， ，，

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,長(zhǎng)沙 410014； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 武漢長(zhǎng)江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司,武漢 430010； 3.四川中良建筑工程有限公司,成都 610094)

1 研究背景

地下水封洞庫(kù)是油氣資源儲(chǔ)備的重要方式之一，被稱為“具有高度戰(zhàn)略安全的儲(chǔ)備庫(kù)”。相比地上儲(chǔ)庫(kù)具有安全性高、儲(chǔ)備量大、占地少、投資省及環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]。目前我國(guó)地下水封洞庫(kù)的建設(shè)方興未艾，國(guó)家已實(shí)施石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備規(guī)劃，預(yù)計(jì)未來(lái)還將建設(shè)更多的地下水封洞庫(kù)。

地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)大多以規(guī)模大型或超大型地下洞室群作為主要的封存構(gòu)筑物，埋深在90 m左右，具有洞軸長(zhǎng)、洞跨大、高邊墻等特點(diǎn)。因此，洞庫(kù)圍巖的穩(wěn)定性是影響洞庫(kù)建造和儲(chǔ)存油氣的重要因素[4-6]。水封地下洞庫(kù)是往往在花崗巖體中開(kāi)挖而成，庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造一般較為復(fù)雜，多發(fā)育有斷裂構(gòu)造、節(jié)理裂隙等不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)。如此大規(guī)模的地下洞室群不可避免要與復(fù)雜的不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)切割。因此，開(kāi)展不利地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)地下水封洞庫(kù)洞室穩(wěn)定性影響分析，對(duì)地下水封洞庫(kù)選址及建設(shè)等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于FLAC3D[7]有限差分軟件，依托湛江地下水封洞庫(kù)地下洞室工程，根據(jù)其地質(zhì)條件及地應(yīng)力場(chǎng)，從斷層破碎帶距洞室不同距離來(lái)分析其對(duì)洞室開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定性的影響。

2 工程概況及巖體洞室計(jì)算模型

2.1 工程概況

湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)位于廣東省廉江市良垌鎮(zhèn)西南8 km處。庫(kù)址區(qū)所在區(qū)域位于粵桂隆起與桂湘贛褶皺帶的交界處南端。洞庫(kù)區(qū)巖脈較為發(fā)育，以晚期的石英脈、微晶巖脈及煌斑巖脈為主，構(gòu)造以脆性破裂為主，主要發(fā)育有斷裂構(gòu)造、節(jié)理裂隙密集帶及區(qū)域性優(yōu)勢(shì)節(jié)理。該石油洞庫(kù)主要包括3條施工巷道、10個(gè)主洞室、10個(gè)豎井及8條水幕巷道。其中，儲(chǔ)油洞室長(zhǎng)度均為923 m，斷面跨度和高度分別為20 m和30 m，洞型為直墻圓拱形。

2.2 巖體洞室計(jì)算模型

2.2.1 巖體洞室計(jì)算的幾何模型

以單一洞室為例，考慮斷層破碎帶與洞室距離對(duì)巖體洞室圍巖穩(wěn)定性的影響。洞室為直墻拱形，洞室尺寸為20 m×30 m(寬×高)。模型范圍：洞室底部巖體向下延伸150 m，兩側(cè)向外延伸200 m；洞室頂部直至地表，覆巖厚度為100 m。斷層破碎帶厚度為4 m，位于洞室右上方，與洞室軸線夾角為45°。模型單元在圍巖3倍洞徑外最大網(wǎng)格尺寸為10 m；3倍洞徑影響范圍內(nèi)，最大網(wǎng)格尺寸為6 m；斷層破碎帶處最大網(wǎng)格尺寸為2 m。模型分為巖體中無(wú)斷層破碎帶，斷層破碎帶與洞室間距為1,2,4,6,8,10,12 m這8種工況來(lái)分析斷層破碎帶位置對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

計(jì)算邊界條件：底部x,y,z三向約束,地表為自由邊界，其余為法向約束。

2.2.2 地應(yīng)力與巖體計(jì)算參數(shù)

巖體及斷層破碎帶的物理力學(xué)參數(shù)參考《湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)工程巖土工程勘察報(bào)告》[8]，僅考慮單一巖體，其基本質(zhì)量等級(jí)取Ⅱ級(jí)，斷層破碎帶基本質(zhì)量等級(jí)取Ⅴ級(jí)。初始地應(yīng)力考慮自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。巖體及斷層破碎帶的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體及斷層破碎帶的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of the studied rockmass and fault fracture zone

2.2.3 力學(xué)模型

深埋的地下巖體，在洞室開(kāi)挖過(guò)程中，常表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象[9-10]。所以，洞室圍巖及斷層破碎帶均采用應(yīng)變軟化摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型才更符合實(shí)際情況。應(yīng)變軟化本構(gòu)模型屈服函數(shù)為：

(1)

ft=σ3-σt;

(2)

(3)

式中：fs為剪切屈服函數(shù)；ft為拉伸屈服函數(shù)；σ1為第一主應(yīng)力；σ3為第三主應(yīng)力；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；Nφ為內(nèi)摩擦角φ的函數(shù)；σt為抗拉強(qiáng)度。

初始地應(yīng)力參照王章瓊等[11]對(duì)我國(guó)大陸地下水封洞庫(kù)庫(kù)址區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的反演公式,即

(4)

式中：σv為垂直主應(yīng)力；σH為最大水平主應(yīng)力；σh為最小水平主應(yīng)力；R2為決定系數(shù);H為埋深。

3 斷層破碎帶與洞室間距對(duì)地下洞室開(kāi)挖穩(wěn)定性的影響

3.1 變形分析

斷層破碎帶距洞室不同距離時(shí)洞室開(kāi)挖后的洞室圍巖的位移矢量云圖如圖1所示，斷層破碎帶距洞室不同距離時(shí)圍巖最大位移曲線如圖2所示。

圖1 斷層破碎帶距洞室不同距離時(shí)洞室圍巖位移矢量云圖Fig.1 Displacement vectors of surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

圖2 斷層破碎帶距洞室不同距離時(shí)圍巖最大位移曲線Fig.2 Maximum displacement of surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

由圖1和圖2可見(jiàn)：

(1)洞室附近無(wú)斷層破碎帶時(shí)，洞室開(kāi)挖后洞室最大位移出現(xiàn)在洞室底部，圍巖變形主要表現(xiàn)為因應(yīng)力釋放而向洞內(nèi)回彈；隨著斷層破碎帶與洞室間距逐漸減小，洞室開(kāi)挖后最大位移位置由左邊墻中部轉(zhuǎn)移至左邊墻拱肩，圍巖變形主要表現(xiàn)為斷層破碎帶與洞室之間圍巖向洞室內(nèi)滑移。

(2)隨著斷層破碎帶逐漸接近洞室，洞室開(kāi)挖后最大位移值逐漸增大。當(dāng)斷層破碎帶距離洞室12，10，8，6，4，2，1 m工況時(shí)，洞室圍巖最大位移分別約是無(wú)斷層破碎帶時(shí)的1.1，1.1，1.2，1.3，1.5，1.7，2.3倍。從位移數(shù)值變化梯度看出：當(dāng)斷層破碎帶與洞室間距≥10 m(約為1/2洞室跨度)時(shí)，圍巖位移變化趨于穩(wěn)定。

圖3 洞室圍巖位移分析中典型點(diǎn)的位置Fig.3 Position of typical points in the displacement analysis of the surrounding rock of cavern

3.2 模型斷面典型位置位移分析

洞室分4層開(kāi)挖，Ⅰ區(qū)為頂拱層，先開(kāi)挖中導(dǎo)洞(Ⅰ1區(qū))，再擴(kuò)挖(Ⅰ2區(qū))。模型中，在洞室頂部、底部和邊墻的中點(diǎn)處共設(shè)置了8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，其中關(guān)鍵點(diǎn)4—關(guān)鍵點(diǎn)6位于Ⅰ區(qū)；關(guān)鍵點(diǎn)3和關(guān)鍵點(diǎn)7位于Ⅲ區(qū)；關(guān)鍵點(diǎn)1、關(guān)鍵點(diǎn)2、關(guān)鍵點(diǎn)8位于Ⅳ區(qū)，見(jiàn)圖3。

斷層破碎帶距洞室不同距離時(shí)，洞室開(kāi)挖后關(guān)鍵點(diǎn)的位移值，見(jiàn)圖4。

圖4 斷層破碎帶與洞室不同距離時(shí)典型位置的位移Fig.4 Displacements of typical points of the surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

從圖4中可以看出：

(1)斷層破碎帶與洞室間距變化對(duì)洞室右邊墻關(guān)鍵點(diǎn)位移影響較小，對(duì)左邊墻圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移影響較大。隨著斷層破碎帶與洞室間距的減小，除洞室底部圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移有減小趨勢(shì)，其余關(guān)鍵點(diǎn)位移均增加。

(2)從關(guān)鍵點(diǎn)位移變化梯度來(lái)看，當(dāng)層間錯(cuò)動(dòng)帶距離洞室10 m(1/2洞跨)以內(nèi)時(shí)，其位置變化對(duì)近邊墻圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移影響較大，此范圍內(nèi)的斷層破碎帶不利于洞室圍巖穩(wěn)定性，對(duì)遠(yuǎn)邊墻圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移影響較??；當(dāng)層間錯(cuò)動(dòng)帶距離洞室10 m(1/2洞跨)以外時(shí)，其位置變化對(duì)近邊墻圍巖關(guān)鍵點(diǎn)位移影響較小，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響也較小，可忽略。

4 結(jié) 論

本文以湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)為工程依托，基于FLAC3D有限差分軟件，對(duì)斷層破碎帶與洞室不同間距的8種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，揭示了斷層破碎帶與洞室間的距離對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定的影響規(guī)律：

(1)斷層破碎帶位置對(duì)洞室近邊墻圍巖穩(wěn)定性影響較大，對(duì)遠(yuǎn)邊墻圍巖穩(wěn)定性影響較小。

(2)當(dāng)斷層破碎帶距離近邊墻的距離超過(guò)1/2洞室跨度時(shí)，斷層破碎帶對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性影響可忽略。

本文提出的影響規(guī)律對(duì)于類似洞庫(kù)工程選址及安全距離的選擇具有良好的指導(dǎo)作用。