某地下儲(chǔ)油洞庫(kù)群開挖對(duì)圍巖穩(wěn)定影響分析

黃學(xué)軍　溫新亮　楊艷玲

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司)

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某地下儲(chǔ)油洞庫(kù)群開挖對(duì)圍巖穩(wěn)定影響分析

黃學(xué)軍溫新亮楊艷玲

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司)

摘要施工過(guò)程對(duì)地下工程圍巖穩(wěn)定性具有重要的影響。以遼寧某地下水封石油洞庫(kù)為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了洞庫(kù)群施工過(guò)程仿真模擬，分析了圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，得出了動(dòng)態(tài)開挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，為工程施工提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞儲(chǔ)油洞庫(kù)群動(dòng)態(tài)開挖FLAC3D圍巖穩(wěn)定性

地下儲(chǔ)油洞庫(kù)具有占地少、安全性高、投資省、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為目前國(guó)內(nèi)外許多國(guó)家石油戰(zhàn)略儲(chǔ)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(chǔ)油洞庫(kù)大多建造在工程地質(zhì)條件較好的花崗巖中，然而卻具有洞軸長(zhǎng)、洞跨大且一般成群的特點(diǎn)，故對(duì)圍巖穩(wěn)定性要求高。因此為保證施工安全，需要對(duì)施工過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。王芝銀等利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件比選出洞庫(kù)群較優(yōu)的開挖施工順序，并進(jìn)行了施工過(guò)程與黏彈性穩(wěn)定性分析模擬[4]；楊峰以惠州水封洞庫(kù)工程為例，開展了洞室群穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)[5]；王者超運(yùn)用彈塑性理論研究了花崗巖地層洞庫(kù)圍巖的變形和穩(wěn)定性[6]。以上研究對(duì)于我國(guó)儲(chǔ)油洞庫(kù)的穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。本文以遼寧某大型地下儲(chǔ)油洞庫(kù)工程為例，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析施工過(guò)程中圍巖的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律及穩(wěn)定性影響。

1工程概況

某水封地下儲(chǔ)油庫(kù)工程場(chǎng)區(qū)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(qū)。該區(qū)附近沒(méi)有活斷層和區(qū)域斷層的分布。斷層走向以SN、NE、NW為主，運(yùn)動(dòng)性質(zhì)以斜滑為主，與區(qū)域主導(dǎo)斷裂方向(華夏系NE和新華夏系NNE)和構(gòu)造主應(yīng)力方向(NEE)基本一致。斷裂構(gòu)造及其活動(dòng)性對(duì)地下油庫(kù)建設(shè)影響較小。庫(kù)址區(qū)巖體主要為中粗?；◢弾r，穿插輝綠巖脈，細(xì)晶巖、角閃閃長(zhǎng)玢巖等巖脈。在巖脈侵入部位，由于熱液蝕變作用，節(jié)理發(fā)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(jié)理基本一致，以NNW和NNE走向?yàn)橹?。?chǔ)油庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容為300萬(wàn)m3，建造4組儲(chǔ)油洞罐，每組洞罐由2條斷面和長(zhǎng)度相同的儲(chǔ)油洞室通過(guò)巷道相連而構(gòu)成，儲(chǔ)油洞室長(zhǎng)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(biāo)高為-80 m，頂標(biāo)高為-56 m；設(shè)有4座φ3 m進(jìn)油豎井，4座φ6 m出油豎井；在洞室上方設(shè)置水幕系統(tǒng)；設(shè)有2條施工巷道。洞室群三維模型見(jiàn)圖1。洞室位置關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1　洞室群三維模型

圖2　洞室位置示意

通過(guò)對(duì)3個(gè)鉆孔深部主應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)表明，洞庫(kù)深度范圍內(nèi)的最大水平主應(yīng)力為6.19～11.50 MPa，優(yōu)勢(shì)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。

2數(shù)值模型建立及方案

2.1數(shù)值模型

選取2組洞罐3北3南、4北4南作為研究對(duì)象，建立計(jì)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(zhǎng)度取300 m，模型尺寸為386 m×300 m×230 m。計(jì)算模型地表設(shè)為自由邊界，底部設(shè)為固定約束，模型四周設(shè)為單向位移邊界,計(jì)算考慮自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力的影響。洞室軸線方位為NE72.8°，與實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向基本一致?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析，力學(xué)模型為摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型，取圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3　計(jì)算模型(單位:m)

圍巖級(jí)別密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比摩擦角/(°)抗拉強(qiáng)度/MPa內(nèi)聚力/MPaⅢ265090.27451.51.8

2.2施工模擬方案

洞室群整體開挖順序?yàn)?南、4南同時(shí)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(shí)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(jié)果分析

3.1應(yīng)力分析

圖4為某開挖階段應(yīng)力分布。對(duì)于水平應(yīng)力，開挖造成洞室邊幫附近普遍形成應(yīng)力卸荷區(qū)，洞室的拱頂部位出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，其開挖造成的擾動(dòng)影響范圍隨著開挖的進(jìn)行不斷發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為1#、3#出現(xiàn)洞室中層臺(tái)階開挖至240 m時(shí)，擾動(dòng)范圍從無(wú)到有并增加到1倍于開挖尺寸的大??；隨著開挖的進(jìn)行擾動(dòng)范圍慢慢增加，到2#、4#洞室中層臺(tái)階開挖至240 m時(shí)，擾動(dòng)范圍約為2倍于洞室尺寸(圖4(a2)中洞室之間擾動(dòng)范圍相互貫通)。1#、3#洞室開挖過(guò)程中在洞室邊幫中部形成了部分拉應(yīng)力區(qū)，到2#、4#洞室開挖時(shí)，拉應(yīng)力區(qū)消失。垂直應(yīng)力變化規(guī)律與水平應(yīng)力大致相同，不同之處在于洞室開挖后對(duì)垂直應(yīng)力擾動(dòng)范圍相較于水平應(yīng)力擾動(dòng)范圍明顯減小，表明開挖過(guò)程對(duì)洞室邊幫的影響程度大大超過(guò)對(duì)洞室頂?shù)装宓挠绊懗潭取?/p>

3.2位移分析

隨著施工的進(jìn)行，洞室周圍巖體向空區(qū)位移變形，形成了以洞室為中心的變形松動(dòng)圈，且隨著開挖的進(jìn)行，變形松動(dòng)圈不斷擴(kuò)大。為了更好地研究開挖過(guò)程對(duì)各個(gè)洞室周圍巖體變形的影響，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)圍巖關(guān)鍵點(diǎn)不同方向的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖2)。圖5為各洞室不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲經(jīng)線。為了分析方便，1#、3#中150表示1#、3#洞室中層臺(tái)階開挖至150 m時(shí)，1#、3#中240表示1#、3#洞室中層臺(tái)階開挖至240 m時(shí)，1#、3#中表示1#、3#洞室中層臺(tái)階開挖完成時(shí)，1#、3#下表示1#、3#洞室開挖完成時(shí)；2#、4#洞室同理。

圖4　各洞室中層臺(tái)階開挖至240 m時(shí)應(yīng)力分布

圖5　各洞室不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比

由圖5(a)可知，1#、3#洞室初始開挖時(shí)，兩幫朝內(nèi)收縮，C1、D3點(diǎn)的位移略大于D1、C3點(diǎn)的位移，這是因?yàn)镈1、C3受1#、3#洞室開挖后產(chǎn)生的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)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(shuō)明位移場(chǎng)的影響效果隨著距離的加大而減小。隨著開挖的進(jìn)行，洞周關(guān)鍵點(diǎn)的位移不斷發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為在洞室前240 m的開挖過(guò)程對(duì)洞周的影響較大，且每個(gè)洞室都處在相鄰洞室開挖后產(chǎn)生的二次位移場(chǎng)之下，受影響程度隨著距離的增大而減小，每個(gè)洞室最終邊墻位移是一個(gè)復(fù)合位移場(chǎng)下位移相互疊加的結(jié)果。

由圖5(b)可知,相比較于邊幫的位移變化，雖然頂?shù)装宓奈灰谱兓秶〉枚?，但是各個(gè)洞室的頂?shù)装宓淖罱K位移狀態(tài)也是復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)下位移相互疊加的結(jié)果，只是比較起復(fù)合位移場(chǎng)對(duì)洞室邊幫的相互影響程度，洞室頂?shù)装迨苡绊懗潭纫『芏?。其中，與洞室邊幫位移變化趨勢(shì)相比，洞室頂?shù)装宓奈灰谱兓€有一個(gè)顯著特點(diǎn)：雖然在洞室開挖初期明顯發(fā)生頂板下沉、底板鼓起現(xiàn)象，但隨著開挖深度的不斷加深，洞室頂?shù)装宄尸F(xiàn)出位移回彈現(xiàn)象，并最終趨于穩(wěn)定。

3.3塑性區(qū)分布

圖6為某開挖階段塑性區(qū)分布。初始開挖時(shí)塑性區(qū)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(tái)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(jìn)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(tái)階開挖至240 m時(shí)塑性區(qū)分布

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

圖7　洞室開挖完后塑性區(qū)分布

4結(jié)論

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

(2)隨著開挖的進(jìn)行，水平方向在洞室前240 m的開挖過(guò)程對(duì)洞周位移的影響較大，且每個(gè)洞室都處在相鄰洞室開挖后產(chǎn)生的二次位移場(chǎng)之下，受影響程度隨著距離的增大而減小，每個(gè)洞室最終的邊幫位移是一個(gè)復(fù)合位移場(chǎng)疊加的結(jié)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(qū)主要以剪切破壞為主，拉伸破壞為輔；隨著開挖的進(jìn)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(qū)分布深度大概在洞室周邊1～3 m，鑒于圍巖的抗拉強(qiáng)度較低，實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)邊幫中部的圍巖穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2016-01-22)

黃學(xué)軍(1978—)，男，總工程師，高級(jí)工程師，065201 河北省三河市燕郊開發(fā)區(qū)。