基于攝影測(cè)量技術(shù)的地下儲(chǔ)油洞庫(kù)巖體穩(wěn)定性分級(jí)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(tuán)二處有限公司)

?

基于攝影測(cè)量技術(shù)的地下儲(chǔ)油洞庫(kù)巖體穩(wěn)定性分級(jí)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(tuán)二處有限公司)

摘要巖體分級(jí)是評(píng)價(jià)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(kù)為工程背景，借助三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)洞庫(kù)4北5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性分級(jí)，得出洞庫(kù)巖體等級(jí)為Ⅰ～Ⅲ級(jí)，總體穩(wěn)定性較好。最后，根據(jù)分級(jí)結(jié)果，采用Hoek-Brown準(zhǔn)則計(jì)算得到了不同測(cè)點(diǎn)處的巖體力學(xué)參數(shù)，為工程數(shù)值模擬計(jì)算提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞地下儲(chǔ)油洞庫(kù)攝影測(cè)量巖體分級(jí)巖體參數(shù)

地下水封洞庫(kù)主要通過(guò)水封技術(shù)，利用油的密度小于水的密度原理，通過(guò)在洞庫(kù)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(jìn)行石油儲(chǔ)藏[1]。通常地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)布設(shè)在工程地質(zhì)條件較好的花崗巖中，并且洞庫(kù)具有軸向長(zhǎng)、洞跨大及成組布設(shè)的特點(diǎn)。在洞庫(kù)施工過(guò)程中，有效地對(duì)洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)，對(duì)后期洞庫(kù)施工建設(shè)及其安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。但由于洞庫(kù)具有軸向長(zhǎng)、斷面尺寸大的特點(diǎn)，僅僅依靠傳統(tǒng)的精線法、測(cè)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(diǎn)。量測(cè)巖體結(jié)構(gòu)面，并進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分級(jí)，是評(píng)價(jià)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(chǔ)油洞庫(kù)群為工程背景，利用巖體攝影測(cè)量系統(tǒng)(ShapeMetriX3D)對(duì)洞庫(kù)圍巖體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別[2-3]，在此基礎(chǔ)上采用不同圍巖分級(jí)方法對(duì)洞庫(kù)圍巖進(jìn)行了穩(wěn)定性分級(jí)，并確定巖體力學(xué)參數(shù)。

1洞庫(kù)巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別

庫(kù)區(qū)地層主要為中粗粒花崗巖，巖性較為單一。場(chǎng)區(qū)地殼穩(wěn)定，無(wú)區(qū)域斷裂，但局部發(fā)育有小斷層。該儲(chǔ)油庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容為300萬(wàn)m3，設(shè)有2條施工巷道，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)油洞庫(kù)通過(guò)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(kù)間距為38 m，采用三心拱直墻型，設(shè)有4條進(jìn)油豎井和4條出油豎井，在洞庫(kù)群上方設(shè)置水幕系統(tǒng)。

根據(jù)巖土工程勘探報(bào)告可知，庫(kù)區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹EE(N71.7°E～N78.5°E)。洞庫(kù)深度范圍內(nèi)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。

以儲(chǔ)油洞庫(kù)4北洞室中層為研究對(duì)象，選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用三維攝影測(cè)量系統(tǒng)(ShapeMetriX 3D)進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別。以1#測(cè)點(diǎn)為例，節(jié)理識(shí)別效果見(jiàn)圖1。

圖1　節(jié)理效果識(shí)別

2洞庫(kù)巖體穩(wěn)定性分級(jí)

RMR分類系統(tǒng)[4]是Bieniawski于1973年提出的確定巖體質(zhì)量等級(jí)的方法。歷經(jīng)多次修正，目前廣泛采用1989年標(biāo)準(zhǔn)[5]。該方法考慮了6個(gè)主要的因素，即巖塊單軸抗壓強(qiáng)度、巖石質(zhì)量指標(biāo)(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(jí)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　RMR分類結(jié)果

地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)(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(zhǔn)則，估算不同地質(zhì)條件下的巖體強(qiáng)度。GSI細(xì)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(zhǔn)則的發(fā)展。GSI使得不同版本的Hoek-Brown準(zhǔn)則統(tǒng)一為廣義的準(zhǔn)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(cè)點(diǎn)處巖體質(zhì)量分值見(jiàn)表2。洞庫(kù)巖體質(zhì)量為Ⅰ～Ⅲ級(jí)，穩(wěn)定性較好。另外，巖土工程勘探報(bào)告中，通過(guò)對(duì)勘探鉆孔的計(jì)算統(tǒng)計(jì)得出在擬建水幕和儲(chǔ)油洞室位置(標(biāo)高-20～-80 m)巖體Q值一般大于10，巖體質(zhì)量為好～很好，各級(jí)巖體所占的比例見(jiàn)表3，可知，洞庫(kù)巖體多為Ⅰ～Ⅱ級(jí)，整體穩(wěn)定性較好，適合建造地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)。

表2　不同巖體穩(wěn)定性分級(jí)分值對(duì)比

表3　洞庫(kù)巖體各級(jí)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(kù)區(qū)巖體主要為中粗粒花崗巖，因此，從洞庫(kù)不同地點(diǎn)選取中粗粒花崗巖巖樣進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合巖土工程勘探地質(zhì)報(bào)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(qiáng)度準(zhǔn)則可反映巖石破環(huán)時(shí)極限主應(yīng)力之間的非線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[10]，其表達(dá)式為

(2)

式中，σ1,σ3分別為巖體破壞時(shí)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(qiáng)度，可由室內(nèi)試驗(yàn)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(yán)重?cái)_動(dòng)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(zhǔn)則又稱狹義的Hoek-Brown準(zhǔn)則，是針對(duì)硬巖提出并不斷應(yīng)用于工程實(shí)踐中。而研究表明，當(dāng)該準(zhǔn)則應(yīng)用于質(zhì)量較差的巖體時(shí)，會(huì)過(guò)高估計(jì)巖體的抗拉強(qiáng)度。因此，該準(zhǔn)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(qiáng)度準(zhǔn)則[9]，其表達(dá)式為

(3)

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

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

Hoek等基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則和GSI并引入了考慮爆破損傷與應(yīng)力釋放的擾動(dòng)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(dòng)系數(shù)，0～1，要求盡量減少爆破對(duì)地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)圍巖的擾動(dòng)，取0。

基于以上討論，計(jì)算獲得的Hoek-Brown參數(shù)見(jiàn)表5。

表5　Hoek-Brown參數(shù)

3.3力學(xué)參數(shù)計(jì)算

巖體單軸抗壓強(qiáng)度：

(7)

計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的巖體單軸抗壓強(qiáng)度分別為4.590，7.392，11.722，17.426和34.135 MPa。

巖體單軸抗拉強(qiáng)度：

(8)

計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的巖體單軸抗拉強(qiáng)度分別為0.048，0.088，0.162，0.274和0.677 MPa。

當(dāng)巖塊單軸抗壓強(qiáng)度小于100 MPa時(shí)，巖體彈性模量：

(9)

當(dāng)巖塊單軸抗壓強(qiáng)度小于100MPa時(shí)，巖體彈性模量：

(10)

利用式(11)計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)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(qiáng)度參數(shù)

目前，大多數(shù)巖土工程軟件都采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。為了擴(kuò)大Hoek-Brown準(zhǔn)則的使用范圍，Hoek提出了采用Hoek-Brown參數(shù)計(jì)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(rèn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角具有更明確的物理意義。

由Mohr-Coulomb準(zhǔn)則可知：

(11)

采用式(12)計(jì)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(guò)線性擬合所得到巖體遵循Hoek-Brown準(zhǔn)則的直線方程，即

(12)

由式(12)和式(13)對(duì)比可得

(13)

(14)

Hoek等同時(shí)指出利用此方法估算的c、φ值對(duì)最小主應(yīng)力的選擇范圍比較敏感，當(dāng)0<σ3<0.25σci，2個(gè)準(zhǔn)則吻合度較高。5個(gè)測(cè)點(diǎn)處巖體強(qiáng)度擬合曲線見(jiàn)圖2，計(jì)算得到的等效Mohr-Coulomb強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表6。

圖2　不同測(cè)點(diǎn)巖體強(qiáng)度擬合曲線

測(cè)點(diǎn)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(cè)量技術(shù)對(duì)庫(kù)區(qū)4北5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位節(jié)理掃描，獲取了節(jié)理空間分布特征，比傳統(tǒng)測(cè)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(duì)各測(cè)點(diǎn)巖體進(jìn)行了穩(wěn)定性分級(jí)，得出圍巖級(jí)別為Ⅰ～Ⅲ級(jí)。

(3)根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則詳細(xì)論述了巖體力學(xué)參數(shù)的求解方法并計(jì)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(xiàn)

[1]LEE C I，SONG J J. Rock engineering in underground energy storage in Korea[J]. Tunneling and Underground Space Technology，2003，18(5):467-483.

[2]奧地利Startup公司.ShapeMetriX3D系統(tǒng)使用手冊(cè)[R].沈陽(yáng)：歐美大地儀器設(shè)備中國(guó)有限公司，2008.

[3]趙興東，劉杰，張洪訓(xùn)，等.基于攝影測(cè)量的巖體結(jié)構(gòu)面數(shù)字識(shí)別及采場(chǎng)穩(wěn)定性分級(jí)[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31(1):127-133.

[4]Bieniaski Z T. Engineering rock mass classification[M].NewYork:Science Press,1989.

[5]Hoek E. Strength of rock and rock masses[J].ISRM News Journal,1994,2(2):4-16.

[6]Hoek E, Kaiser P K, Bawden W F. Support of underground excavations in hard rock[M].Rotterdam：A.A.Balkema,1995.

[7]Hoek E, Brown E T. Practical estimates or rock mass strength[J].Int J Rock Mech & Mining Sci & Geomechanics Abstracts,1997,34(8):1165-1186.

[8]Hoek E, Marinos P, Benissi M. Applicability of the Geological Strength Index(GSI)classification for very weak and sheared rock masses. The case of the Athens Schist Formation[J].Bull Eng Geol Env,1998,57(2):151-160.

[9]朱合華,張琦,章連洋.Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則研究進(jìn)展與應(yīng)用綜述[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(10):1945-1963.

[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(jí)工程師，065201 河北省三河市燕郊。