地下水封储油洞库合理间距数值模拟研究

杨艳玲　温新亮　黄学军

(中铁隧道集团二处有限公司)



地下水封储油洞库合理间距数值模拟研究

杨艳玲温新亮黄学军

(中铁隧道集团二处有限公司)

摘要地下水封洞库间距的合理选择是确保地下洞库稳定性及水封效果的关键因素。以辽宁某地下水封储油洞库为工程背景，采用经验方法确定了4种洞库间距方案，并应用FLAC3D数值模拟软件对不同方案进行了施工开挖模拟，通过对各个方案所引起的洞库围岩位移场及塑性区分布规律进行对比分析，比选出了在相同施工方式下的较优洞库间距,约为2倍的洞跨，主洞库与施工巷道之间的净距为20 m。分析方法可为类似地下水封储油洞库间距确定提供依据。

关键词洞库间距FLAC3D稳定性

地下水封储油洞库具有占地少、安全性高、投资省、建设速度快及运营成本低等优点,已经逐步成为各个国家进行石油战略储备的一种重要方式[1]。目前，洞库的库址选择主要考虑其交通运输方便、所处区域的围岩完整性好、节理构造不甚发育并且所选区域处于低地应力水平、不受自然灾害影响。近年来，我国规划、设计及建造许多地下储油洞库，单条地下储油洞库长轴长、断面尺寸大，结构尺寸远超出普通地铁、隧道等地下建筑工程，尤其是对于大断面结构尺寸的地下水封储油洞库而言，其合理间距的选择一直是制约洞库长期稳定的关键因素。洞库间距尺寸过小，易导致洞室围岩失稳，并造成洞库水封失效，洞库间距过大，不能满足水封要求，同时占地范围加大，势必影响地下水封洞库施工运营成本。

为科学有效地确定地下水封洞库的合理间距，国内外许多学者从岩体力学以及围岩稳定性角度出发，展开大量的科学研究工作，并取得了一定的进展，诸如王者超等运用弹塑性理论研究了花岗岩地层洞库围岩的完整性以及变形和稳定性[2]；王芝银等利用FLAC3D软件比选出洞库群较优的开挖施工顺序,并进行了施工过程与黏弹性稳定性分析模拟，还运用正交试验的方法进行了各洞库的开挖施工顺序及洞库间距的优化设计[3-4]；段亚刚采用ANSYS软件优选出了洞库不同断面形状的合理间距，但采用的计算模型为假设的理论模型[5]；杨峰以惠州地下储油库为工程背景，采用FLAC3D软件比选出了洞库间的合理间距，所选取研究对象为一组洞罐[6]；胡谋鹏等采用有限元方法分析了不同间距洞库开挖后的围岩应力分布，以此验证各种洞库间距确定依据的合理性[7]。从以上研究可以看出，地下储油洞库稳定性分析多采用数值模拟手段，这是由于地下储油洞库的建设在我国刚刚起步，很难采用工程类比法进行相关分析与设计。

为此，本文以某地下储油洞库为工程背景，采用FLAC3D数值模拟软件分析不同洞库间距围岩呈现出的应变及破坏特征，以位移及塑性区为判别标准，优选出洞库群的合理间距。

1洞库间距方案设置

由中国石油天然气集团制定的《地下水封石油洞库设计规范》规定[8]：相邻洞室净间距宜为洞室宽度的1～2倍。该规定与水利水电及隧道工程规定一致。但实际设计工程中，以该规范为指导，还应结合国外经验及数值分析手段做深入具体的研究。表1为国内外洞库间距的设计情况，可知，洞库净间距一般大于洞跨的1.5倍，为了安全起见，选择2倍的洞跨净间距较多，对于围岩质量较差的情况，甚至大于2倍洞跨。

Tezuka和Seoka以日本地下水封洞库为工程案例[9]，洞库间距计算采用如下经验公式[6]：

(1)

式中，D为相邻洞库内边墙之间的距离,m；B1,B2分别为各洞库的跨度,m；H1,H2分别为各洞库的高度,m；R1,R2分别为各洞库松动圈厚度,m。

该储油洞库工程区岩体主要为中粗粒花岗岩,设计库容为300万m3，建造4组储油洞罐，每组洞罐由2条断面和长度相同的洞库构成，储油洞库采用直墙三心拱型，断面尺寸为19 m×24 m，长度均为934 m；设有4座φ3 m进油竖井，4座φ6 m出油竖井；在洞库上方设有水幕系统；设有2条施工巷道。洞室群三维模型见图1。

表1　国内外部分地下水封储库间距设计

本文主要选取3北3南、4南4北洞罐及施工巷道为研究对象，地下水封储油洞库横断面几何模型见图2。主洞库与施工巷道断面尺寸分别为24 m×19 m(高×宽)和8 m×8 m(高×宽)，采用工程类比法确定爆破松动圈范围，其主洞库及施工巷道的松动圈范围分别为2.5和1 m。采用经验式(1)计算得到D1为26.5 m，D2为18.25 m，以此作为参考值，设置4组洞库间距方案，见表2。

图1　某地下水封储油洞室群三维模型

图2　洞库几何位置示意

方案D1/mD2/m11715227203372043725

2数值模型建立

为有效分析开挖过程对地下储油洞库间距尺寸的影响，以图2所设计的洞库间距为研究对象，根据4种不同洞库间距设计方案建立4组数值计算模型，采用平面应变，数值计算模型在洞库轴线方向长度取3 m，并设计其采用全断面一次开挖完成。数值模型的力学边界条件为底部边界约束竖向位移，上部边界为自由边界，左右两端边界为水平位移约束。计算过程考虑区域构造应力的影响。由岩土工程勘探报告可知，洞库深度范围内的最大水平主应力为6.19～11.50 MPa，优势方向平均为NE74.3°，最小水平主应力3.63～9.02 MPa，垂直主应力为岩土自重应力。

另外，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各级岩体所占的比例(表3)。可知，地下水封洞库围岩体Q值等级多为Ⅰ～Ⅲ级。为确保分析结果的可靠性，取洞库围岩等级为Ⅲ级，其岩体破坏的本构方程采用莫尔-库仑弹塑性分析，围岩体的物理力学参数为岩体密度2 650 kg/m3，弹性模量9 GPa，泊松比0.27，内摩擦角45°，抗拉强度1.5 MPa，黏聚力1.8 MPa。

表3　洞库岩体各级围岩所占比例

为了合理判别施工开挖顺序对洞库设计间距的影响，从保证洞库群围岩长期稳定和经济合理性出发，以洞库围岩变形量和塑性作为判别指标。洞库围岩位移监测点如图2中圆点所示，首先开挖施工巷道，然后4南、3南，最后4北、3北洞室。

3数值模拟分析

3.1开挖过程洞库围岩位移分布特征

4个方案水平位移、垂直位移分布见图3、图4。

图3　开挖完成后水平位移分布(单位：mm)

图4　开挖完成后垂直位移分布(单位：mm)

由图3可知，洞库外边墙位移较大，内边墙位移较小，且4南与3北水平位移明显大于中间2个洞库，这是由于洞库开挖致使围岩应力释放，从而产生位移，且最外围洞库起到应力阻隔的作用；4个方案的水平最大位移值为5～18 mm，均出现3北外边墙中部，最小值为1～5 mm，出现在中间2个洞库右侧边墙底角位置；方案3和方案4的水平最大位移值最小，而其余2个方案水平最大位移值随着洞库间距的增加而减小，说明洞库间距大于等于2倍洞跨后，围岩应力释放效应对围岩变形的影响逐渐失效。

由图4可知，洞库群开挖完成后垂直位移值都较小，4个方案的最大垂直位移值为2～8 mm，且随着主洞库间距的增大逐渐减小。各方案最大垂直位移值均出现在4北与3南底板中心位置；各洞边墙垂直位移值较小，为0.5～2 mm。随着洞库间距的不断增大，洞顶沉降及底板鼓起位移不断减小。

为了更好地研究洞库间距对开挖完成后的洞库围岩变形的影响，在计算过程中对洞库围岩关键点不同方向的位移进行监测，见图5、图6。

图5　洞库边墙监测点水平位移对比

图6　洞库顶底板监测点垂直位移对比

由图5和图6可以看出，方案3较方案2更好地控制了水平位移变化，尤其是4南、3北的外边墙位移控制体现得最为明显；方案3较方案2垂直位移变化不大，总体来说方案3是较好的选择。方案3与方案1相比，不论是在边帮的位移控制，还是在顶底板的位移控制，都大大优于方案1；而方案3相对于方案4在边帮和顶底板的位移控制上基本一致，但由于洞库与施工巷道之间的距离直接决定连接巷道的长度，从而决定了施工的成本和工期，从经济以及时间成本上考虑，方案3为较优选择。

由以上分析可知，按方案1和方案2布置时，对洞库的内侧边墙水平位移能起到较好的控制作用，但对顶底板和外侧边墙围岩的变形值相对于其余2个方案明显偏高。方案3与方案4之间位移值相差不大，洞室与施工巷道间距由20 m增加到25 m时，无论是顶底板关键点还是边墙的位移值无明显的变化。考虑到2个方案之间位移的减小幅度为0.6%～11.30%，采用方案3的洞库间距布置方案对于洞库群围岩的稳定性和工程建设的经济性都是较为合理的。

3.2洞库围岩塑性区分布特征

图7表示各方案开挖完成后塑性区分布。可以看出，随着洞库间距的增大，4个主洞库周围岩石塑性区范围逐渐减少；4南、3北外侧边墙塑性区范围明显小于内侧边墙，4北、3南两侧边墙塑性区分布基本一致；主洞库拱顶区域均存在塑性区，但4个方案塑性区分布范围差别很大，主洞库边墙与底板应力较为集中。此外，4个方案中，施工巷道周边围岩塑性区在主洞库开挖完成后呈扩大的趋势，方案1与方案2中塑性区几乎扩展到与主洞库边墙围岩相连通，但当巷道间距与主洞库间距达到20 m及以上时，塑性区扩大的趋势明显减弱。通过对比可知，方案1和方案2塑性区分布范围较大，且巷道周边的塑性区与主洞库塑性区有连通的可能，不利于工程的安全。方案3与方案4之间的差别极小，可见主洞库间距达到37 m，巷道与主洞库间距达到20 m之后，增加洞库间距，对塑性区分布的改善已不明显，综合考虑采用方案3较为经济可行，亦能满足洞库长期安全的需要。

图7　开挖完成后洞库围岩塑性区分布

4结论

针对某地下水封储油洞库，采用经验法确定洞库间距，对不同洞库间距进行数值模拟分析，并判定地下水封储油洞库的长期稳定性。结果表明：在相同的开挖顺序下，不同的洞库间距设置对洞库围岩的位移以及塑性区分布有明显的影响，并且存在一定的规律，即随着洞库间距增加，洞库拱顶沉降，底板隆起，边墙向内侧的位移、塑性区的分布范围均有不同程度的减小，洞库边墙中部位置位移值较大，可以作为洞库围岩稳定性评价的关键点；但当主洞库间距达到37 m，约为洞库跨度的2倍，施工巷道与主洞库间距达到20 m之后，围岩变形量及塑性区均较小，继续增加洞库的间距对围岩受力和变形的改善效应已不明显，因此，洞库间距为洞库跨度的2倍，即为洞库群合理间距。

参考文献

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(收稿日期2016-01-22)

杨艳玲(1974—)，男，高级工程师，065201 河北省三河市燕郊。