基于攝影測量技術的地下儲油洞庫巖體穩定性分級及力學參數確定

溫新亮　黃學軍　楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司)

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基于攝影測量技術的地下儲油洞庫巖體穩定性分級及力學參數確定

溫新亮黃學軍楊艷玲

(中鐵隧道集團二處有限公司)

摘要巖體分級是評價地下工程巖體穩定性及確定巖體力學參數的基礎。以遼寧某地下水封石油洞庫為工程背景，借助三維數字攝影測量系統對洞庫4北5個測點進行現場原位節理掃描，獲取節理幾何參數。采用RMR及GSI分類方法對各測點進行穩定性分級，得出洞庫巖體等級為Ⅰ～Ⅲ級，總體穩定性較好。最后，根據分級結果，采用Hoek-Brown準則計算得到了不同測點處的巖體力學參數，為工程數值模擬計算提供了基礎數據。

關鍵詞地下儲油洞庫攝影測量巖體分級巖體參數

地下水封洞庫主要通過水封技術，利用油的密度小于水的密度原理，通過在洞庫周圍布設水封孔，注一定的高壓水，形成水組成的密閉空間進行石油儲藏[1]。通常地下水封儲油洞庫布設在工程地質條件較好的花崗巖中，并且洞庫具有軸向長、洞跨大及成組布設的特點。在洞庫施工過程中，有效地對洞庫圍巖穩定性進行分級，對后期洞庫施工建設及其安全運營至關重要。但由于洞庫具有軸向長、斷面尺寸大的特點，僅僅依靠傳統的精線法、測網法、鉆孔定向取芯技術及孔內照相技術等，存在技術含量低、工作量大及難以滿足現代快速施工的缺點。量測巖體結構面，并進行巖體穩定性分級，是評價圍巖穩定性及確定巖體力學參數的基礎。本文以遼寧某地下水封儲油洞庫群為工程背景，利用巖體攝影測量系統(ShapeMetriX3D)對洞庫圍巖體進行了結構面數字識別[2-3]，在此基礎上采用不同圍巖分級方法對洞庫圍巖進行了穩定性分級，并確定巖體力學參數。

1洞庫巖體結構面數字識別

庫區地層主要為中粗粒花崗巖，巖性較為單一。場區地殼穩定，無區域斷裂，但局部發育有小斷層。該儲油庫設計庫容為300萬m3，設有2條施工巷道，建造4組儲油洞罐，每組洞罐由2條斷面和長度相同的儲油洞庫通過巷道相連而構成，斷面跨度和高度分別為19，24 m，相鄰洞庫間距為38 m，采用三心拱直墻型，設有4條進油豎井和4條出油豎井，在洞庫群上方設置水幕系統。

根據巖土工程勘探報告可知，庫區最大水平主應力方向為NEE(N71.7°E～N78.5°E)。洞庫深度范圍內最大水平主應力為6.19～11.50 MPa，優勢方向平均為NE74.3°，最小水平主應力為3.63～9.02 MPa，垂直主應力為1.81～3.61 MPa。

以儲油洞庫4北洞室中層為研究對象，選取5個測點，采用三維攝影測量系統(ShapeMetriX 3D)進行巖體結構面數字識別。以1#測點為例，節理識別效果見圖1。

圖1　節理效果識別

2洞庫巖體穩定性分級

RMR分類系統[4]是Bieniawski于1973年提出的確定巖體質量等級的方法。歷經多次修正，目前廣泛采用1989年標準[5]。該方法考慮了6個主要的因素，即巖塊單軸抗壓強度、巖石質量指標(RQD)、結構面間距、結構面條件、地下水條件和結構面產狀與工程走向的關系，并以其總和值作為巖體的RMR值。采用RMR分類系統所得到的巖體分級結果見表1。

表1　RMR分類結果

地質強度指標(GSI)分類體系由Hoek等人[6-9]提出，目的在于修正Hoek-Brown巖體破壞準則，估算不同地質條件下的巖體強度。GSI細致描述巖體特性，變化范圍從0～100。GSI系統的產生與發展伴隨著Hoek-Brown準則的發展。GSI使得不同版本的Hoek-Brown準則統一為廣義的準則。

Hoek和Brown給出了RMR、Q與GSI之間的關系[10]：

(1)

采用RMR與GSI分類方法所確定的不同測點處巖體質量分值見表2。洞庫巖體質量為Ⅰ～Ⅲ級，穩定性較好。另外，巖土工程勘探報告中，通過對勘探鉆孔的計算統計得出在擬建水幕和儲油洞室位置(標高-20～-80 m)巖體Q值一般大于10，巖體質量為好～很好，各級巖體所占的比例見表3，可知，洞庫巖體多為Ⅰ～Ⅱ級，整體穩定性較好，適合建造地下水封儲油洞庫。

表2　不同巖體穩定性分級分值對比

表3　洞庫巖體各級圍巖所占比例

3巖體力學參數確定

3.1巖石力學參數

庫區巖體主要為中粗粒花崗巖，因此，從洞庫不同地點選取中粗粒花崗巖巖樣進行力學實驗，并結合巖土工程勘探地質報告所確定的力學參數(表4)。

表4　巖石物理及力學參數

3.2Hoek-Brown參數

Hoek-Brown強度準則可反映巖石破環時極限主應力之間的非線性經驗關系[10]，其表達式為

(2)

式中，σ1,σ3分別為巖體破壞時的最大和最小主應力(壓應力為正),kN；σci為巖塊單軸抗壓強度，可由室內試驗確定,MPa；m,s為材料常數，m反映巖石的軟硬程度，取值范圍為3～44，完整巖體取44，嚴重擾動巖體取3,s反映巖體的破碎程度，完整巖體取1，破碎巖體取0。

初始的Hoek-Brown準則又稱狹義的Hoek-Brown準則，是針對硬巖提出并不斷應用于工程實踐中。而研究表明，當該準則應用于質量較差的巖體時，會過高估計巖體的抗拉強度。因此，該準則被不斷修正。其中，1992年修改的版本被稱為廣義的Hoek-Brown巖體強度準則[9]，其表達式為

(3)

式中，mb,a為反映巖體特征的經驗參數值，其中mb類似于m，a為反映不同巖體的經驗參數;其他參數意義同前。

廣義Hoek-Brown準則適用范圍更廣，包含了(α=0.5)狹義的Hoek-Brown準則，可用于破碎巖體，特別是在低應力條件下。目前，該強度準則已成為國際巖石力學學會(ISRM)建議方法之一。

Hoek等基于廣義Hoek-Brown準則和GSI并引入了考慮爆破損傷與應力釋放的擾動參數D的基礎上提出了巖體參數mb、s和a取值方法[6-7]：

(4)

(5)

(6)

式中，mi為完整巖塊的Hoek-Brown常數，區域巖體為中粗粒花崗巖，取32；D為擾動系數，0～1，要求盡量減少爆破對地下水封儲油洞庫圍巖的擾動，取0。

基于以上討論，計算獲得的Hoek-Brown參數見表5。

表5　Hoek-Brown參數

3.3力學參數計算

巖體單軸抗壓強度：

(7)

計算得到各測點的巖體單軸抗壓強度分別為4.590，7.392，11.722，17.426和34.135 MPa。

巖體單軸抗拉強度：

(8)

計算得到各測點的巖體單軸抗拉強度分別為0.048，0.088，0.162，0.274和0.677 MPa。

當巖塊單軸抗壓強度小于100 MPa時，巖體彈性模量：

(9)

當巖塊單軸抗壓強度小于100MPa時，巖體彈性模量：

(10)

利用式(11)計算得到各測點的巖體彈性模量分別為8.69，14.59，22.5，30.00和40.10 GPa。

3.4等效Mohr-Coulomb強度參數

目前，大多數巖土工程軟件都采用Mohr-Coulomb破壞準則。為了擴大Hoek-Brown準則的使用范圍，Hoek提出了采用Hoek-Brown參數計算巖體等效黏聚力c和內摩擦角φ的方法[10],而且大多數研究者認為黏聚力和內摩擦角具有更明確的物理意義。

由Mohr-Coulomb準則可知：

(11)

采用式(12)計算得到一系列最小主應力σ3與最大主應力σ1的數值，然后通過線性擬合所得到巖體遵循Hoek-Brown準則的直線方程，即

(12)

由式(12)和式(13)對比可得

(13)

(14)

Hoek等同時指出利用此方法估算的c、φ值對最小主應力的選擇范圍比較敏感，當0<σ3<0.25σci，2個準則吻合度較高。5個測點處巖體強度擬合曲線見圖2，計算得到的等效Mohr-Coulomb強度參數見表6。

圖2　不同測點巖體強度擬合曲線

測點c/MPa?/(°)1#7.938.22#8.740.63#9.643.04#10.545.05#12.548.6

4結論

(1)利用攝影測量技術對庫區4北5個測點進行了現場原位節理掃描，獲取了節理空間分布特征，比傳統測量方法更智能、精確。

(2)根據巖體節理結構特征，結合地應力和礦巖力學性質，利用RMR和GSI分類方法對各測點巖體進行了穩定性分級，得出圍巖級別為Ⅰ～Ⅲ級。

(3)根據Hoek-Brown準則詳細論述了巖體力學參數的求解方法并計算出結果，為巖體力學數值模擬提供了基礎數據。

參考文獻

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[3]趙興東，劉杰，張洪訓，等.基于攝影測量的巖體結構面數字識別及采場穩定性分級[J].采礦與安全工程學報，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.

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[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]朱合華,張琦,章連洋.Hoek-Brown強度準則研究進展與應用綜述[J].巖石力學與工程學報,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)

溫新亮(1975—)，男，高級工程師，065201 河北省三河市燕郊。