多洞室群圍巖穩定性數值模擬研究

王逸良 馬 寧

（91451 部隊，河北 邯鄲 056011）

由于地下洞庫具有安全性能高、損耗低等特點，這種儲油方式也被越來越多的國家采用。然而，大規模多洞室群的開挖，也必然會引起圍巖應力的重新分布。因此，有關多洞室儲油庫圍巖穩定性研究也逐步受到了重視[1]，文獻[2-3]對地下水封油庫圍巖損傷及應力響應規律進行了研究，得出了爆破震動速度的安全判據；文獻[4]基于洞室應力應變規律對巖體結構力學和初始應力場進行了深入研究；李術才等[5]在對地下石油洞庫圍巖穩定性分析的基礎上，采用離散介質流固耦合理論，對洞室松動范圍進行了系統的研究，得出其松動值約為6m；陳慶懷等[6]基于大洞庫斷面穩定性需求，應用Q 系統分類法，對洞庫巖體參數及支護技術進行了分析；江權等[7]通過迭代搜索虛擬應力系數K，計算出多洞室結構中的等效塑性應力帶，并由此確定出隔墻高度的安全區間。該文以FLAC3D數值模擬軟件為基礎，對多洞室群圍巖損傷演化、應力響應特征等進行了模擬分析。

1 多洞室群圍巖穩定性力學分析

洞室在開挖后由原先的三向應力轉變為兩向應力，必然對洞室圍巖產生損傷，損傷程度也決定了塑性區的范圍，因此洞室圍巖塑性區的大小對其穩定性具有決定性作用。一般對塑性的描述多采用Kastner 或修正后的Fenner 公式[8]。因此為分析洞室圍巖塑性區范圍，以摩爾-庫倫強度準則為基礎，得出洞室圍巖塑性區范圍公式，如公式（1）所示。

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

對洞室圍巖穩定性的影響因素如下所述。

1.1 洞室斷面面積

在洞室開挖后，圍巖受力不均衡，損傷區域擴大，并由彈塑性狀態逐步演變為破碎、松散甚至離層現象，且往往隨著洞室面積增大，應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大的趨勢。

1.2 洞室圍巖強度

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

此外，組成圍巖的單元活動性也決定洞室圍巖穩定性，在部分巖體中，雖然其圍巖強度較高，但由于存在軟弱結構面，圍巖單元活性較強，在遇水或受擾動后，強度降低，容易造成洞室開裂甚至坍塌，影響生產安全。

1.3 圍巖應力環境

圍巖應力環境主要指初始地應力，包括側壓系數、原巖應力、地質構造帶和沖擊地壓等；側壓系數及原巖應力的大小對圍巖塑性區大小、形狀分布等有重要的影響；而地質構造帶和沖擊地壓對洞室位置的選擇、洞室支護強度等也起至關重要的作用。

1.4 擾動影響

由于受到洞室群的擾動影響，圍巖應力多次重新分布，而在應力分布過程中，洞室圍巖塑性區也在逐步擴大，并且洞室與洞室間的塑性區易串聯形成惡性擴展，而當塑性區進入惡性擴展階段時，圍巖不均衡受力以及非連續大變形情況也在進一步加劇，最終對洞室群圍巖穩定性造成較大的影響。

1.5 支護強度及支護時機

由于圍巖條件的復雜多變性，失穩模式、失穩機理的不可知性以及失穩范圍的不確定性等都對圍巖穩定性產生重要的影響。而合理的支護方式能夠有效地避免圍巖的持續性失穩破壞，而洞室支護強度和支護時機本質上是地應力釋放與合理約束之間的動態平衡問題。因此，在圍巖支護過程中應避免一味的過度支護，只有保持支護阻力與圍巖壓力的平衡、支護強度與收斂量的平衡、經濟效益與安全施工的平衡，才能較好發揮支護系統的最優承載性能。

2 建立模型

該模型僅選取代表性部分，將工程巖體設置為各向同性的彈塑性體，模型尺寸為長×寬×高=100m×50m×100m，模型底部為固定邊界，上部為應力邊界，設定洞室形狀為圓拱形洞室，模型共劃分為20000 個單元格22406 個節點，具體如圖1 所示。結合文獻[3]將圍巖設定為I 級圍巖，具體見表1。

圖1 數值模擬計算圖

表1 洞室圍巖物理力學參數

為對多洞室圍巖穩定性進行研究，結合某地質條件，以單洞室掘進作為參照項，與受擾動情況下的洞室進行對比分析。掘進順序為單洞室掘進→多洞依次掘進；掘進方式采用分步掘進，并向頂板實加0.01MPa 的作用力，以模擬簡單支護方式。此外，當最大不平衡力達到1.0×10-5時，將其視為應力達到平衡狀態，并將其導出為塑形破壞區域圖，分布應力云圖。同時借助tecplot 后處理軟件，在洞室頂板不同距離布置4 條觀測線，監測其圍巖應力分布特征。

3 數值模擬分析

為研究多洞室群圍巖損傷演化情況、應力響應特征，分別對未受擾動和受擾動影響下的圍巖塑性區，采用Tecplot 在洞室上部布置監測線進行對比。

3.1 洞室開挖損傷演化模擬

為分析洞室群開挖損傷演化規律，以未受擾動洞室為參照，通過FLAC3D 后處理將2 者的塑性區分布云圖進行對比，具體如圖2 所示。

圖2 洞室圍巖塑性區分布圖

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。以底板為例：當未受到擾動影響時，破壞區域約為60 塊，而在受到擾動影響后，底板出現了較大的突變現象，破壞區域達到110 塊左右，增大了約83%，且洞室兩側也均有不同程度蔓延的趨勢。可見，由于受到應力擾動的影響，圍巖塑性區也有逐步向深部擴展的趨勢。因此，對多洞室群，要及時采取適當措施改變內部應力分布，避免進一步破壞失穩發展。

3.2 洞室圍巖應力云圖分析

為分析未受擾動和受多洞室擾動的圍巖應力場特征，采用Flac3D 數值模擬軟件，將其后處理為圍巖應力云圖，結果如圖3 所示。

圖3 洞室圍巖應力云圖

由圖3 可知，在洞室開挖后，在圍巖頂部和兩幫低角處會形成應力卸壓區，由于未受擾動，其圍巖應力等值線大致呈對稱分布，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弱，其應力等值線也由對稱分布逐步演化為非對稱分布，并呈惡性擴展的趨勢，且右幫應力卸壓區明顯大于左幫。

3.3 洞室圍巖應力演化模擬

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

圖4 洞室圍巖應力分布圖

3.4 洞室圍巖變形對比分析

通過對2 種情況下的頂板、底板、左幫和右幫圍巖變形量進行對比分析，結果如圖5 所示。

圖5 圍巖變形量對比柱狀圖

由圖5 可知，①相比未受擾動情況而言，由于受到多洞室采動影響，應力得到充分釋放，圍巖變形量有明顯增加趨勢，以洞室右幫為例，在未受擾動時圍巖變形量為120mm，而受多洞室擾動后，變形量增加至260mm，增長量達140mm，增幅達116%。②由于受到多洞室擾動影響，圍巖非對稱變形也逐漸呈擴大趨勢，兩幫收斂量由原先的245mm 增大為460mm，非對稱變形值也有原先的5mm 增加為60mm。

4 結語

石油戰略儲備無論在經濟領域還是政治領域都扮演著重要的角色，大型地下多洞室油庫也逐步成為主流的儲油方式，該文基于FLAC3D 數值模擬軟件，針對多洞室群圍巖塑性區分布特征、最大不平衡力演化規律和應力分布曲線等進行了分析，得出以下結論：由于受到多洞室群開挖的影響，圍巖損傷程度也有不同程度的增大。因此，要及時采取適當措施改變內部應力分布，避免破壞失穩進一步變化。