１６６ 西部探矿工程 ２０ｉ５年第１期 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） 摘要：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。 关键词：水封洞库；围岩；尺寸；形状；岩体等级 ．… 中图分类号：ＴＥ８２２文献标识码：Ａ文章编号：１００４—５７１６（２０ｉ５）０１—０１６６－０５ １概述 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 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 ＦＬＡＣ∞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 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 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 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，ａｎ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１８３０ｘ１０ ｍ３。Ｅｌ本建有３座 地下水封岩石原油库，总库容５００ｘ１０ ｍ。。美国建有５ 个地下盐岩洞库，总库容达到ｌｘｌ０。ＩＩ１。以上－１ 我国于 ２０世纪７０年代在山东黄岛成功建设了一座１５ｘ１０ ＩＴＩ。 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 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ＦＬＡＣ∞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。 ＦＬＡＣａ。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ＦＬＡＣ∞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 已成为我１ｉ＇］Ｎ不容缓的任 。 ］。 本文采用ＦＬＡＣ∞数值分析软件对大型水封石油 ￥收稿日期：２０１４—０２—１８修回日期：２０１４—０３—０５ 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 作者简介：李云鹏（１９６２一），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。 ２０１５年第１期 西部探矿工程 １６７ 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 方向和ｖ、ｚ方向上的移动。在垂直于ｚ方向的外边界 上（ｘ＝ｌＯＯ）和垂直于ｖ方向的外边界（ 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 ，工 程区域内的水平最大主应力约为１０．０ＭＰａ，近垂至于 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。 洞室轴线方向（ 方向）；水平最小主应力约为６．５ＭＰａ， **行于洞室轴线方向（ｖ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 （ａ）直墙圆拱形 （ｂ）斜墙圆拱形 图１洞室截面形状 表１洞室断面尺寸 力，使得模型结构和边界条件在两个对称面（ｙ＝０、 ＝ 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一库仑准则。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 ，数值分析考虑了工级和 Ⅱ级２种不同岩体类型，其具体物理力学参数列于表 ２ 模型尺寸为１００ｍｍｘ２００ｍｍｘ１９０ｍ，ｚ轴垂直洞室 轴线方向，Ｙ轴平行轴线方向， 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 表２岩体参数 至模型顶面的岩体按其自重施加于模型顶面边界。在 ｚ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（ｖ＝Ｏ、ｚ＝－ｏ）设为固 边界，分别边界上节点在 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 １６８ 西部探矿工程 ２０１５年第１期 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 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 ｌ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 注：Ａ１：拱顶；Ａ２：边侧直墙与洞底板的拐角；Ａ３：圆拱八分处；Ａ４：边侧直墙；Ａ５：底板；Ａ６：两端边墙。 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 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 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 一列于表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。 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 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 ２０１５年第１期 西部探矿工程 １６９ ｚ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 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ｚ、 方 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 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ｙＴＹ向的应力基本一样；斜墙圆拱形洞室围 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 岩最大位移亦出现在边墙处，其最大位移值略大于直 种部位的位移均相应减小；洞室围岩各方向最大压应 墙圆拱形洞室围岩，此外，底板的隆起量略大于直墙圆 力随洞室截面尺寸减小而略微有所减小， 、 方向的拉 拱形洞室围岩，而两端边墙的位移值则略小于直墙圆 应力则有所增大，而ｖ方向上的拉应力有所减小；随洞 拱形洞室围岩。 室截面尺寸减小，洞室围岩塑性区域及发展深度有所 ４．２ Ｉｌ级岩体 减小。 表５ Ｉｌ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 综合对比分析工、Ⅱ级岩体直墙圆拱形洞室围岩 对比分析表５和表６中Ⅱ级岩体相同洞室尺寸，不 的应力、位移和破坏情况（表３和表５）可知不同质量等 同形状洞室围岩特征点的位移、应力可知：斜墙圆拱形 级岩体中相同尺寸直墙圆拱形洞室围岩应力和变形的 洞室围岩的应力分布与直墙圆拱形洞室围岩相比，分 变化规律：随岩体质量等级的降低，洞室围岩各方向上 布规律基本相同，量值亦相差不大；斜墙圆拱形洞室拱 的压应力明显减小，尤其是ｚ方向上的压应力，而拉应 顶处围岩 方向的压应力值略比直墙圆拱形洞室围岩 力变化不大；随岩体质量等级的降低，洞室围岩各特征 大，这主要是因为斜墙圆拱形洞室的圆拱直径略小于 部位的位移明显增大，Ⅱ级岩体洞室围岩最大位移值 直墙圆拱形洞室，同理在圆拱岩壁附近 方向的压应力 比Ｉ级岩体洞室围岩最大位移值增大约７０％；随岩体 值也略比直墙圆拱形洞室围岩大，斜墙圆拱形洞室边 质量等级的降低，洞室围岩发生破坏的范围及其发展 墙处ｚ、 方向的拉应力均较直墙圆拱形洞室围岩要略 深度均显著加大。 小，两种形状洞室围岩Ｙ方向的应力基本一样；斜墙圆 将Ⅱ级岩体中４ 、５ 、６ 模型各围岩特征点的应力 拱形洞室围岩最大位移亦出现在边墙处，其最大位移 值和位移值列于表６，表中应力值为负数表示拉应力。 值略大于直墙圆拱形洞室围岩，此外，底板的隆起量略 综合对比分析Ⅱ级岩体中３种不同尺寸斜墙圆拱形洞 大于直墙圆拱形洞室围岩，而两端边墙的位移值则与 室围岩特征点的位移、应力可知，斜墙圆拱形洞室围岩 直墙圆拱形洞室围岩基本一致。 的应力和变形随洞室尺寸的变化规律与直墙圆拱形洞 综合对比分析工、Ⅱ级岩体斜墙圆拱形洞室围岩 室围岩基本相同。 的应力、位移和破坏情况（表４和表６）可知不同质量等 １７０ 西部探矿工程 ２０１５年第１期 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ｚ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 比直墙圆拱形洞室围岩大，而边墙处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ｖ 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 比工级岩体洞室围岩最大位移值增大约７Ｏ％；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。 ５结论 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 方向上的压应力，而拉应力 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 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 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： 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。 参考文献： （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 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 ［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． 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；随洞窒截面尺寸减小，洞室围岩塑性 区发展深度有所减小。 【２】朱以文，黄克戬，李伟．地应力对地下洞室开挖的塑性区影 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