断层破碎带与洞室间距对地下水封洞库洞室稳定性的影响研究

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(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司,长沙 410014； 2.长江科学院 武汉长江科创科技发展有限公司,武汉 430010； 3.四川中良建筑工程有限公司,成都 610094)

1 研究背景

地下水封洞库是油气资源储备的重要方式之一，被称为“具有高度战略安全的储备库”。相比地上储库具有安全性高、储备量大、占地少、投资省及环境友好等诸多优点[1-3]。目前我国地下水封洞库的建设方兴未艾，国家已实施石油战略储备规划，预计未来还将建设更多的地下水封洞库。

地下水封储油洞库大多以规模大型或超大型地下洞室群作为主要的封存构筑物，埋深在90 m左右，具有洞轴长、洞跨大、高边墙等特点。因此，洞库围岩的稳定性是影响洞库建造和储存油气的重要因素[4-6]。水封地下洞库是往往在花岗岩体中开挖而成，库区地质构造一般较为复杂，多发育有断裂构造、节理裂隙等不利地质结构。如此大规模的地下洞室群不可避免要与复杂的不利地质结构切割。因此，开展不利地质结构对地下水封洞库洞室稳定性影响分析，对地下水封洞库选址及建设等具有重要的现实意义。

本文基于FLAC3D[7]有限差分软件，依托湛江地下水封洞库地下洞室工程，根据其地质条件及地应力场，从断层破碎带距洞室不同距离来分析其对洞室开挖过程中围岩稳定性的影响。

2 工程概况及岩体洞室计算模型

2.1 工程概况

湛江国家石油储备地下水封洞库位于广东省廉江市良垌镇西南8 km处。库址区所在区域位于粤桂隆起与桂湘赣褶皱带的交界处南端。洞库区岩脉较为发育，以晚期的石英脉、微晶岩脉及煌斑岩脉为主，构造以脆性破裂为主，主要发育有断裂构造、节理裂隙密集带及区域性优势节理。该石油洞库主要包括3条施工巷道、10个主洞室、10个竖井及8条水幕巷道。其中，储油洞室长度均为923 m，断面跨度和高度分别为20 m和30 m，洞型为直墙圆拱形。

2.2 岩体洞室计算模型

2.2.1 岩体洞室计算的几何模型

以单一洞室为例，考虑断层破碎带与洞室距离对岩体洞室围岩稳定性的影响。洞室为直墙拱形，洞室尺寸为20 m×30 m(宽×高)。模型范围：洞室底部岩体向下延伸150 m，两侧向外延伸200 m；洞室顶部直至地表，覆岩厚度为100 m。断层破碎带厚度为4 m，位于洞室右上方，与洞室轴线夹角为45°。模型单元在围岩3倍洞径外最大网格尺寸为10 m；3倍洞径影响范围内，最大网格尺寸为6 m；断层破碎带处最大网格尺寸为2 m。模型分为岩体中无断层破碎带，断层破碎带与洞室间距为1,2,4,6,8,10,12 m这8种工况来分析断层破碎带位置对地下洞室围岩稳定性的影响规律。

计算边界条件：底部x,y,z三向约束,地表为自由边界，其余为法向约束。

2.2.2 地应力与岩体计算参数

岩体及断层破碎带的物理力学参数参考《湛江国家石油储备地下水封洞库工程岩土工程勘察报告》[8]，仅考虑单一岩体，其基本质量等级取Ⅱ级，断层破碎带基本质量等级取Ⅴ级。初始地应力考虑自重应力和构造应力。岩体及断层破碎带的物理力学参数见表1。

表1 岩体及断层破碎带的物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of the studied rockmass and fault fracture zone

2.2.3 力学模型

深埋的地下岩体，在洞室开挖过程中，常表现出应变软化现象[9-10]。所以，洞室围岩及断层破碎带均采用应变软化摩尔-库伦本构模型才更符合实际情况。应变软化本构模型屈服函数为：

(1)

ft=σ3-σt;

(2)

(3)

式中：fs为剪切屈服函数；ft为拉伸屈服函数；σ1为第一主应力；σ3为第三主应力；c为黏聚力；φ为内摩擦角；Nφ为内摩擦角φ的函数；σt为抗拉强度。

初始地应力参照王章琼等[11]对我国大陆地下水封洞库库址区应力场的反演公式,即

(4)

式中：σv为垂直主应力；σH为最大水平主应力；σh为最小水平主应力；R2为决定系数;H为埋深。

3 断层破碎带与洞室间距对地下洞室开挖稳定性的影响

3.1 变形分析

断层破碎带距洞室不同距离时洞室开挖后的洞室围岩的位移矢量云图如图1所示，断层破碎带距洞室不同距离时围岩最大位移曲线如图2所示。

图1 断层破碎带距洞室不同距离时洞室围岩位移矢量云图Fig.1 Displacement vectors of surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

图2 断层破碎带距洞室不同距离时围岩最大位移曲线Fig.2 Maximum displacement of surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

由图1和图2可见：

(1)洞室附近无断层破碎带时，洞室开挖后洞室最大位移出现在洞室底部，围岩变形主要表现为因应力释放而向洞内回弹；随着断层破碎带与洞室间距逐渐减小，洞室开挖后最大位移位置由左边墙中部转移至左边墙拱肩，围岩变形主要表现为断层破碎带与洞室之间围岩向洞室内滑移。

(2)随着断层破碎带逐渐接近洞室，洞室开挖后最大位移值逐渐增大。当断层破碎带距离洞室12，10，8，6，4，2，1 m工况时，洞室围岩最大位移分别约是无断层破碎带时的1.1，1.1，1.2，1.3，1.5，1.7，2.3倍。从位移数值变化梯度看出：当断层破碎带与洞室间距≥10 m(约为1/2洞室跨度)时，围岩位移变化趋于稳定。

图3 洞室围岩位移分析中典型点的位置Fig.3 Position of typical points in the displacement analysis of the surrounding rock of cavern

3.2 模型断面典型位置位移分析

洞室分4层开挖，Ⅰ区为顶拱层，先开挖中导洞(Ⅰ1区)，再扩挖(Ⅰ2区)。模型中，在洞室顶部、底部和边墙的中点处共设置了8个关键点，其中关键点4—关键点6位于Ⅰ区；关键点3和关键点7位于Ⅲ区；关键点1、关键点2、关键点8位于Ⅳ区，见图3。

断层破碎带距洞室不同距离时，洞室开挖后关键点的位移值，见图4。

图4 断层破碎带与洞室不同距离时典型位置的位移Fig.4 Displacements of typical points of the surrounding rock of cavern at different distances to fault fracture zone

从图4中可以看出：

(1)断层破碎带与洞室间距变化对洞室右边墙关键点位移影响较小，对左边墙围岩关键点位移影响较大。随着断层破碎带与洞室间距的减小，除洞室底部围岩监测点位移有减小趋势，其余关键点位移均增加。

(2)从关键点位移变化梯度来看，当层间错动带距离洞室10 m(1/2洞跨)以内时，其位置变化对近边墙围岩关键点位移影响较大，此范围内的断层破碎带不利于洞室围岩稳定性，对远边墙围岩关键点位移影响较小；当层间错动带距离洞室10 m(1/2洞跨)以外时，其位置变化对近边墙围岩关键点位移影响较小，对围岩稳定性影响也较小，可忽略。

4 结 论

本文以湛江国家石油储备地下水封洞库为工程依托，基于FLAC3D有限差分软件，对断层破碎带与洞室不同间距的8种工况进行了数值模拟分析，揭示了断层破碎带与洞室间的距离对洞室围岩稳定的影响规律：

(1)断层破碎带位置对洞室近边墙围岩稳定性影响较大，对远边墙围岩稳定性影响较小。

(2)当断层破碎带距离近边墙的距离超过1/2洞室跨度时，断层破碎带对洞室围岩稳定性影响可忽略。

本文提出的影响规律对于类似洞库工程选址及安全距离的选择具有良好的指导作用。