黄学军　温新亮　杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司)



某地下储油洞库群开挖对围岩稳定影响分析

黄学军温新亮杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司)

摘要施工过程对地下工程围岩稳定性具有重要的影响。以辽宁某地下水封石油洞库为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件进行了洞库群施工过程仿真模拟，分析了围岩应力场、位移场、塑性区动态变化规律，得出了动态开挖对围岩稳定性的影响，为工程施工提供了理论依据。

关键词储油洞库群动态开挖FLAC3D围岩稳定性

地下储油洞库具有占地少、安全性高、投资省、运营费用低等诸多优点而成为目前国内外许多国家石油战略储备的一种重要形式[1-3]。因其特殊的使用目的而有别于其它地下建筑工程，储油洞库大多建造在工程地质条件较好的花岗岩中，然而却具有洞轴长、洞跨大且一般成群的特点，故对围岩稳定性要求高。因此为保证施工安全，需要对施工过程中的围岩稳定性进行动态分析。王芝银等利用FLAC3D数值模拟软件比选出洞库群较优的开挖施工顺序，并进行了施工过程与黏弹性稳定性分析模拟[4]；杨峰以惠州水封洞库工程为例，开展了洞室群稳定性的分析与评价[5]；王者超运用弹塑性理论研究了花岗岩地层洞库围岩的变形和稳定性[6]。以上研究对于我国储油洞库的稳定性分析及优化设计提供了一定的理论基础。本文以辽宁某大型地下储油洞库工程为例，采用FLAC3D数值模拟软件分析施工过程中围岩的力学响应规律及稳定性影响。

1工程概况

某水封地下储油库工程场区地貌单元属于剥蚀丘陵，低矮宽厚，海拔高12.70～42.83 m，为低缓丘陵区。该区附近没有活断层和区域断层的分布。断层走向以SN、NE、NW为主，运动性质以斜滑为主，与区域主导断裂方向(华夏系NE和新华夏系NNE)和构造主应力方向(NEE)基本一致。断裂构造及其活动性对地下油库建设影响较小。库址区岩体主要为中粗粒花岗岩，穿插辉绿岩脉，细晶岩、角闪闪长玢岩等岩脉。在岩脉侵入部位，由于热液蚀变作用，节理发育，造成岩脉和接触带附近的花岗岩一般较为破碎，岩脉的走向、倾向和倾角与节理基本一致，以NNW和NNE走向为主。储油库设计库容为300万m3，建造4组储油洞罐，每组洞罐由2条断面和长度相同的储油洞室通过巷道相连而构成，储油洞室长度均为934 m，断面跨度和高度分别为19，24 m，洞室间距为38 m，断面采用三心拱直墙型，底面标高为-80 m，顶标高为-56 m；设有4座φ3 m进油竖井，4座φ6 m出油竖井；在洞室上方设置水幕系统；设有2条施工巷道。洞室群三维模型见图1。洞室位置关系见图2。

图1　洞室群三维模型

图2　洞室位置示意

通过对3个钻孔深部主应力值统计表明，洞库深度范围内的最大水平主应力为6.19～11.50 MPa，优势方向平均为NE74.3°，最小水平主应力为3.63～9.02 MPa，垂直主应力为1.81～3.61 MPa。

2数值模型建立及方案

2.1数值模型

选取2组洞罐3北3南、4北4南作为研究对象，建立计算模型(图3)，X轴垂直于洞室轴线方向，Z轴与洞室轴线一致，Y轴竖直向上。洞室长度取300 m，模型尺寸为386 m×300 m×230 m。计算模型地表设为自由边界，底部设为固定约束，模型四周设为单向位移边界,计算考虑自重应力与构造应力的影响。洞室轴线方位为NE72.8°，与实测最大主应力优势方向基本一致。基于试验数据的综合分析，力学模型为摩尔-库伦弹塑性模型，取围岩等级为Ⅲ级，岩体力学参数见表2。

图3　计算模型(单位:m)

围岩级别密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比摩擦角/(°)抗拉强度/MPa内聚力/MPaⅢ265090.27451.51.8

2.2施工模拟方案

洞室群整体开挖顺序为3南、4南同时开挖且超前于4北、3北，采用光面爆破，重型卡车出渣。洞室自上而下分层开挖，8 m一层，中层和下层同时开挖，掌子面相距150 m左右。为了分析方便，4南、4北、3南、3北依次记为1#、2#、3#、4#洞。

3模拟结果分析

3.1应力分析

图4为某开挖阶段应力分布。对于水平应力，开挖造成洞室边帮附近普遍形成应力卸荷区，洞室的拱顶部位出现一定程度的应力集中，其开挖造成的扰动影响范围随着开挖的进行不断发生变化，具体表现为1#、3#出现洞室中层台阶开挖至240 m时，扰动范围从无到有并增加到1倍于开挖尺寸的大小；随着开挖的进行扰动范围慢慢增加，到2#、4#洞室中层台阶开挖至240 m时，扰动范围约为2倍于洞室尺寸(图4(a2)中洞室之间扰动范围相互贯通)。1#、3#洞室开挖过程中在洞室边帮中部形成了部分拉应力区，到2#、4#洞室开挖时，拉应力区消失。垂直应力变化规律与水平应力大致相同，不同之处在于洞室开挖后对垂直应力扰动范围相较于水平应力扰动范围明显减小，表明开挖过程对洞室边帮的影响程度大大超过对洞室顶底板的影响程度。

3.2位移分析

随着施工的进行，洞室周围岩体向空区位移变形，形成了以洞室为中心的变形松动圈，且随着开挖的进行，变形松动圈不断扩大。为了更好地研究开挖过程对各个洞室周围岩体变形的影响，在计算过程中对围岩关键点不同方向的位移进行监测(图2)。图5为各洞室不同监测点位移变化曲经线。为了分析方便，1#、3#中150表示1#、3#洞室中层台阶开挖至150 m时，1#、3#中240表示1#、3#洞室中层台阶开挖至240 m时，1#、3#中表示1#、3#洞室中层台阶开挖完成时，1#、3#下表示1#、3#洞室开挖完成时；2#、4#洞室同理。

图4　各洞室中层台阶开挖至240 m时应力分布

图5　各洞室不同监测点位移对比

由图5(a)可知，1#、3#洞室初始开挖时，两帮朝内收缩，C1、D3点的位移略大于D1、C3点的位移，这是因为D1、C3受1#、3#洞室开挖后产生的复合应力场的影响；C4、D4也有少量的位移，位移方向与D3相同，且D4的位移要小于C4，说明位移场的影响效果随着距离的加大而减小。随着开挖的进行，洞周关键点的位移不断发生变化，具体表现为在洞室前240 m的开挖过程对洞周的影响较大，且每个洞室都处在相邻洞室开挖后产生的二次位移场之下，受影响程度随着距离的增大而减小，每个洞室最终边墙位移是一个复合位移场下位移相互叠加的结果。

由图5(b)可知,相比较于边帮的位移变化，虽然顶底板的位移变化范围要小得多，但是各个洞室的顶底板的最终位移状态也是复合应力场下位移相互叠加的结果，只是比较起复合位移场对洞室边帮的相互影响程度，洞室顶底板受影响程度要小很多。其中，与洞室边帮位移变化趋势相比，洞室顶底板的位移变化还有一个显著特点：虽然在洞室开挖初期明显发生顶板下沉、底板鼓起现象，但随着开挖深度的不断加深，洞室顶底板呈现出位移回弹现象，并最终趋于稳定。

3.3塑性区分布

图6为某开挖阶段塑性区分布。初始开挖时塑性区均以剪切破坏为主，拉伸破坏为辅。剪切破坏主要分布于边帮底脚和台阶，顶板附近也有少量分布。拉伸破坏主要集中于边墙中部，剪切破坏和拉伸破坏均随着断面大小变化而变化。随着开挖的进行，剪切破坏范围不断增大，拉伸破坏范围减少。

图6　各洞室中层台阶开挖至240 m时塑性区分布

图7为开挖完后塑性区分布。开挖完成后，塑性区分布深度大概在洞室周边1～3 m，顶板附近塑性区分布较少，主要集中于边帮和底板附近。鉴于围岩的抗拉强度较低，因此，实际施工中应注意边帮中部的围岩稳定情况。

图7　洞室开挖完后塑性区分布

4结论

(1)开挖造成洞室边帮附近普遍形成应力卸荷区，扰动影响范围随着开挖的进行不断发生变化，1#、3#洞室开挖过程中在边帮中部形成了部分拉应力区，2#、4#洞室开挖时，拉应力区消失。

(2)随着开挖的进行，水平方向在洞室前240 m的开挖过程对洞周位移的影响较大，且每个洞室都处在相邻洞室开挖后产生的二次位移场之下，受影响程度随着距离的增大而减小，每个洞室最终的边帮位移是一个复合位移场叠加的结果。垂直位移变化情况与水平位移变化大致相符，程度上有所减弱。

(3)塑性区主要以剪切破坏为主，拉伸破坏为辅；随着开挖的进行，剪切破坏范围不断增大，拉伸破坏范围减小；开挖完成后，塑性区分布深度大概在洞室周边1～3 m，鉴于围岩的抗拉强度较低，实际施工中应加强边帮中部的围岩稳定监测。

参考文献

[1]Lee Y N，Yun S P，Kim D Y，et al. Design and construction aspects of unlined oil storage caverns in rock[J].Tunnelling and Underground Space Technology，1996，11(1)：33-37.

[2]Tezukaa M，Seokab T. Latest technology of underground rock cavern excavation in Japan[J].Tunnelling and Underground Space Technology， 2003，18(2-3)：127-143.

[3]Sun J P，Zhao Z Y. Effects of anisotropic permeability of fractured rock masses on underground oil storage caverns[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2010，25(5)：629-637.

[4]王芝银，李云鹏，郭书太，等. 大型地下储油洞粘弹性稳定性分析[J].岩土力学，2005，26(11):1705-1710.

[5]杨峰.惠州地下水封储油洞库群围岩稳定性分析与评价[D].北京：中国地质大学，2011.

[6]王者超，李术才，薛翊国，等. 大型地下水封石油洞库围岩完整性、变形和稳定性分析[J].山东大学学报：工学版，2011，4(3):112-115.

(收稿日期2016-01-22)

黄学军(1978—)，男，总工程师，高级工程师，065201 河北省三河市燕郊开发区。