王逸良 馬 寧

（91451 部隊(duì)，河北 邯鄲 056011）

由于地下洞庫(kù)具有安全性能高、損耗低等特點(diǎn)，這種儲(chǔ)油方式也被越來(lái)越多的國(guó)家采用。然而，大規(guī)模多洞室群的開(kāi)挖，也必然會(huì)引起圍巖應(yīng)力的重新分布。因此，有關(guān)多洞室儲(chǔ)油庫(kù)圍巖穩(wěn)定性研究也逐步受到了重視[1]，文獻(xiàn)[2-3]對(duì)地下水封油庫(kù)圍巖損傷及應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，得出了爆破震動(dòng)速度的安全判據(jù)；文獻(xiàn)[4]基于洞室應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律對(duì)巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)和初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了深入研究；李術(shù)才等[5]在對(duì)地下石油洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，采用離散介質(zhì)流固耦合理論，對(duì)洞室松動(dòng)范圍進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出其松動(dòng)值約為6m；陳慶懷等[6]基于大洞庫(kù)斷面穩(wěn)定性需求，應(yīng)用Q 系統(tǒng)分類(lèi)法，對(duì)洞庫(kù)巖體參數(shù)及支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了分析；江權(quán)等[7]通過(guò)迭代搜索虛擬應(yīng)力系數(shù)K，計(jì)算出多洞室結(jié)構(gòu)中的等效塑性應(yīng)力帶，并由此確定出隔墻高度的安全區(qū)間。該文以FLAC3D數(shù)值模擬軟件為基礎(chǔ)，對(duì)多洞室群圍巖損傷演化、應(yīng)力響應(yīng)特征等進(jìn)行了模擬分析。

1 多洞室群圍巖穩(wěn)定性力學(xué)分析

洞室在開(kāi)挖后由原先的三向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閮上驊?yīng)力，必然對(duì)洞室圍巖產(chǎn)生損傷，損傷程度也決定了塑性區(qū)的范圍，因此洞室圍巖塑性區(qū)的大小對(duì)其穩(wěn)定性具有決定性作用。一般對(duì)塑性的描述多采用Kastner 或修正后的Fenner 公式[8]。因此為分析洞室圍巖塑性區(qū)范圍，以摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，得出洞室圍巖塑性區(qū)范圍公式，如公式（1）所示。

式中：r，θ為塑性區(qū)范圍；a為洞室半徑；γ為圍巖容重，H為洞室埋深；λ為側(cè)壓系數(shù)；φ，C為圍巖參數(shù)；s1為第一主應(yīng)力，s3為第三主應(yīng)力。

對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響因素如下所述。

1.1 洞室斷面面積

在洞室開(kāi)挖后，圍巖受力不均衡，損傷區(qū)域擴(kuò)大，并由彈塑性狀態(tài)逐步演變?yōu)槠扑?、松散甚至離層現(xiàn)象，且往往隨著洞室面積增大，應(yīng)力不平衡程度也不斷增大，因此其塑性破壞范圍也呈逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。

1.2 洞室圍巖強(qiáng)度

洞室圍巖按照巖體強(qiáng)度可分為堅(jiān)硬、軟弱以及松散等圍巖強(qiáng)度，也即巖體的抗壓及抗拉強(qiáng)度，一般是巖體越軟弱，圍巖穩(wěn)定也越差，且軟弱圍巖一般具有流變性，在圍巖支護(hù)及洞室安全使用過(guò)程中也面臨著較大的挑戰(zhàn)。

此外，組成圍巖的單元活動(dòng)性也決定洞室圍巖穩(wěn)定性，在部分巖體中，雖然其圍巖強(qiáng)度較高，但由于存在軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖單元活性較強(qiáng)，在遇水或受擾動(dòng)后，強(qiáng)度降低，容易造成洞室開(kāi)裂甚至坍塌，影響生產(chǎn)安全。

1.3 圍巖應(yīng)力環(huán)境

圍巖應(yīng)力環(huán)境主要指初始地應(yīng)力，包括側(cè)壓系數(shù)、原巖應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造帶和沖擊地壓等；側(cè)壓系數(shù)及原巖應(yīng)力的大小對(duì)圍巖塑性區(qū)大小、形狀分布等有重要的影響；而地質(zhì)構(gòu)造帶和沖擊地壓對(duì)洞室位置的選擇、洞室支護(hù)強(qiáng)度等也起至關(guān)重要的作用。

1.4 擾動(dòng)影響

由于受到洞室群的擾動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力多次重新分布，而在應(yīng)力分布過(guò)程中，洞室圍巖塑性區(qū)也在逐步擴(kuò)大，并且洞室與洞室間的塑性區(qū)易串聯(lián)形成惡性擴(kuò)展，而當(dāng)塑性區(qū)進(jìn)入惡性擴(kuò)展階段時(shí)，圍巖不均衡受力以及非連續(xù)大變形情況也在進(jìn)一步加劇，最終對(duì)洞室群圍巖穩(wěn)定性造成較大的影響。

1.5 支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)時(shí)機(jī)

由于圍巖條件的復(fù)雜多變性，失穩(wěn)模式、失穩(wěn)機(jī)理的不可知性以及失穩(wěn)范圍的不確定性等都對(duì)圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。而合理的支護(hù)方式能夠有效地避免圍巖的持續(xù)性失穩(wěn)破壞，而洞室支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)時(shí)機(jī)本質(zhì)上是地應(yīng)力釋放與合理約束之間的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題。因此，在圍巖支護(hù)過(guò)程中應(yīng)避免一味的過(guò)度支護(hù)，只有保持支護(hù)阻力與圍巖壓力的平衡、支護(hù)強(qiáng)度與收斂量的平衡、經(jīng)濟(jì)效益與安全施工的平衡，才能較好發(fā)揮支護(hù)系統(tǒng)的最優(yōu)承載性能。

2 建立模型

該模型僅選取代表性部分，將工程巖體設(shè)置為各向同性的彈塑性體，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=100m×50m×100m，模型底部為固定邊界，上部為應(yīng)力邊界，設(shè)定洞室形狀為圓拱形洞室，模型共劃分為20000 個(gè)單元格22406 個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體如圖1 所示。結(jié)合文獻(xiàn)[3]將圍巖設(shè)定為I 級(jí)圍巖，具體見(jiàn)表1。

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算圖

表1 洞室圍巖物理力學(xué)參數(shù)

為對(duì)多洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究，結(jié)合某地質(zhì)條件，以單洞室掘進(jìn)作為參照項(xiàng)，與受擾動(dòng)情況下的洞室進(jìn)行對(duì)比分析。掘進(jìn)順序?yàn)閱味词揖蜻M(jìn)→多洞依次掘進(jìn)；掘進(jìn)方式采用分步掘進(jìn)，并向頂板實(shí)加0.01MPa 的作用力，以模擬簡(jiǎn)單支護(hù)方式。此外，當(dāng)最大不平衡力達(dá)到1.0×10-5時(shí)，將其視為應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)，并將其導(dǎo)出為塑形破壞區(qū)域圖，分布應(yīng)力云圖。同時(shí)借助tecplot 后處理軟件，在洞室頂板不同距離布置4 條觀測(cè)線(xiàn)，監(jiān)測(cè)其圍巖應(yīng)力分布特征。

3 數(shù)值模擬分析

為研究多洞室群圍巖損傷演化情況、應(yīng)力響應(yīng)特征，分別對(duì)未受擾動(dòng)和受擾動(dòng)影響下的圍巖塑性區(qū)，采用Tecplot 在洞室上部布置監(jiān)測(cè)線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 洞室開(kāi)挖損傷演化模擬

為分析洞室群開(kāi)挖損傷演化規(guī)律，以未受擾動(dòng)洞室為參照，通過(guò)FLAC3D 后處理將2 者的塑性區(qū)分布云圖進(jìn)行對(duì)比，具體如圖2 所示。

圖2 洞室圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖2 可知，圍巖破壞主要以剪切破壞為主，且多集中于底板和洞室兩側(cè)。以底板為例：當(dāng)未受到擾動(dòng)影響時(shí)，破壞區(qū)域約為60 塊，而在受到擾動(dòng)影響后，底板出現(xiàn)了較大的突變現(xiàn)象，破壞區(qū)域達(dá)到110 塊左右，增大了約83%，且洞室兩側(cè)也均有不同程度蔓延的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，由于受到應(yīng)力擾動(dòng)的影響，圍巖塑性區(qū)也有逐步向深部擴(kuò)展的趨勢(shì)。因此，對(duì)多洞室群，要及時(shí)采取適當(dāng)措施改變內(nèi)部應(yīng)力分布，避免進(jìn)一步破壞失穩(wěn)發(fā)展。

3.2 洞室圍巖應(yīng)力云圖分析

為分析未受擾動(dòng)和受多洞室擾動(dòng)的圍巖應(yīng)力場(chǎng)特征，采用Flac3D 數(shù)值模擬軟件，將其后處理為圍巖應(yīng)力云圖，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 洞室圍巖應(yīng)力云圖

由圖3 可知，在洞室開(kāi)挖后，在圍巖頂部和兩幫低角處會(huì)形成應(yīng)力卸壓區(qū)，由于未受擾動(dòng)，其圍巖應(yīng)力等值線(xiàn)大致呈對(duì)稱(chēng)分布，如圖3（a）所示。而由于受到多洞室的影響，圍巖承載能力逐漸變?nèi)?，其?yīng)力等值線(xiàn)也由對(duì)稱(chēng)分布逐步演化為非對(duì)稱(chēng)分布，并呈惡性擴(kuò)展的趨勢(shì)，且右?guī)蛻?yīng)力卸壓區(qū)明顯大于左幫。

3.3 洞室圍巖應(yīng)力演化模擬

受擾動(dòng)和未受擾動(dòng)情況下的硐室頂板應(yīng)力分布曲線(xiàn)如圖4 所示。由圖4 可知，①兩者的應(yīng)力分布曲線(xiàn)形狀大致相同，其應(yīng)力峰值均位于洞室中部左側(cè)2m 左右的位置，而應(yīng)力最小值則位于洞室中部右側(cè)3m 的位置。②在未受擾動(dòng)影響下，隨著距洞室頂部距離增大，其應(yīng)力峰值逐步降低，應(yīng)力分布曲線(xiàn)也逐步平緩。③而對(duì)受多洞室擾動(dòng)而言，頂部應(yīng)力分布曲線(xiàn)變化較小，應(yīng)力峰值變化也相對(duì)較小。

圖4 洞室圍巖應(yīng)力分布圖

3.4 洞室圍巖變形對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)2 種情況下的頂板、底板、左幫和右?guī)蛧鷰r變形量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 圍巖變形量對(duì)比柱狀圖

由圖5 可知，①相比未受擾動(dòng)情況而言，由于受到多洞室采動(dòng)影響，應(yīng)力得到充分釋放，圍巖變形量有明顯增加趨勢(shì)，以洞室右?guī)蜑槔?，在未受擾動(dòng)時(shí)圍巖變形量為120mm，而受多洞室擾動(dòng)后，變形量增加至260mm，增長(zhǎng)量達(dá)140mm，增幅達(dá)116%。②由于受到多洞室擾動(dòng)影響，圍巖非對(duì)稱(chēng)變形也逐漸呈擴(kuò)大趨勢(shì)，兩幫收斂量由原先的245mm 增大為460mm，非對(duì)稱(chēng)變形值也有原先的5mm 增加為60mm。

4 結(jié)語(yǔ)

石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備無(wú)論在經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域還是政治領(lǐng)域都扮演著重要的角色，大型地下多洞室油庫(kù)也逐步成為主流的儲(chǔ)油方式，該文基于FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，針對(duì)多洞室群圍巖塑性區(qū)分布特征、最大不平衡力演化規(guī)律和應(yīng)力分布曲線(xiàn)等進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：由于受到多洞室群開(kāi)挖的影響，圍巖損傷程度也有不同程度的增大。因此，要及時(shí)采取適當(dāng)措施改變內(nèi)部應(yīng)力分布，避免破壞失穩(wěn)進(jìn)一步變化。