云南某地下水封油庫(kù)圍巖穩(wěn)定性研究

張 衡 李永剛 李 帆 張 超 唐恩唯 李鵬毅

〔中國(guó)石油管道局工程有限公司油氣儲(chǔ)庫(kù)分公司 河北廊坊 065000〕

石油儲(chǔ)備方式分為地上儲(chǔ)備和地下儲(chǔ)備。從穩(wěn)定性和最優(yōu)化來(lái)看,地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)運(yùn)營(yíng)效果、安全保障、質(zhì)量穩(wěn)定性有較好的優(yōu)勢(shì)。為了國(guó)家儲(chǔ)備戰(zhàn)略布局及運(yùn)營(yíng)期間的安全穩(wěn)定性,工程普遍在地址偏遠(yuǎn)、條件復(fù)雜的環(huán)境下施工,地下圍巖的地質(zhì)類型也因此多樣復(fù)雜化。在地下水封油庫(kù)的建設(shè)過(guò)程中,對(duì)地下圍巖的地質(zhì)穩(wěn)定性研究就顯得尤為重要。地下圍巖主要包括在水封油庫(kù)開挖過(guò)程中所涉及的地質(zhì)情況。由于采用機(jī)械開挖,地下圍巖的自然應(yīng)力狀態(tài)受到破壞后而重新分布。油庫(kù)洞室周圍的圍巖應(yīng)力變化最大,圍巖穩(wěn)定性影響也最為嚴(yán)重。經(jīng)研究,主要影響因素為地下巖石的自然條件、圍巖本身的物理特性、巖體的化學(xué)組分以及地下水系統(tǒng)的分布情況。為了保證水封油庫(kù)在施工過(guò)程中的安全性和質(zhì)量要求,同時(shí)滿足進(jìn)度與經(jīng)濟(jì)的可行性,須綜合考慮影響因素,從而選擇最佳的施工方案[1-3]。

Solidworks3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)可建立幾何仿真模型來(lái)處理水封油庫(kù)的圍巖應(yīng)力分布,且能進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性模擬和塑性流動(dòng)分析。通過(guò)調(diào)整圍巖應(yīng)力分布的不同界面來(lái)擬合實(shí)際結(jié)構(gòu)。采用拉格朗日中值分析和邊界元分區(qū)技術(shù),能較為精確地模擬圍巖的塑性破壞和流動(dòng),彌補(bǔ)剛性矩陣分析的缺點(diǎn),從小范圍的分析就可得出廣泛的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)[4]。

在水封油庫(kù)的圍巖穩(wěn)定性分析方面,施工前的危險(xiǎn)源識(shí)別與施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施是保證安全施工的提前[5]。由于地下水封油庫(kù)的圍巖穩(wěn)定性影響參數(shù)較多,分析過(guò)程復(fù)雜,計(jì)算繁冗,數(shù)據(jù)處理困難,本文利用數(shù)學(xué)幾何建模與網(wǎng)格分層分析的方法,借助Solidworks3D模型對(duì)地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)施工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算,分析圍巖穩(wěn)定性[6]。

1 建立模型

云南某地區(qū)水封油庫(kù)工程建設(shè)總規(guī)模300萬(wàn)m3。庫(kù)區(qū)地下主體工程為9個(gè)儲(chǔ)油洞罐,分成3組洞室,以及與之配套的操作豎井、水幕系統(tǒng)、施工巷道等。以下主要研究C1分包商的1組洞室的組建。1組洞室3個(gè)洞罐從頭至尾平行排列,從左依次編號(hào)為A洞罐,B洞罐,C洞罐。A洞罐與B洞罐墻邊間距為50 m,B洞罐與C洞罐墻邊間距為40 m。每個(gè)洞罐頂部標(biāo)高均為-110 m,長(zhǎng)均為30 m,高均為40 m,如圖1所示。

圖1 洞罐模型分布示意圖

1.1 確定分析邊界

為充分考慮水封油庫(kù)圍巖的邊界影響,橫向取A洞罐與C洞罐罐壁外200 m為分析邊界,縱向取距洞罐底面±100 m為分析邊界,深度方向取從洞罐口起點(diǎn)延伸400 m為分析邊界;由此建立分析模型。模擬運(yùn)算時(shí)從縱、橫、深度三個(gè)方向同時(shí)進(jìn)行約束,洞罐進(jìn)口端面為自由面,不進(jìn)行約束。除了上表面和下表面,其余的面全部采取內(nèi)指向約束,如圖2所示。

圖2 洞罐結(jié)構(gòu)模型照片

1.2 確定圍巖模型的物理參數(shù)

根據(jù)云南地區(qū)的地質(zhì)情況,結(jié)合Solidworks3D模型分析特性,確定地下水封油庫(kù)圍巖的巖體等級(jí)為二級(jí),巖體的泊松比為0.25,巖體的變形模量為42.5 GPa,巖體的內(nèi)摩擦角為38°,巖體的剪脹角為0°,巖體的黏聚力1.2 MPa,圍巖的密度2 840 kg/m3,圍巖的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比計(jì)算公式見式(1)～(4)。

抗壓強(qiáng)度公式：

(1)

式中：R為抗壓強(qiáng)度;MPa;P為破壞載荷,kN;F為初始截面積,m2。

抗拉強(qiáng)度公式：

(2)

式中：R1為抗拉強(qiáng)度,MPa;D為高度,m;L為厚度,m。

變形模量公式：

(3)

式中：Et為變形模量,MPa;σ80、σ20為抗壓強(qiáng)度的80%和20%;ξ80、ξ20為承受應(yīng)力80%和20%時(shí)的應(yīng)變值。

變形模量公式：

(4)

式中：μ為泊松比;ξx、ξt為軸向應(yīng)變,周向應(yīng)變。

經(jīng)過(guò)Solidworks3D模型對(duì)圍巖應(yīng)力的分析,可以看出,在地下圍巖開挖過(guò)程中,從地表面開始向下延伸。隨著深度的加大,縱向應(yīng)力的變化程度最大,橫向應(yīng)力、洞罐軸向應(yīng)力變化相對(duì)較小,縱向應(yīng)力分布如圖3所示。

圖3 地下圍巖縱向應(yīng)力分布圖

2 確定最優(yōu)方案

2.1 開挖方案分析

為了確定最優(yōu)的施工計(jì)劃,本研究結(jié)合實(shí)際資源配置及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況,提出了4種開挖方案：方案一,A洞罐與B洞罐同時(shí)先行開挖,最后開挖C洞罐;方案二,B洞罐與C洞罐同時(shí)先行開挖;最后開挖A洞罐;方案三,A洞罐與C洞罐同時(shí)先行開挖;最后開挖B洞罐;方案四,A、B、C三個(gè)洞罐同時(shí)開挖。通過(guò)Solidworks3D模型,對(duì)以上4種方案進(jìn)行數(shù)理計(jì)算,分析各方案中地下巖體的位置變化,圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變動(dòng)趨勢(shì),從而確定其穩(wěn)定特性[7]。

方案一：A洞罐與B洞罐開挖后,地下圍巖塑性影響區(qū)主要分布在洞罐的底面及上拱面,洞罐壁的邊緣影響較小。在C洞罐開挖后,3個(gè)洞罐的圍巖塑性區(qū)域并未產(chǎn)生關(guān)聯(lián),屈服應(yīng)力仍為水平拉伸方向,但A洞罐與B洞罐豎向圍巖載重量增大,A洞罐拱頂下沉約1.58 mm,B洞罐拱頂下沉約1.74 mm,C洞罐拱頂下沉約1.62 mm。B洞罐下沉量相對(duì)較大。通過(guò)模型分析圖可看出,在施工完成后B洞罐及C洞的上部圍巖變形情況相互關(guān)聯(lián),且B洞罐拱頂圍巖下沉量大于C洞罐[8]。

方案二：3個(gè)洞罐開挖后,洞罐圍巖塑性區(qū)域同樣未產(chǎn)生關(guān)聯(lián),塑性區(qū)并未貫通,屈服應(yīng)力仍為水平拉伸方向。在A洞罐開挖后,B洞罐與C洞罐豎向圍巖載重量增大。A洞罐拱頂下沉大約1.62 mm,B洞罐拱頂下沉約1.77 mm,C洞罐拱頂下沉約 1.68 mm。通過(guò)模型分析圖可看出,在施工完成后B洞罐及C洞的上部圍巖變形情況相互關(guān)聯(lián),且B洞罐拱頂圍巖下沉量大于C洞罐。

方案三：3個(gè)洞罐開挖后,洞罐圍巖塑性區(qū)域同樣未產(chǎn)生關(guān)聯(lián),塑性區(qū)并未貫通,屈服應(yīng)力仍為水平拉伸方向。在B洞罐開挖后,A洞罐與C洞罐豎向圍巖載重量增大。A洞罐拱頂下沉大約1.74 mm,B洞罐拱頂下沉約1.70 mm,C洞罐拱頂下沉約1.76 mm。通過(guò)模型分析圖可看出,在施工完成后B洞罐及C洞的上部圍巖變形情況相互關(guān)聯(lián),且C洞罐拱頂圍巖下沉量大于B洞罐。

方案四：3個(gè)洞罐開挖后,洞罐圍巖塑性區(qū)域同樣未產(chǎn)生關(guān)聯(lián),塑性區(qū)并未貫通,屈服應(yīng)力仍為水平拉伸方向,且3個(gè)洞罐豎向圍巖載重量同時(shí)增大,A洞罐拱頂下沉約1.73 mm,B洞罐拱頂下沉約1.75 mm,C洞罐拱頂下沉約 1.72 mm,B洞罐與C洞罐相對(duì)位移較大,兩洞罐的相對(duì)位置較近,相互間影響最大。

2.2 確定開挖方案

通過(guò)上述4種不同的施工方案,對(duì)地下水封洞庫(kù)的圍巖應(yīng)力影響進(jìn)行計(jì)算,分析得出如表1數(shù)據(jù)。

表1 4種方案施工后圍巖參數(shù)

從表1可以看出,對(duì)于不同的施工順序,開挖對(duì)地下圍巖的影響程度也不相同,方案一和方案二塑性體積變化相對(duì)較小,方案一的罐壁水平最大位移相對(duì)較小,方案一和方案四的拱頂豎向最大位移相對(duì)較小,綜合評(píng)比選擇最優(yōu)方案,則方案一最佳。

3 結(jié)束語(yǔ)

借助Solidworks3D模型對(duì)地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)施工過(guò)程進(jìn)行計(jì)算,分析圍巖穩(wěn)定性。通過(guò)數(shù)學(xué)建模與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工相結(jié)合,對(duì)地下圍巖的影響參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,得出不同施工順序的塑性體積變化、罐壁水平最大位移、拱頂豎向最大位移。洞罐的物理變化值越小,圍巖應(yīng)力影響越小,圍巖的穩(wěn)定性越高,最終選取最優(yōu)的施工方案,為地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)施工提供了質(zhì)量安全保障。從方案的選取上,合理地編排了洞罐空間和時(shí)間的最佳布置,對(duì)未來(lái)地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)的施工方法提供了借鑒。