温新亮　黄学军　杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司)



基于摄影测量技术的地下储油洞库岩体稳定性分级及力学参数确定

温新亮黄学军杨艳玲

(中铁隧道集团二处有限公司)

摘要岩体分级是评价地下工程岩体稳定性及确定岩体力学参数的基础。以辽宁某地下水封石油洞库为工程背景，借助三维数字摄影测量系统对洞库4北5个测点进行现场原位节理扫描，获取节理几何参数。采用RMR及GSI分类方法对各测点进行稳定性分级，得出洞库岩体等级为Ⅰ～Ⅲ级，总体稳定性较好。最后，根据分级结果，采用Hoek-Brown准则计算得到了不同测点处的岩体力学参数，为工程数值模拟计算提供了基础数据。

关键词地下储油洞库摄影测量岩体分级岩体参数

地下水封洞库主要通过水封技术，利用油的密度小于水的密度原理，通过在洞库周围布设水封孔，注一定的高压水，形成水组成的密闭空间进行石油储藏[1]。通常地下水封储油洞库布设在工程地质条件较好的花岗岩中，并且洞库具有轴向长、洞跨大及成组布设的特点。在洞库施工过程中，有效地对洞库围岩稳定性进行分级，对后期洞库施工建设及其安全运营至关重要。但由于洞库具有轴向长、断面尺寸大的特点，仅仅依靠传统的精线法、测网法、钻孔定向取芯技术及孔内照相技术等，存在技术含量低、工作量大及难以满足现代快速施工的缺点。量测岩体结构面，并进行岩体稳定性分级，是评价围岩稳定性及确定岩体力学参数的基础。本文以辽宁某地下水封储油洞库群为工程背景，利用岩体摄影测量系统(ShapeMetriX3D)对洞库围岩体进行了结构面数字识别[2-3]，在此基础上采用不同围岩分级方法对洞库围岩进行了稳定性分级，并确定岩体力学参数。

1洞库岩体结构面数字识别

库区地层主要为中粗粒花岗岩，岩性较为单一。场区地壳稳定，无区域断裂，但局部发育有小断层。该储油库设计库容为300万m3，设有2条施工巷道，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库通过巷道相连而构成，断面跨度和高度分别为19，24 m，相邻洞库间距为38 m，采用三心拱直墙型，设有4条进油竖井和4条出油竖井，在洞库群上方设置水幕系统。

根据岩土工程勘探报告可知，库区最大水平主应力方向为NEE(N71.7°E～N78.5°E)。洞库深度范围内最大水平主应力为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。

以储油洞库4北洞室中层为研究对象，选取5个测点，采用三维摄影测量系统(ShapeMetriX 3D)进行岩体结构面数字识别。以1#测点为例，节理识别效果见图1。

图1　节理效果识别

2洞库岩体稳定性分级

RMR分类系统[4]是Bieniawski于1973年提出的确定岩体质量等级的方法。历经多次修正，目前广泛采用1989年标准[5]。该方法考虑了6个主要的因素，即岩块单轴抗压强度、岩石质量指标(RQD)、结构面间距、结构面条件、地下水条件和结构面产状与工程走向的关系，并以其总和值作为岩体的RMR值。采用RMR分类系统所得到的岩体分级结果见表1。

表1　RMR分类结果

地质强度指标(GSI)分类体系由Hoek等人[6-9]提出，目的在于修正Hoek-Brown岩体破坏准则，估算不同地质条件下的岩体强度。GSI细致描述岩体特性，变化范围从0～100。GSI系统的产生与发展伴随着Hoek-Brown准则的发展。GSI使得不同版本的Hoek-Brown准则统一为广义的准则。

Hoek和Brown给出了RMR、Q与GSI之间的关系[10]：

(1)

采用RMR与GSI分类方法所确定的不同测点处岩体质量分值见表2。洞库岩体质量为Ⅰ～Ⅲ级，稳定性较好。另外，岩土工程勘探报告中，通过对勘探钻孔的计算统计得出在拟建水幕和储油洞室位置(标高-20～-80 m)岩体Q值一般大于10，岩体质量为好～很好，各级岩体所占的比例见表3，可知，洞库岩体多为Ⅰ～Ⅱ级，整体稳定性较好，适合建造地下水封储油洞库。

表2　不同岩体稳定性分级分值对比

表3　洞库岩体各级围岩所占比例

3岩体力学参数确定

3.1岩石力学参数

库区岩体主要为中粗粒花岗岩，因此，从洞库不同地点选取中粗粒花岗岩岩样进行力学实验，并结合岩土工程勘探地质报告所确定的力学参数(表4)。

表4　岩石物理及力学参数

3.2Hoek-Brown参数

Hoek-Brown强度准则可反映岩石破环时极限主应力之间的非线性经验关系[10]，其表达式为

(2)

式中，σ1,σ3分别为岩体破坏时的最大和最小主应力(压应力为正),kN；σci为岩块单轴抗压强度，可由室内试验确定,MPa；m,s为材料常数，m反映岩石的软硬程度，取值范围为3～44，完整岩体取44，严重扰动岩体取3,s反映岩体的破碎程度，完整岩体取1，破碎岩体取0。

初始的Hoek-Brown准则又称狭义的Hoek-Brown准则，是针对硬岩提出并不断应用于工程实践中。而研究表明，当该准则应用于质量较差的岩体时，会过高估计岩体的抗拉强度。因此，该准则被不断修正。其中，1992年修改的版本被称为广义的Hoek-Brown岩体强度准则[9]，其表达式为

(3)

式中，mb,a为反映岩体特征的经验参数值，其中mb类似于m，a为反映不同岩体的经验参数;其他参数意义同前。

广义Hoek-Brown准则适用范围更广，包含了(α=0.5)狭义的Hoek-Brown准则，可用于破碎岩体，特别是在低应力条件下。目前，该强度准则已成为国际岩石力学学会(ISRM)建议方法之一。

Hoek等基于广义Hoek-Brown准则和GSI并引入了考虑爆破损伤与应力释放的扰动参数D的基础上提出了岩体参数mb、s和a取值方法[6-7]：

(4)

(5)

(6)

式中，mi为完整岩块的Hoek-Brown常数，区域岩体为中粗粒花岗岩，取32；D为扰动系数，0～1，要求尽量减少爆破对地下水封储油洞库围岩的扰动，取0。

基于以上讨论，计算获得的Hoek-Brown参数见表5。

表5　Hoek-Brown参数

3.3力学参数计算

岩体单轴抗压强度：

(7)

计算得到各测点的岩体单轴抗压强度分别为4.590，7.392，11.722，17.426和34.135 MPa。

岩体单轴抗拉强度：

(8)

计算得到各测点的岩体单轴抗拉强度分别为0.048，0.088，0.162，0.274和0.677 MPa。

当岩块单轴抗压强度小于100 MPa时，岩体弹性模量：

(9)

当岩块单轴抗压强度小于100MPa时，岩体弹性模量：

(10)

利用式(11)计算得到各测点的岩体弹性模量分别为8.69，14.59，22.5，30.00和40.10 GPa。

3.4等效Mohr-Coulomb强度参数

目前，大多数岩土工程软件都采用Mohr-Coulomb破坏准则。为了扩大Hoek-Brown准则的使用范围，Hoek提出了采用Hoek-Brown参数计算岩体等效黏聚力c和内摩擦角φ的方法[10],而且大多数研究者认为黏聚力和内摩擦角具有更明确的物理意义。

由Mohr-Coulomb准则可知：

(11)

采用式(12)计算得到一系列最小主应力σ3与最大主应力σ1的数值，然后通过线性拟合所得到岩体遵循Hoek-Brown准则的直线方程，即

(12)

由式(12)和式(13)对比可得

(13)

(14)

Hoek等同时指出利用此方法估算的c、φ值对最小主应力的选择范围比较敏感，当0<σ3<0.25σci，2个准则吻合度较高。5个测点处岩体强度拟合曲线见图2，计算得到的等效Mohr-Coulomb强度参数见表6。

图2　不同测点岩体强度拟合曲线

测点c/MPaϕ/(°)1#7.938.22#8.740.63#9.643.04#10.545.05#12.548.6

4结论

(1)利用摄影测量技术对库区4北5个测点进行了现场原位节理扫描，获取了节理空间分布特征，比传统测量方法更智能、精确。

(2)根据岩体节理结构特征，结合地应力和矿岩力学性质，利用RMR和GSI分类方法对各测点岩体进行了稳定性分级，得出围岩级别为Ⅰ～Ⅲ级。

(3)根据Hoek-Brown准则详细论述了岩体力学参数的求解方法并计算出结果，为岩体力学数值模拟提供了基础数据。

参考文献

[1]LEE C I，SONG J J. Rock engineering in underground energy storage in Korea[J]. Tunneling and Underground Space Technology，2003，18(5):467-483.

[2]奥地利Startup公司.ShapeMetriX3D系统使用手册[R].沈阳：欧美大地仪器设备中国有限公司，2008.

[3]赵兴东，刘杰，张洪训，等.基于摄影测量的岩体结构面数字识别及采场稳定性分级[J].采矿与安全工程学报，2014，31(1):127-133.

[4]Bieniaski Z T. Engineering rock mass classification[M].NewYork:Science Press,1989.

[5]Hoek E. Strength of rock and rock masses[J].ISRM News Journal,1994,2(2):4-16.

[6]Hoek E, Kaiser P K, Bawden W F. Support of underground excavations in hard rock[M].Rotterdam：A.A.Balkema,1995.

[7]Hoek E, Brown E T. Practical estimates or rock mass strength[J].Int J Rock Mech & Mining Sci & Geomechanics Abstracts,1997,34(8):1165-1186.

[8]Hoek E, Marinos P, Benissi M. Applicability of the Geological Strength Index(GSI)classification for very weak and sheared rock masses. The case of the Athens Schist Formation[J].Bull Eng Geol Env,1998,57(2):151-160.

[9]朱合华,张琦,章连洋.Hoek-Brown强度准则研究进展与应用综述[J].岩石力学与工程学报,2013,32(10):1945-1963.

[10]Hoek E. Estimating Mohr-Coulomb friction and cohesion values from the Hoek-Brown failure criterion[J].Int J Rock Mech & Mining Sci & Geomechanics Abstracts,1990,12(3):227-229.

(收稿日期2016-01-22)

温新亮(1975—)，男，高级工程师，065201 河北省三河市燕郊。