王逸良 马 宁

（91451 部队，河北 邯郸 056011）

由于地下洞库具有安全性能高、损耗低等特点，这种储油方式也被越来越多的国家采用。然而，大规模多洞室群的开挖，也必然会引起围岩应力的重新分布。因此，有关多洞室储油库围岩稳定性研究也逐步受到了重视[1]，文献[2-3]对地下水封油库围岩损伤及应力响应规律进行了研究，得出了爆破震动速度的安全判据；文献[4]基于洞室应力应变规律对岩体结构力学和初始应力场进行了深入研究；李术才等[5]在对地下石油洞库围岩稳定性分析的基础上，采用离散介质流固耦合理论，对洞室松动范围进行了系统的研究，得出其松动值约为6m；陈庆怀等[6]基于大洞库断面稳定性需求，应用Q 系统分类法，对洞库岩体参数及支护技术进行了分析；江权等[7]通过迭代搜索虚拟应力系数K，计算出多洞室结构中的等效塑性应力带，并由此确定出隔墙高度的安全区间。该文以FLAC3D数值模拟软件为基础，对多洞室群围岩损伤演化、应力响应特征等进行了模拟分析。

1 多洞室群围岩稳定性力学分析

洞室在开挖后由原先的三向应力转变为两向应力，必然对洞室围岩产生损伤，损伤程度也决定了塑性区的范围，因此洞室围岩塑性区的大小对其稳定性具有决定性作用。一般对塑性的描述多采用Kastner 或修正后的Fenner 公式[8]。因此为分析洞室围岩塑性区范围，以摩尔-库伦强度准则为基础，得出洞室围岩塑性区范围公式，如公式（1）所示。

式中：r，θ为塑性区范围；a为洞室半径；γ为围岩容重，H为洞室埋深；λ为侧压系数；φ，C为围岩参数；s1为第一主应力，s3为第三主应力。

对洞室围岩稳定性的影响因素如下所述。

1.1 洞室断面面积

在洞室开挖后，围岩受力不均衡，损伤区域扩大，并由弹塑性状态逐步演变为破碎、松散甚至离层现象，且往往随着洞室面积增大，应力不平衡程度也不断增大，因此其塑性破坏范围也呈逐步扩大的趋势。

1.2 洞室围岩强度

洞室围岩按照岩体强度可分为坚硬、软弱以及松散等围岩强度，也即岩体的抗压及抗拉强度，一般是岩体越软弱，围岩稳定也越差，且软弱围岩一般具有流变性，在围岩支护及洞室安全使用过程中也面临着较大的挑战。

此外，组成围岩的单元活动性也决定洞室围岩稳定性，在部分岩体中，虽然其围岩强度较高，但由于存在软弱结构面，围岩单元活性较强，在遇水或受扰动后，强度降低，容易造成洞室开裂甚至坍塌，影响生产安全。

1.3 围岩应力环境

围岩应力环境主要指初始地应力，包括侧压系数、原岩应力、地质构造带和冲击地压等；侧压系数及原岩应力的大小对围岩塑性区大小、形状分布等有重要的影响；而地质构造带和冲击地压对洞室位置的选择、洞室支护强度等也起至关重要的作用。

1.4 扰动影响

由于受到洞室群的扰动影响，围岩应力多次重新分布，而在应力分布过程中，洞室围岩塑性区也在逐步扩大，并且洞室与洞室间的塑性区易串联形成恶性扩展，而当塑性区进入恶性扩展阶段时，围岩不均衡受力以及非连续大变形情况也在进一步加剧，最终对洞室群围岩稳定性造成较大的影响。

1.5 支护强度及支护时机

由于围岩条件的复杂多变性，失稳模式、失稳机理的不可知性以及失稳范围的不确定性等都对围岩稳定性产生重要的影响。而合理的支护方式能够有效地避免围岩的持续性失稳破坏，而洞室支护强度和支护时机本质上是地应力释放与合理约束之间的动态平衡问题。因此，在围岩支护过程中应避免一味的过度支护，只有保持支护阻力与围岩压力的平衡、支护强度与收敛量的平衡、经济效益与安全施工的平衡，才能较好发挥支护系统的最优承载性能。

2 建立模型

该模型仅选取代表性部分，将工程岩体设置为各向同性的弹塑性体，模型尺寸为长×宽×高=100m×50m×100m，模型底部为固定边界，上部为应力边界，设定洞室形状为圆拱形洞室，模型共划分为20000 个单元格22406 个节点，具体如图1 所示。结合文献[3]将围岩设定为I 级围岩，具体见表1。

图1 数值模拟计算图

表1 洞室围岩物理力学参数

为对多洞室围岩稳定性进行研究，结合某地质条件，以单洞室掘进作为参照项，与受扰动情况下的洞室进行对比分析。掘进顺序为单洞室掘进→多洞依次掘进；掘进方式采用分步掘进，并向顶板实加0.01MPa 的作用力，以模拟简单支护方式。此外，当最大不平衡力达到1.0×10-5时，将其视为应力达到平衡状态，并将其导出为塑形破坏区域图，分布应力云图。同时借助tecplot 后处理软件，在洞室顶板不同距离布置4 条观测线，监测其围岩应力分布特征。

3 数值模拟分析

为研究多洞室群围岩损伤演化情况、应力响应特征，分别对未受扰动和受扰动影响下的围岩塑性区，采用Tecplot 在洞室上部布置监测线进行对比。

3.1 洞室开挖损伤演化模拟

为分析洞室群开挖损伤演化规律，以未受扰动洞室为参照，通过FLAC3D 后处理将2 者的塑性区分布云图进行对比，具体如图2 所示。

图2 洞室围岩塑性区分布图

由图2 可知，围岩破坏主要以剪切破坏为主，且多集中于底板和洞室两侧。以底板为例：当未受到扰动影响时，破坏区域约为60 块，而在受到扰动影响后，底板出现了较大的突变现象，破坏区域达到110 块左右，增大了约83%，且洞室两侧也均有不同程度蔓延的趋势。可见，由于受到应力扰动的影响，围岩塑性区也有逐步向深部扩展的趋势。因此，对多洞室群，要及时采取适当措施改变内部应力分布，避免进一步破坏失稳发展。

3.2 洞室围岩应力云图分析

为分析未受扰动和受多洞室扰动的围岩应力场特征，采用Flac3D 数值模拟软件，将其后处理为围岩应力云图，结果如图3 所示。

图3 洞室围岩应力云图

由图3 可知，在洞室开挖后，在围岩顶部和两帮低角处会形成应力卸压区，由于未受扰动，其围岩应力等值线大致呈对称分布，如图3（a）所示。而由于受到多洞室的影响，围岩承载能力逐渐变弱，其应力等值线也由对称分布逐步演化为非对称分布，并呈恶性扩展的趋势，且右帮应力卸压区明显大于左帮。

3.3 洞室围岩应力演化模拟

受扰动和未受扰动情况下的硐室顶板应力分布曲线如图4 所示。由图4 可知，①两者的应力分布曲线形状大致相同，其应力峰值均位于洞室中部左侧2m 左右的位置，而应力最小值则位于洞室中部右侧3m 的位置。②在未受扰动影响下，随着距洞室顶部距离增大，其应力峰值逐步降低，应力分布曲线也逐步平缓。③而对受多洞室扰动而言，顶部应力分布曲线变化较小，应力峰值变化也相对较小。

图4 洞室围岩应力分布图

3.4 洞室围岩变形对比分析

通过对2 种情况下的顶板、底板、左帮和右帮围岩变形量进行对比分析，结果如图5 所示。

图5 围岩变形量对比柱状图

由图5 可知，①相比未受扰动情况而言，由于受到多洞室采动影响，应力得到充分释放，围岩变形量有明显增加趋势，以洞室右帮为例，在未受扰动时围岩变形量为120mm，而受多洞室扰动后，变形量增加至260mm，增长量达140mm，增幅达116%。②由于受到多洞室扰动影响，围岩非对称变形也逐渐呈扩大趋势，两帮收敛量由原先的245mm 增大为460mm，非对称变形值也有原先的5mm 增加为60mm。

4 结语

石油战略储备无论在经济领域还是政治领域都扮演着重要的角色，大型地下多洞室油库也逐步成为主流的储油方式，该文基于FLAC3D 数值模拟软件，针对多洞室群围岩塑性区分布特征、最大不平衡力演化规律和应力分布曲线等进行了分析，得出以下结论：由于受到多洞室群开挖的影响，围岩损伤程度也有不同程度的增大。因此，要及时采取适当措施改变内部应力分布，避免破坏失稳进一步变化。