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2025 , Vol. 42 >Issue 7: 157 - 163

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240517

岩土工程

某地下储油库分层开挖块体预测及支护分析

  • 刘四新 , 1 ,
  • 应永健 2 ,
  • 孔科崴 2 ,
  • 麦智杰 2 ,
  • 张奇华 2
展开
  • 1 中国石化海南炼油化工有限公司,海南 儋州 578201
  • 2 中国地质大学(武汉) 湖北巴东地质灾害国家野外科学观测研究站,武汉 430074

刘四新(1968-),男,山东济宁人,高级工程师,主要从事地下水封洞库围岩稳定工作。E-mail:

Copy editor: 王慰

收稿日期: 2024-05-14

  修回日期: 2024-06-26

  网络出版日期: 2024-12-27

收起

Block Prediction and Support Analysis for Layered Excavation in an Underground Oil Storage Cavern

  • LIU Si-xin , 1 ,
  • YING Yong-jian 2 ,
  • KONG Ke-wei 2 ,
  • MAI Zhi-jie 2 ,
  • ZHANG Qi-hua 2
Expand
  • 1 SINOPEC Hainan Refining and Chemical Co.,Ltd.,Danzhou 578201,China
  • 2 Badong National Observation and Research Station of Geohazards, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China

Received date: 2024-05-14

  Revised date: 2024-06-26

  Online published: 2024-12-27

Fold

摘要

地下储油洞库一般选址在坚硬的结晶岩地区,洞室围岩稳定问题主要表现为局部的块体失稳。块体理论采用几何拓扑学方法分析地质结构面相互切割形成的块体及其稳定问题,是分析地下洞室围岩稳定性的理想工具。依托某在建地下水封洞库工程,总结形成了工程岩体开挖现场块体预测分析流程。首先,根据前期勘察和主洞室顶层开挖获得的地质素描资料,分析总结主洞室结构面发育规律;然后,对结构面进行组合,利用全空间赤平投影法,判别各组合在主洞室中下层边墙可能出现的可动块体和关键块体;随后,采用最大块体形态分析方法,对关键块体进行几何形态分析,剔除“浅埋型”和“尖长型”这两种非支护关键块体,获得需支护关键块体;最后,对需支护的“端正型”关键块体提出支护建议。研究成果为洞室围岩支护设计提供了理论分析依据,在岩石地下工程建设中具有重要的推广价值。

关键词： 块体理论; 块体预测; 围岩稳定; 全空间赤平投影; 需支护关键块体

本文引用格式

刘四新 , 应永健 , 孔科崴 , 麦智杰 , 张奇华 . 某地下储油库分层开挖块体预测及支护分析[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(7) : 157 -163 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240517

Abstract

[Objective] Underground oil storage caverns are typically located in areas with hard crystalline rock, where the stability of surrounding rock mainly manifests as localized block instability. Traditional rock mass classification methods focus solely on analyzing and evaluating the overall stability of the surrounding rock, often neglecting the problem of block instability caused by unfavorable combinations of structural planes. [Methods] Block theory, utilizing geometric topological analysis to evaluate rock blocks formed by intersecting structural planes and their stability characteristics, serves as an effective approach for assessing the stability of underground caverns. Building on this block theory, this study utilized the whole-space stereographic projection method to identify removable blocks formed by the combinatorial intersection of various structural planes. The residual sliding force of these removable blocks was then used to determine whether they were key blocks requiring support. Subsequently, key blocks underwent maximum block morphology analysis to eliminate non-engineering-support blocks. Finally, positional block analysis was performed on blocks requiring support. [Results] This study developed a comprehensive flowchart for on-site block prediction analysis during engineering rock mass excavation. The specific analysis process was as follows. First, the development patterns of structural planes in the main cavern were analyzed and summarized based on geological mapping data obtained from preliminary surveys and the excavation of the main cavern’s top layer. Next, structural planes were combined, and the whole-space stereographic projection method was employed to identify potential removable blocks and key blocks that may form on the middle and lower sidewalls of the main cavern for each combination. Then, the geometric morphology of these key blocks was analyzed using their maximum block shape. Finally, blocks requiring support were identified based on their maximum block morphology, and corresponding support schemes were proposed. [Conclusion] The main conclusions are as follows: (1) through full-space stereographic projection analysis of various combinations of structural planes, the removable blocks and key blocks formed by these combinations on the left and right sidewalls were identified. (2) Based on the maximum block morphology of each key block, “shallow-buried” and “slender” types of non-support key blocks were eliminated, leaving only the “compact” type of blocks requiring support. (3) Support schemes were proposed based on the actual morphology of the identified “compact” blocks. The findings provide a theoretical foundation for the support design of cavern surrounding rock and hold significant value for broader applicability in rock underground engineering construction.

Key words： block theory; block prediction; stability of surrounding rock; whole-space stereographic projection; key blocks requiring support

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

石油的稳定供给关系着国计民生,我国是世界第二大石油消费国,但目前70%石油依赖进口。为确保国家能源安全,近年来我国正加大地下储油洞库的建设力度。
如何确保洞库围岩稳定性是洞库建设过程中的核心技术问题。国内外大多数学者采用离散单元法、有限单元法以及有限差分法,利用3DEC、FLAC3D等专业的数值模拟分析软件,分析洞库围岩的应力场和位移场,以研究洞库的整体稳定性和施工过程中遇到的工程地质问题[1-3]。还有学者认为岩体内的软弱结构面控制着岩体的破坏和失稳[4-6]。分析围岩稳定性最核心的问题也就是分析这些软弱结构面的性质和可能出现的不利组合关系。针对不同的不利组合关系采取不同的支护措施。
块体理论[7-9]可以有效地解决不利组合结构面形成的块体失稳问题。块体理论假定岩体结构面为平面、结构面切割岩体形成的块体为刚体,利用几何拓扑学方法分析岩体不同的开挖面上可能失稳的块体类型,并结合刚体力学平衡分析,研究块体的稳定性及支护措施。在经典块体理论基础上,又发展出了复杂块体形态分析[10-11]、三维结构面网络模拟及随机块体分析[12-13]、三维块体切割及渐进失稳分析[14-15]等。
近年来块体理论在水利、能源、交通等建设领域也得到了广泛应用。邬爱清[16]、张奇华等[17]将块体理论用于三峡、百色水电站地下厂房块体稳定性分析中。荆少东等[18]利用块体理论判别地下水封洞库建设中遇到的可动块体和关键块体,并开展了块体稳定性评价和支护分析。张昱辉等[19]利用块体理论判别了隧道临空面潜在的关键块体,计算了安全系数,并对支护参数进行了优化。周伟[20]、张靖杰等[21]等开发了块体理论分析软件,并且将其运用于地下工程围岩稳定性分析中。
目前洞库建设过程中块体失稳现象时有发生,其主要原因是大多数洞库围岩稳定和支护设计工作依赖于围岩质量分级如Q值法[22]、RMR法[23]、BQ法[24]等,这些分级方法没有充分考虑结构面不利组合形成的块体问题。譬如,当围岩等级较高(表现为结构面间距大、围岩较坚硬完整)时支护强度一般较弱,但当结构面延伸长时仍可能存在较大块体,此时的支护措施难以控制这样的大块体失稳。如果在洞室开挖前能够预测出可能发生失稳的块体,并在开挖过程中及时进行分析和支护,将可以有效地解决地下洞室开挖过程中遇到的块体失稳问题。本文以某在建地下储油洞库为研究对象,结合前期勘察资料和主洞室顶层开挖的地质素描资料,对主洞室中下层开挖可能出现的块体进行预测,并提出相应的支护建议,为洞室开挖安全提供技术支持。并且,总结形成工程岩体现场开挖块体预测分析方法和流程,供类似工程借鉴。

1 工程概况

1.1 库区岩性特征

某地下石油储备洞库所在场地属低山丘陵地貌—滨海平原台地的过渡段,场地地势总体上西北高、东南低。库区的地层岩性可分为4大类:第四系冲洪积层、残坡积层和北海组海滩堆积层(Q3al+pl、Q4al+pl、el+dl);二叠纪中期二长花岗岩(P2ηγ);白垩纪晚期花岗斑岩(K2γπ);后期侵入的辉绿(玢)岩脉、闪长玢岩脉、石英脉等各种岩脉。主洞室所在高程岩性以花岗岩为主,围岩等级大多为Ⅲ级(图1)。
图1 开挖揭露的围岩照片

Fig.1 Photo of surrounding rock exposed during excavation

1.2 节理发育特征

库区岩体内优势节理主要为走向NE的陡倾角节理,另发育有NW和近SN走向的节理。NE节理面一般稍有起伏、光滑,沿结构面有浸染,一般结合较好,多发育为长大节理;NW和近SN节理的节理面稍直、光滑,沿结构面有浸染,一般结合较好,迹长稍短。
库区分为3个洞罐,每个洞罐有3个主洞室,主洞室轴线方位角为120°,主洞室分4层开挖,如图2所示。不同主洞室的节理发育特征有所差别,本文选取较为典型的主洞室8#进行分析。根据初步地质勘察资料和主洞室顶层开挖绘制的地质素描资料,预测中下层开挖可能出现的失稳块体。主洞室8#主要发育有两组走向相近倾向相反的优势节理,为节理组①和节理组②,此外还有一组走向与洞室轴线较为接近的随机节理,为节理组③。节理发育情况如表1所示。
图2 主洞室布置及开挖示意图

Fig.2 Schematic diagram of layout and excavation of main cavern

表1 主洞室8#揭露的节理发育情况

Table 1 Development of exposed joints in main cavern 8#

节理分组 评细分组 平均倾向/(°) 平均倾角/(°) 发育程度
节理组① ①1 75 58 较弱
①2 265 62 发育
节理组② ②1 140 65 发育
②2 330 60 发育
节理组③ ③1 35 65 较弱
③2 217 77 较弱

2 岩体开挖现场块体预测分析流程

经总结分析,形成了工程岩体开挖现场块体预测分析的技术流程,如图3所示。主要流程包括结构面组合、可动块体和关键块体识别、需支护关键块体甄别、稳定分析及支护建议。下面对这些技术环节进行具体解释和分析。
图3 工程岩体开挖现场块体预测分析流程

Fig.3 Flowchart of block prediction at engineering rock mass excavation sites

3 中下层块体预测

3.1 结构面组合

由于洞内块体几乎均由3条结构面切割产生,故将表1中每3组节理进行组合,形成不同的结构面组合。顶层开挖揭露的节理资料显示,①1、③1、③2这3组发育较弱的节理没有与同组(走向接近倾向相反)的节理同洞段出现,所以进行中下层块体预测时无需将①1、①2,③1、③2置于同一组合考虑。
基于此,在中下层块体预测时可以采用如下组合。组合Ⅰ:①1+②1+②2;组合Ⅱ:①1+②1+③1;组合Ⅲ:①1+②1+③2;组合Ⅳ:①1+②2+③1;组合Ⅴ:①1+②2+③2;组合Ⅵ:①2+②1+②2;组合Ⅶ:①2+②1+③1;组合Ⅷ:①2+②1+③2;组合Ⅸ:①2+②2+③1;组合Ⅹ:①2+②2+③2;组合Ⅺ:②1+②2+③1;组合Ⅻ:②1+②2+③2。

3.2 可动块体和关键块体判别

全空间赤平投影法[7,9,25]将结构面切割的三维问题转化为二维问题,再根据可动性定理判断块体的可动性。以组合Ⅰ为例,其全空间赤平投影如图4所示。
图4 全空间赤平投影

Fig.4 Whole-space stereographic projection

图4中实线表示结构面的投影,虚线表示临空面的投影,中心虚线圆为基圆。实线相互切割将三维空间分割为8个节理锥空间,而临空面虚线将三维空间分割为开挖锥(即包含岩体的空间)和空间锥(即非岩体空间)。“011”等为节理锥的编号(1为结构面的下盘,0为结构面的上盘,所以011就是第1组结构面(①1)的上盘、第2组结构面(②1)的下盘和第3组结构面(②2)的下盘所形成的节理锥)。节理锥编号下方的“1”、“12”等表示在自重条件下沿第1组结构面发生单面滑动、沿第1和第2组结构面的双面滑动。
再根据可动性定理[7,9,25]:若节理锥完全落于洞室某边墙、交棱或交角的空间锥内,则该节理锥为相应的可移动块体。节理锥011落于右边墙的空间锥,故节理锥011在右边墙可形成可动块体。判断节理锥能否与临空面形成可动块体之后,根据剩余滑动力,判断可动块体是否力学可动,即判断是否为关键块体。如图4(b)中,“0.583”和“0.313”分别表示考虑自重条件且不考虑黏聚力情况下,由节理面的摩擦系数计算所得节理锥的单位体积剩余滑动力和稳定系数[10]。当节理锥的剩余滑动力为正(即滑动力大于抗滑力,稳定系数<1)时,该节理锥对应的块体为关键块体。由此可以识别出节理锥011可以形成关键块体。
主洞室8#各组合在中下层左右边墙形成的可动块体和关键块体情况如表2所示。
表2 各组合形成的可动块体和关键块体

Table 2 Movable blocks and key blocks formed by different combinations

组合编号 左边墙 右边墙 组合编号 左边墙 右边墙
组合Ⅰ — 011* 组合Ⅶ 001* 110*
组合Ⅱ — 011* 组合Ⅷ 110* —
组合Ⅲ 100* 011* 组合Ⅸ — 101*
组合Ⅳ — 110* 组合Ⅹ 010* —
组合Ⅴ 110* 001* 组合Ⅺ — 110*
组合Ⅵ 001* 110* 组合Ⅻ 110* 001

注:“—”表示未形成可动块体和关键块体;*表示该可动块体为关键块体。

3.3 洞室内最大块体形态及需支护关键块体识别

洞室内最大关键块体是指在特定尺寸的洞室内,考虑结构面无限延伸时所能形成的最大块体,每一种关键块体都可以作出其相对于洞室的最大块体。最大块体可以用于分析关键块体的形态特征,有些关键块体由于其特殊的块体形态,无需针对性支护。
主洞室8#各种节理组合形成的块体存在3种块体形态特征,如图5所示。形态特征一:3组结构面产状较为离散,组合切割后块体形态呈体态较“端正型”的块体。这类块体大多数情况下为关键块体,其失稳模式分为单面滑动或双面滑动,如图5(a)所示。形态特征二:“浅埋型”块体,其埋深较浅且体积较小,洞室开挖后可能会脱落,而且一般喷混凝土和系统支护等措施可以保证其稳定,如图5(b)所示。形态特征三:3组结构面中2组产状较为接近,形成埋深较深的“尖长型”块体,这类块体会受到围岩的镶嵌作用,所以不易失稳,如图5(c)所示。
图5 8#洞内最大块体形态

Fig.5 Geometry of the largest blocks in cavern 8#

由表2可知,主洞室8#结构面组合可以形成16种关键块体(表中组合Ⅰ在右边墙形成的关键块体用Ⅰ-011表示,Ⅰ代表组合类型,011代表节理锥编号),剔除不需要针对性支护的“浅埋型”和“尖长型”块体(分别为Ⅱ-011、Ⅲ-100、Ⅲ-011、Ⅳ-110、Ⅷ-110、Ⅸ-101、Ⅹ-010),其余块体为需支护关键块体,应进一步开展稳定性和支护分析。

3.4 需支护块体稳定性及支护分析

最大块体形态分析得到的块体体积过大,直接以之为根据进行支护分析会造成工程浪费。因为最大块体是在结构面无限延伸的假定基础上获得的,而实际结构面的延伸是有限的。因此需要根据结构面延伸(迹长)对块体体积进行估计,然后进行稳定分析。
在不考虑黏聚力情况下,3.2节中全空间赤平投影图的稳定系数和失稳模式与块体的体积、滑面面积等几何特征参数无关,因此可以直接由结构面产状和主动力的合力方向得出。实际工程中需要考虑结构面黏聚力对块体稳定系数的影响,因此需得到块体的体积和滑面面积等几何特征参数,才能计算块体稳定系数[10]。
合理估计可能形成的较大块体,是不定位块体稳定性和支护分析结果能否指导工程设计的基础。估计的块体过大,则造成工程支护浪费;太小则影响工程安全。根据前期勘察资料和主洞室顶层开挖地质素描资料,库区内整体节理裂隙的平均迹长为8 m,根据相关块体规范[26]建议,块体的非临空最大边长可以取结构面平均迹长的2~3倍,因此考虑块体最大边长≤24 m,由此确定可能形成的较大块体。在此基础上,绘制出主洞室8#实际开挖过程中可能遇到的需支护关键块体形态,如图6所示,块体稳定性分析结果见表3。计算分析中,综合考虑室内试验结果和类似工程岩体参数取值经验,结构面摩擦系数与黏聚力的取值分别为0.5和50 kPa。
图6 预测得到的块体形态

Fig.6 Predicted geometry of blocks

表3 主洞室8#块体稳定性

Table 3 Stability of block 8# in main cavern

块体编号 体积/m3 临空面面积/m2 最大埋深/m 失稳模式 滑移面面积/m2 稳定系数
K0 Kc
Ⅰ-011 155.03 52.09 8.500 单面滑动 64.83 0.310 1.163
Ⅴ-110 43.37 62.34 3.300 单面滑动 36.677 0.120 1.193
Ⅴ-001 57.44 63.19 3.450 双面滑动 16.26、20.14 0.673 2.070
Ⅵ-001 7.90 15.69 2.060 双面滑动 17.17、3.36 0.888 7.439
Ⅵ-110 13.75 15.64 3.100 单面滑动 9.19 0.290 1.208
Ⅶ-001 67.79 71.52 2.840 双面滑动 23.81、25.43 0.888 2.733
Ⅶ-110 76.52 83.89 3.520 单面滑动 58.22 0.140 0.973
Ⅺ-110 691.06 216.03 9.098 单面滑动 220.96 0.140 0.717
Ⅻ-110 195.37 108.74 5.481 单面滑动 87.67 0.120 0.909

注:K0为不考虑黏聚力时的稳定系数;Kc为考虑黏聚力时的稳定系数。

在施工过程中,由于受到爆破震动的影响,结构面上的黏聚力等力学参数有所降低,因此在稳定性计算中,要适当提高块体稳定的控制标准。根据工程经验,稳定系数Kc达到1.3以上时,可以认为该块体满足稳定性要求。剔除表3中Kc>1.3的块体,对剩余的块体进行稳定性分析,计算Kc达到1.3时所需要的支护力,再根据所需要的支护力布置锚杆等支护措施。
支护措施的选定需要综合考虑块体的体积、埋深和临空面面积。以表3中编号为Ⅰ-011的块体为例,其Kc为1.163,若要达到1.3,则需要523.81 kN的支护力。此块体的临空面面积为52.09 m2。根据相关规范[27],一般的钢筋锚杆的抗拉强度为380 MPa,对于Φ25 mm的普通锚杆,其抗拉力为186.4 kN。若以@3.0 m×3.0 m的间距布置锚杆,该块体临空面上可以布置5根,单根锚杆的支护力≥104.8 kN。若以@4.0 m×4.0 m的间距布置锚杆,该块体临空面上可以布置3根,单根锚杆的支护力不应低于174.60 kN。2种锚杆的布置方式都可以满足该块体稳定性的要求。块体的埋深为8.5 m,锚杆的长度≥10 m。其余需支护块体的稳定性分析如表4所示。
表4 需支护块体所需支护力

Table 4 Support force required for support-requiring blocks

块体编号 所需支
护力/
kN		 临空面
积/m2		 支护前
安全系
数Kc		 支护后
安全系
数K'c		 单位面积
支护力/
(kN·m-2)
Ⅴ-110 1119.6 62.34 0.973 1.3 17.96
Ⅵ-110 110.1 15.64 1.208 1.3 7.03
Ⅶ-110 818.8 83.89 1.292 1.3 9.76
Ⅺ-110 11234.0 216.03 0.717 1.3 52.01
Ⅻ-110 2155.9 108.74 0.909 1.3 19.83

4 结论

本文以某在建地下储油库为研究对象,总结建立了工程岩体开挖块体预测分析流程,并得出如下结论:
(1)库区节理发育较为复杂,每个主洞室节理发育都各具特点。应根据前期勘察资料和顶层开挖地质素描资料分析每个洞室的节理发育规律,再根据分析结果对节理进行分组,预测主洞室中下层可能出现的失稳块体。
(2)利用全空间赤平投影法判别出主洞室中下层左右边墙可能出现的可动块体和关键块体;然后,根据块体形态特征,剔除“浅埋型”和“尖长型”这2种非支护关键块体,获得形态为“端正型”的需支护关键块体。
(3)对于需支护关键块体,利用勘察得到的产状、迹长资料,估计出其体积、埋深、滑动面面积等几何特征,最后提出相应的支护建议。
由于结构面发育具有随机性和不确定性,主洞室中下层开挖以后,要根据现场实际揭露的迹长、产状等复核预测块体的几何特征。如果产状、迹长等与预测选取的产状、迹长差异较大,应该重新分析块体的几何特征,确定支护参数。

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