李云鹏

（惠州国储石油基地有限责任公司，广东惠州516080）

大型地下水封洞库主洞室稳定性研究

李云鹏*

（惠州国储石油基地有限责任公司，广东惠州516080）

地下洞室的稳定性问题是地下洞室设计、施工所需面对的一个核心问题，通过对洞室围岩稳定性进行分析，可以了解洞室开挖后围岩的应力重分布状态、变形情况，分析出洞室围岩是否发生塑性变形及塑性区范围，为洞室的尺寸、轴线方向、洞室间距等设计及洞室开挖方法及顺序提供参考。采用数值计算方法对大型水封石油洞库的一个主洞室进行分析，模拟实际的开挖工序，分析了不同等级岩体内不同截面形状、不同截面尺寸地下洞室围岩的应力、变形分布情况及其稳定性。

水封洞库；围岩；尺寸；形状；岩体等级

1 概述

国际上的石油储备库分为地上油库和地下油库2种，而作为大规模的储备库多以地下油库为主。地下油库分为2种，一种是水封岩石洞库，另一种是盐岩洞库。水封岩石洞库的储油原理是在稳定的地下水位线以下一定的深度，通过人工在地下岩石中开挖出一定容积的洞室，利用稳定地下水的水封作用密封储存在洞室内的石油。盐岩库则是利用埋藏在一定深度的盐岩，其孔隙率和渗透率几乎等于零，具有很好的气密性和液密性，在盐岩中冲刷出来的洞穴中储存石油。这两种形式的地下库在国外已建造了很多，如北欧多花岗岩体，多采用水封岩石洞库，美国、加拿大等有厚盐岩层的国家多建盐岩洞库。

地下水封岩石洞库最先出现在瑞典、挪威等北欧国家，现在仅在斯堪的纳维亚地区就建有200多座地下水封岩石原油库，总库容达1830×104m3。日本建有3座地下水封岩石原油库，总库容500×104m3。美国建有5个地下盐岩洞库，总库容达到1×108m3以上[1]。我国于20世纪70年代在山东黄岛成功建设了一座15×104m3的地下水封油库，至今运营状况良好，可以作为地下水封油库选址的范例。但是，要应对当前地下水封油库动辄数百万方大库容、大跨度、高边墙的工程特点，从理论上系统地研究大型地下水封洞库主洞室群稳定性已成为我们刻不容缓的任务[2-3]。

本文采用FLAC3D数值分析软件对大型水封石油洞库的一个主洞室进行分析，模拟实际的开挖工序，分析不同等级岩体内不同形状和不同尺寸洞室围岩的应力、变形情况与稳定性。

2 计算方法与原理

FLAC3D软件是大型显式有限差分数值计算软件，FLAC是Fast Lagrangian Analysis of Continua缩写，可翻译为连续介质快速拉格朗日分析，是由美国名尼苏达ITASCA咨询集团于1986年研制推出。它应用了结点位移连续的条件，可以对连续介质进行大变形分析，同时FLAC3D又可以对地下水产生的渗流场进行模拟计算，可以实现水岩（土）相互作用的耦合分析。

FLAC3D软件采用拉格朗日方法运算，按时步采用动力松弛的方法来求解，不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组，占用内存较少，便于用微机求解大型工程问题。

运用FLAC3D软件进行一个工程的模拟分析计算，须确定问题的3个基本元素，即：网格模型、材料本构关系及参数、模型的边界和初始条件。网格模型确定问题的几何形状；本构关系和材料参数要求模型再现“干扰”（比如，由于开挖的变形响应）的响应类型；边界和初始条件一般定义原位状态。在FLAC中，在这些条件确定后，首先为模型进行初始平衡状态的计算，然后进行改变（例如，开挖或改变边界条件），接着进行计算模型的结果响应。FLAC软件应用精确时步方法解决代数方程，在一系列计算布置后，获得计算答案。在FLAC中，解决问题的时步数目可以由代码自动控制或用户人工控制，在分析洞室稳定性的时候，一般均把洞室围岩看作均质各向同性介质，通过弱化岩体参数的方法来表现节理裂隙的影响。

3 数值计算

3.1 计算模型

洞室截面形状采用直墙圆拱形和斜墙圆拱形两种，如图1所示，每种断面形状都计算了3种不同的截面尺寸，如表1所示。

图1 洞室截面形状

表1 洞室断面尺寸

模型尺寸为100mm×200mm×190m，x轴垂直洞室轴线方向，y轴平行轴线方向，z轴为竖直方向，模型以y=0和x=0为对称面，模型并未模拟至地表高程，地表至模型顶面的岩体按其自重施加于模型顶面边界。在x方向上，模型边界离洞室外壁的距离为90m。在y方向上，模型总长为200m，其中洞室长度为100m。

3.2 边界条件

数值分析的边界条件通常有位移边界条件和应力边界条件，位移边界条件中最常用的就是固定边界条件。对于静力问题，可以将无穷远处边界和对称面定为固定边界条件，本次数值分析，将模型的底面和对称面（y=0、x=0）设为固定边界，分别限制边界上节点在z方向和y、x方向上的移动。在垂直于x方向的外边界上（x=100）和垂直于y方向的外边界（y=200）上施加应力边界条件。根据某实际工程的地应力模拟结果[4]，工程区域内的水平最大主应力约为10.0MPa，近垂至于洞室轴线方向（y方向）；水平最小主应力约为6.5MPa，近平行于洞室轴线方向（y方向），因此在模型的x=100边界上施加10.0MPa的压应力，在y=200边界上施加6.5MPa的压应力。将模型的顶面设为自由边界面，同时施加因上覆岩体自重而产生的压应力，在本次研究中，设洞室拱顶埋深为150m，而模型上顶面距洞室拱顶的距离为80m，故还需在模型顶面施加70m的岩体自重（为1.89MPa）作为边界应力。在计算时亦考虑了岩体自重的作用。

需要指出的是，实际工程洞室轴线很少能够正好与最大原岩主应力垂直，而是考虑到洞室围岩的稳定性。往往在设计时，尽量使得洞室轴线与最大原岩主应力小角度相交，按照本文上述方法施加边界应力实际上是在最不利条件下分析洞室围岩稳定性，增加了分析结果的安全性，同时不必在模型边界上施加剪应力，使得模型结构和边界条件在两个对称面（y=0、x= 0）上严格对称，大大减少模型单元数，增加了计算效率。

3.3 材料本构及参数

本次研究有限差分法属于连续介质数值分析方法，计算过程中将洞室围岩视为均匀各向同性弹塑性介质，材料破坏规律服从莫尔—库仑准则。由于本次研究并非针对某个特定的地下水封洞室工程，因此本次研究采用工程岩体分级标准（GB 50218-94）推荐的岩体参数下限值来进行计算[5]，数值分析考虑了Ⅰ级和Ⅱ级2种不同岩体类型，其具体物理力学参数列于表2。

表2 岩体参数

4 结果分析

4.1 Ⅰ级岩体

本次数值分析对洞室进行三步开挖，第一步开挖拱顶部分，第二步开挖中部直墙部分，第三步开挖下部直墙部分。将1#、2#、3#模型的各围岩特征点的应力值和位移值列于表3，表中应力值为负数表示拉应力。综合对比分析3种不同尺寸直墙圆拱形洞室围岩特征点的位移、应力可知，3种洞室围岩的位移和应力分布形式基本相同，其量值亦相差不大，总体上有如下规律：随洞室截面尺寸减小，洞室围岩各特种部位的位移均相应减小；各特征部位x方向压应力集中程度随洞室截面尺寸减小而略微有所加剧，而y、z方向的压应力集中程度则略微有所减缓；边侧直墙岩壁处产生的拉应力随洞室截面尺寸减小有所降低，而且拉应力区域面积逐渐减小；随洞室截面尺寸减小，洞室围岩塑性区发展深度有所减小。

表3 Ⅰ级岩体不同尺寸直墙圆拱形洞室开挖后围岩特征点应力与位移

为了解洞室截面形状对围岩稳定性的影响，故而分析斜墙圆拱形洞室围岩稳定性，与直墙圆拱形洞室一样，斜墙圆拱形洞室也是分为三步开挖，为了对比分析不同洞室形状对围岩稳定性的影响，在此直接列出各尺寸斜墙圆拱形洞室开挖完成后围岩的应力、变形及破坏情况，并将其与相应尺寸直墙圆拱形洞室围岩进行对比分析。

将4#、5#、6#模型的各围岩特征点的应力值和位移值列于表4，表4中应力值为负数表示拉应力。综合对比分析3种不同尺寸斜墙圆拱形洞室围岩特征点的位移、应力可知，斜墙圆拱形洞室围岩的应力和变形情况随洞室尺寸的变化规律与直墙圆拱形洞室围岩基本相同。

表4 Ⅰ级岩体不同尺寸斜墙圆拱形洞室开挖后围岩特征点应力与位移

对比分析表3和表4中相同洞室尺寸，不同形状洞室围岩特征点的位移、应力可知：斜墙圆拱形洞室围岩的应力分布与直墙圆拱形洞室围岩相比，分布规律基本相同，量值亦相差不大；斜墙圆拱形洞室拱顶处围岩x方向的压应力值略比直墙圆拱形洞室围岩大，这主要是因为斜墙圆拱形洞室的圆拱直径略小于直墙圆拱形洞室，同理在圆拱岩壁附近z方向的压应力值也略比直墙圆拱形洞室围岩的大，斜墙圆拱形洞室边墙处x、z方向的拉应力均较直墙圆拱形洞室围岩要略小，两种形状洞室围岩y方向的应力基本一样；斜墙圆拱形洞室围岩最大位移亦出现在边墙处，其最大位移值略大于直墙圆拱形洞室围岩，此外，底板的隆起量略大于直墙圆拱形洞室围岩，而两端边墙的位移值则略小于直墙圆拱形洞室围岩。

4.2 Ⅱ级岩体

将Ⅱ级岩体1#、2#、3#模型的各围岩特征点的应力值和位移值列于表5，表5中应力值为负数表示拉应力。综合对比分析Ⅱ级岩体中3种不同尺寸直墙圆拱形洞室围岩特征点的位移、应力可知，3种洞室围岩的位移和应力分布形式基本相同，其量值亦相差不大，总体上有如下规律：随洞室截面尺寸减小，洞室围岩各特种部位的位移均相应减小；洞室围岩各方向最大压应力随洞室截面尺寸减小而略微有所减小，x、z方向的拉应力则有所增大，而y方向上的拉应力有所减小；随洞室截面尺寸减小，洞室围岩塑性区域及发展深度有所减小。

表5 Ⅱ级岩体不同尺寸直墙圆拱形洞室开挖后围岩特征点应力与位移

综合对比分析Ⅰ、Ⅱ级岩体直墙圆拱形洞室围岩的应力、位移和破坏情况（表3和表5）可知不同质量等级岩体中相同尺寸直墙圆拱形洞室围岩应力和变形的变化规律：随岩体质量等级的降低，洞室围岩各方向上的压应力明显减小，尤其是x方向上的压应力，而拉应力变化不大；随岩体质量等级的降低，洞室围岩各特征部位的位移明显增大，Ⅱ级岩体洞室围岩最大位移值比Ⅰ级岩体洞室围岩最大位移值增大约70%；随岩体质量等级的降低，洞室围岩发生破坏的范围及其发展深度均显著加大。

将Ⅱ级岩体中4#、5#、6#模型各围岩特征点的应力值和位移值列于表6，表中应力值为负数表示拉应力。综合对比分析Ⅱ级岩体中3种不同尺寸斜墙圆拱形洞室围岩特征点的位移、应力可知，斜墙圆拱形洞室围岩的应力和变形随洞室尺寸的变化规律与直墙圆拱形洞室围岩基本相同。

对比分析表5和表6中Ⅱ级岩体相同洞室尺寸，不同形状洞室围岩特征点的位移、应力可知：斜墙圆拱形洞室围岩的应力分布与直墙圆拱形洞室围岩相比，分布规律基本相同，量值亦相差不大；斜墙圆拱形洞室拱顶处围岩x方向的压应力值略比直墙圆拱形洞室围岩大，这主要是因为斜墙圆拱形洞室的圆拱直径略小于直墙圆拱形洞室，同理在圆拱岩壁附近z方向的压应力值也略比直墙圆拱形洞室围岩大，斜墙圆拱形洞室边墙处x、z方向的拉应力均较直墙圆拱形洞室围岩要略小，两种形状洞室围岩y方向的应力基本一样；斜墙圆拱形洞室围岩最大位移亦出现在边墙处，其最大位移值略大于直墙圆拱形洞室围岩，此外，底板的隆起量略大于直墙圆拱形洞室围岩，而两端边墙的位移值则与直墙圆拱形洞室围岩基本一致。

综合对比分析Ⅰ、Ⅱ级岩体斜墙圆拱形洞室围岩的应力、位移和破坏情况（表4和表6）可知不同质量等级岩体中相同尺寸斜墙圆拱形洞室围岩应力和变形的变化规律：随岩体质量等级的降低，洞室围岩各方向上的压应力明显减小，尤其是x方向上的压应力，而拉应力变化不大；随岩体质量等级的降低，洞室围岩各特征部位的位移明显增大，Ⅱ级岩体洞室围岩最大位移值比Ⅰ级岩体洞室围岩最大位移值增大约70%；随岩体质量等级的降低，洞室围岩发生破坏的范围及其发展深度均显著加大。

表6 Ⅱ级岩体不同尺寸斜墙圆拱形洞室开挖后围岩特征点应力与位移

5 结论

地下洞室的稳定性问题是地下洞室设计、施工所需面对的一个核心问题，通过对洞室围岩稳定性进行分析，可以了解洞室开挖后围岩的应力重分布状态、变形情况，分析出洞室围岩是否发生塑性变形及塑性区范围，本文采用有限差分法分析了不同等级岩体、不同形状、不同尺寸洞室围岩的稳定性，发现：

（1）随洞室截面尺寸减小，洞室围岩各特种部位的位移均相应减小；各特征部位x方向压应力集中程度随洞室截面尺寸减小而略微有所加剧，而y、z方向的压应力集中程度则略微有所减缓；边侧直墙岩壁处产生的拉应力随洞室截面尺寸减小有所降低，而且拉应力区域面积逐渐减小；随洞室截面尺寸减小，洞室围岩塑性区发展深度有所减小。

（2）斜墙圆拱形洞室围岩的应力分布与直墙圆拱形洞室围岩相比，分布规律基本相同，量值亦相差不大；斜墙圆拱形洞室拱顶处围岩x、z方向的压应力值略比直墙圆拱形洞室围岩大，而边墙处x、z方向的拉应力均较直墙圆拱形洞室围岩要略小，两种形状洞室围岩y方向的应力基本一样；斜墙圆拱形洞室围岩最大位移亦出现在边墙处，其最大位移值略大于直墙圆拱形洞室围岩，此外，底板的隆起量略大于直墙圆拱形洞室围岩，而两端边墙的位移值则略小于直墙圆拱形洞室围岩。

（3）随岩体质量等级的降低，洞室围岩各方向上的压应力明显减小，尤其是x方向上的压应力，而拉应力变化不大；随岩体质量等级的降低，洞室围岩各特征部位的位移明显增大，Ⅱ级岩体洞室围岩最大位移值比Ⅰ级岩体洞室围岩最大位移值增大约70%；随岩体质量等级的降低，洞室围岩发生破坏的范围及其发展深度均显著加大。

[1]陈祥.黄岛地下水封石油洞库岩体质量评价及围岩稳定性分析[D].北京:中国地质大学（北京）,2007.

[2]朱以文,黄克戬,李伟.地应力对地下洞室开挖的塑性区影响研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(8):1344-1348.

[3]祁文刚.二滩水电站泄洪洞典型围岩稳定性分析[J].水电站设计,2002,18(2):62-65.

[4]陈祥,孙进忠,张杰坤,陈庆寿.黄岛地下水封石油洞库场区地应力场模拟分析[J].岩土工程学报,2009,31(5):713-719.

[5]GB50218-94工程岩体分级标准[S].中国计划出版社，1995.

TE822

A

1004-5716(2015)01-0166-05

2014-02-18

2014-03-05

李云鹏（1962-），男（汉族），黑龙江讷河人，工程师，现从事地下洞库的管理和研究工作。