量的人力物力。

3 結語

以我國首個大型水封石洞油庫為背景，采用離散單元法，選取四種不同的排水工況，進行不同排水條件下襯砌穩定性的研究，得到結論如下：1)隨著作用在襯砌上水壓力的減少，襯砌穩定性增強，其裂縫數量、最大彎矩及軸力都減小，但此種減小為非線性關系；2)當該水壓力降為0.21 MPa左右，襯砌已趨于穩定狀態，此后彎矩、軸力減少趨勢變緩，故在該工程施工過程中將排水后的襯砌水壓力控制為0.21 MPa。該研究成果可為類似工程的排水支護提供理論和技術支持。

[1] 錢七虎.國家石油儲備庫應建于地下[N].科學時報,2007-03-14.

[2] 王夢恕,楊 森.地下水封巖洞油庫是儲存油品的最好型式[A].中國土木工程學會第十屆隧道及地下工程分會第十三屆年會[C].2004.

[3] Itasca Inc.Universal distinct element code user’s guide[M]. Minneapolis，Minnesota，USA：Itasca Inc,2005：10-25.

[4] 李術才,平 洋,王者超,等.基于離散介質流固耦合理論的地下石油洞庫水封性和穩定性評價[J].巖石力學與工程學報,2012,31(11):2161-2170.

[5] 平 洋,王者超,李術才,等.地下石油洞庫隨機節理裂隙圍巖水封性評價[J].巖土力學,2014,35(3):811-819.

[6] 高志華,何 真,趙 曉,等.利用磨細礦渣提高地下水封洞庫噴射混凝土耐久性試驗研究[J].長江科學院院報,2014,31(4):97-103.

Study on the stability of lining under different drainage conditions based on discrete element method

Liang Jianyi1Bi Liping2Liu Xiaoliang1Li Wei2

(1.HuangdaoOilReserveBaseLimitedCompany,Qingdao266426,China; 2.GeotechnicalandStructuralEngineeringResearchCenter,ShandongUniversity,Jinan250061,China)

Based on the China’s first large underground crude oil storage caverns, through applying discrete element method it simulates primary masonry forms of the chamber during the construction period under different drainage conditions, the stability of lining under different drainage conditions is studied, and the value of water pressure on lining is determined. The research results have been used in the construction process, which proves the validity of the research in engineering practice.

water sealed cavern, discrete element method, lining, drainage condition

1009-6825(2016)24-0058-02

2016-06-18

梁建毅(1970- )，男，高級工程師； 畢麗平(1989- )，男，在讀碩士； 劉曉亮(1986- )，男，工程師；

TU413.62

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