地下水封儲油洞庫合理間距數(shù)值模擬研究

楊艷玲　溫新亮　黃學軍

(中鐵隧道集團二處有限公司)

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地下水封儲油洞庫合理間距數(shù)值模擬研究

楊艷玲溫新亮黃學軍

(中鐵隧道集團二處有限公司)

摘要地下水封洞庫間距的合理選擇是確保地下洞庫穩(wěn)定性及水封效果的關鍵因素。以遼寧某地下水封儲油洞庫為工程背景，采用經(jīng)驗方法確定了4種洞庫間距方案，并應用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對不同方案進行了施工開挖模擬，通過對各個方案所引起的洞庫圍巖位移場及塑性區(qū)分布規(guī)律進行對比分析，比選出了在相同施工方式下的較優(yōu)洞庫間距,約為2倍的洞跨，主洞庫與施工巷道之間的凈距為20 m。分析方法可為類似地下水封儲油洞庫間距確定提供依據(jù)。

關鍵詞洞庫間距FLAC3D穩(wěn)定性

地下水封儲油洞庫具有占地少、安全性高、投資省、建設速度快及運營成本低等優(yōu)點,已經(jīng)逐步成為各個國家進行石油戰(zhàn)略儲備的一種重要方式[1]。目前，洞庫的庫址選擇主要考慮其交通運輸方便、所處區(qū)域的圍巖完整性好、節(jié)理構造不甚發(fā)育并且所選區(qū)域處于低地應力水平、不受自然災害影響。近年來，我國規(guī)劃、設計及建造許多地下儲油洞庫，單條地下儲油洞庫長軸長、斷面尺寸大，結構尺寸遠超出普通地鐵、隧道等地下建筑工程，尤其是對于大斷面結構尺寸的地下水封儲油洞庫而言，其合理間距的選擇一直是制約洞庫長期穩(wěn)定的關鍵因素。洞庫間距尺寸過小，易導致洞室圍巖失穩(wěn)，并造成洞庫水封失效，洞庫間距過大，不能滿足水封要求，同時占地范圍加大，勢必影響地下水封洞庫施工運營成本。

為科學有效地確定地下水封洞庫的合理間距，國內外許多學者從巖體力學以及圍巖穩(wěn)定性角度出發(fā)，展開大量的科學研究工作，并取得了一定的進展，諸如王者超等運用彈塑性理論研究了花崗巖地層洞庫圍巖的完整性以及變形和穩(wěn)定性[2]；王芝銀等利用FLAC3D軟件比選出洞庫群較優(yōu)的開挖施工順序,并進行了施工過程與黏彈性穩(wěn)定性分析模擬，還運用正交試驗的方法進行了各洞庫的開挖施工順序及洞庫間距的優(yōu)化設計[3-4]；段亞剛采用ANSYS軟件優(yōu)選出了洞庫不同斷面形狀的合理間距，但采用的計算模型為假設的理論模型[5]；楊峰以惠州地下儲油庫為工程背景，采用FLAC3D軟件比選出了洞庫間的合理間距，所選取研究對象為一組洞罐[6]；胡謀鵬等采用有限元方法分析了不同間距洞庫開挖后的圍巖應力分布，以此驗證各種洞庫間距確定依據(jù)的合理性[7]。從以上研究可以看出，地下儲油洞庫穩(wěn)定性分析多采用數(shù)值模擬手段，這是由于地下儲油洞庫的建設在我國剛剛起步，很難采用工程類比法進行相關分析與設計。

為此，本文以某地下儲油洞庫為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析不同洞庫間距圍巖呈現(xiàn)出的應變及破壞特征，以位移及塑性區(qū)為判別標準，優(yōu)選出洞庫群的合理間距。

1洞庫間距方案設置

由中國石油天然氣集團制定的《地下水封石油洞庫設計規(guī)范》規(guī)定[8]：相鄰洞室凈間距宜為洞室寬度的1～2倍。該規(guī)定與水利水電及隧道工程規(guī)定一致。但實際設計工程中，以該規(guī)范為指導，還應結合國外經(jīng)驗及數(shù)值分析手段做深入具體的研究。表1為國內外洞庫間距的設計情況，可知，洞庫凈間距一般大于洞跨的1.5倍，為了安全起見，選擇2倍的洞跨凈間距較多，對于圍巖質量較差的情況，甚至大于2倍洞跨。

Tezuka和Seoka以日本地下水封洞庫為工程案例[9]，洞庫間距計算采用如下經(jīng)驗公式[6]：

(1)

式中，D為相鄰洞庫內邊墻之間的距離,m；B1,B2分別為各洞庫的跨度,m；H1,H2分別為各洞庫的高度,m；R1,R2分別為各洞庫松動圈厚度,m。

該儲油洞庫工程區(qū)巖體主要為中粗粒花崗巖,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洞庫構成，儲油洞庫采用直墻三心拱型，斷面尺寸為19 m×24 m，長度均為934 m；設有4座φ3 m進油豎井，4座φ6 m出油豎井；在洞庫上方設有水幕系統(tǒng)；設有2條施工巷道。洞室群三維模型見圖1。

表1　國內外部分地下水封儲庫間距設計

本文主要選取3北3南、4南4北洞罐及施工巷道為研究對象，地下水封儲油洞庫橫斷面幾何模型見圖2。主洞庫與施工巷道斷面尺寸分別為24 m×19 m(高×寬)和8 m×8 m(高×寬)，采用工程類比法確定爆破松動圈范圍，其主洞庫及施工巷道的松動圈范圍分別為2.5和1 m。采用經(jīng)驗式(1)計算得到D1為26.5 m，D2為18.25 m，以此作為參考值，設置4組洞庫間距方案，見表2。

圖1　某地下水封儲油洞室群三維模型

圖2　洞庫幾何位置示意

方案D1/mD2/m11715227203372043725

2數(shù)值模型建立

為有效分析開挖過程對地下儲油洞庫間距尺寸的影響，以圖2所設計的洞庫間距為研究對象，根據(jù)4種不同洞庫間距設計方案建立4組數(shù)值計算模型，采用平面應變，數(shù)值計算模型在洞庫軸線方向長度取3 m，并設計其采用全斷面一次開挖完成。數(shù)值模型的力學邊界條件為底部邊界約束豎向位移，上部邊界為自由邊界，左右兩端邊界為水平位移約束。計算過程考慮區(qū)域構造應力的影響。由巖土工程勘探報告可知，洞庫深度范圍內的最大水平主應力為6.19～11.50 MPa，優(yōu)勢方向平均為NE74.3°，最小水平主應力3.63～9.02 MPa，垂直主應力為巖土自重應力。

另外，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各級巖體所占的比例(表3)?？芍?，地下水封洞庫圍巖體Q值等級多為Ⅰ～Ⅲ級。為確保分析結果的可靠性，取洞庫圍巖等級為Ⅲ級，其巖體破壞的本構方程采用莫爾-庫侖彈塑性分析，圍巖體的物理力學參數(shù)為巖體密度2 650 kg/m3，彈性模量9 GPa，泊松比0.27，內摩擦角45°，抗拉強度1.5 MPa，黏聚力1.8 MPa。

表3　洞庫巖體各級圍巖所占比例

為了合理判別施工開挖順序對洞庫設計間距的影響，從保證洞庫群圍巖長期穩(wěn)定和經(jīng)濟合理性出發(fā)，以洞庫圍巖變形量和塑性作為判別指標。洞庫圍巖位移監(jiān)測點如圖2中圓點所示，首先開挖施工巷道，然后4南、3南，最后4北、3北洞室。

3數(shù)值模擬分析

3.1開挖過程洞庫圍巖位移分布特征

4個方案水平位移、垂直位移分布見圖3、圖4。

圖3　開挖完成后水平位移分布(單位：mm)

圖4　開挖完成后垂直位移分布(單位：mm)

由圖3可知，洞庫外邊墻位移較大，內邊墻位移較小，且4南與3北水平位移明顯大于中間2個洞庫，這是由于洞庫開挖致使圍巖應力釋放，從而產生位移，且最外圍洞庫起到應力阻隔的作用；4個方案的水平最大位移值為5～18 mm，均出現(xiàn)3北外邊墻中部，最小值為1～5 mm，出現(xiàn)在中間2個洞庫右側邊墻底角位置；方案3和方案4的水平最大位移值最小，而其余2個方案水平最大位移值隨著洞庫間距的增加而減小，說明洞庫間距大于等于2倍洞跨后，圍巖應力釋放效應對圍巖變形的影響逐漸失效。

由圖4可知，洞庫群開挖完成后垂直位移值都較小，4個方案的最大垂直位移值為2～8 mm，且隨著主洞庫間距的增大逐漸減小。各方案最大垂直位移值均出現(xiàn)在4北與3南底板中心位置；各洞邊墻垂直位移值較小，為0.5～2 mm。隨著洞庫間距的不斷增大，洞頂沉降及底板鼓起位移不斷減小。

為了更好地研究洞庫間距對開挖完成后的洞庫圍巖變形的影響，在計算過程中對洞庫圍巖關鍵點不同方向的位移進行監(jiān)測，見圖5、圖6。

圖5　洞庫邊墻監(jiān)測點水平位移對比

圖6　洞庫頂?shù)装灞O(jiān)測點垂直位移對比

由圖5和圖6可以看出，方案3較方案2更好地控制了水平位移變化，尤其是4南、3北的外邊墻位移控制體現(xiàn)得最為明顯；方案3較方案2垂直位移變化不大，總體來說方案3是較好的選擇。方案3與方案1相比，不論是在邊幫的位移控制，還是在頂?shù)装宓奈灰瓶刂?，都大大?yōu)于方案1；而方案3相對于方案4在邊幫和頂?shù)装宓奈灰瓶刂粕匣疽恢?，但由于洞庫與施工巷道之間的距離直接決定連接巷道的長度，從而決定了施工的成本和工期，從經(jīng)濟以及時間成本上考慮，方案3為較優(yōu)選擇。

由以上分析可知，按方案1和方案2布置時，對洞庫的內側邊墻水平位移能起到較好的控制作用，但對頂?shù)装搴屯鈧冗厜鷰r的變形值相對于其余2個方案明顯偏高。方案3與方案4之間位移值相差不大，洞室與施工巷道間距由20 m增加到25 m時，無論是頂?shù)装尻P鍵點還是邊墻的位移值無明顯的變化?？紤]到2個方案之間位移的減小幅度為0.6%～11.30%，采用方案3的洞庫間距布置方案對于洞庫群圍巖的穩(wěn)定性和工程建設的經(jīng)濟性都是較為合理的。

3.2洞庫圍巖塑性區(qū)分布特征

圖7表示各方案開挖完成后塑性區(qū)分布。可以看出，隨著洞庫間距的增大，4個主洞庫周圍巖石塑性區(qū)范圍逐漸減少；4南、3北外側邊墻塑性區(qū)范圍明顯小于內側邊墻，4北、3南兩側邊墻塑性區(qū)分布基本一致；主洞庫拱頂區(qū)域均存在塑性區(qū)，但4個方案塑性區(qū)分布范圍差別很大，主洞庫邊墻與底板應力較為集中。此外，4個方案中，施工巷道周邊圍巖塑性區(qū)在主洞庫開挖完成后呈擴大的趨勢，方案1與方案2中塑性區(qū)幾乎擴展到與主洞庫邊墻圍巖相連通，但當巷道間距與主洞庫間距達到20 m及以上時，塑性區(qū)擴大的趨勢明顯減弱。通過對比可知，方案1和方案2塑性區(qū)分布范圍較大，且巷道周邊的塑性區(qū)與主洞庫塑性區(qū)有連通的可能，不利于工程的安全。方案3與方案4之間的差別極小，可見主洞庫間距達到37 m，巷道與主洞庫間距達到20 m之后，增加洞庫間距，對塑性區(qū)分布的改善已不明顯，綜合考慮采用方案3較為經(jīng)濟可行，亦能滿足洞庫長期安全的需要。

圖7　開挖完成后洞庫圍巖塑性區(qū)分布

4結論

針對某地下水封儲油洞庫，采用經(jīng)驗法確定洞庫間距，對不同洞庫間距進行數(shù)值模擬分析，并判定地下水封儲油洞庫的長期穩(wěn)定性。結果表明：在相同的開挖順序下，不同的洞庫間距設置對洞庫圍巖的位移以及塑性區(qū)分布有明顯的影響，并且存在一定的規(guī)律，即隨著洞庫間距增加，洞庫拱頂沉降，底板隆起，邊墻向內側的位移、塑性區(qū)的分布范圍均有不同程度的減小，洞庫邊墻中部位置位移值較大，可以作為洞庫圍巖穩(wěn)定性評價的關鍵點；但當主洞庫間距達到37 m，約為洞庫跨度的2倍，施工巷道與主洞庫間距達到20 m之后，圍巖變形量及塑性區(qū)均較小，繼續(xù)增加洞庫的間距對圍巖受力和變形的改善效應已不明顯，因此，洞庫間距為洞庫跨度的2倍，即為洞庫群合理間距。

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(收稿日期2016-01-22)

楊艷玲(1974—)，男，高級工程師，065201 河北省三河市燕郊。