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2025 , Vol. 42 >Issue 9: 1 - 9

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20250350

专家特约稿

大型地下储油库施工期围岩块体判识关键问题研究

  • 张奇华 ,
  • 赵正好
展开
  • 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

张奇华(1973-),男,江西上饶人,研究员,博士,主要从事岩石工程稳定与渗流分析研究工作。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2025-04-17

  修回日期: 2025-07-03

  网络出版日期: 2025-09-04

基金资助

国家自然科学基金面上项目(52079129)

收起

Key Issues of Identifying Surrounding Rock Block during Construction of Large Underground Oil Storage Caverns

  • ZHANG Qi-hua ,
  • ZHAO Zheng-hao
Expand
  • Badong National Observation and Research Station of Geohazards, China University of Geosciences,Wuhan 430074, China

Received date: 2025-04-17

  Revised date: 2025-07-03

  Online published: 2025-09-04

Fold

摘要

针对大型地下储油库施工期围岩安全控制问题,首先明确了洞室围岩失稳类型及表现形式,采用块体理论分析了结构面不利组合引发的块体识别及稳定问题,对施工期识别出的关键块体的几何形态进行了归类,并根据类别筛选需支护的关键块体。然后围绕施工期跨层块体(大型洞室多层开挖才能完全揭露)的识别、顺洞节理参与下的洞室围岩失稳特征、洞室交叉部位的潜在失稳风险等几个关键问题进行探析。研究结果表明:采用块体理论判别结构面不同组合能否形成关键块体并开展稳定与支护分析,是对依赖围岩质量分级进行支护设计这一传统做法的必要补充;结构控制型的硬岩洞段是洞库围岩稳定控制的关键,常表现为结构面切割下的局部块体失稳,块体的几何形态可分为“端正形”“扁平浅埋形”“尖长深嵌形”3类,需支护块体通常为“端正形”。跨层块体是高边墙洞室施工的主要危险源,需将多层开挖获得的地质素描图进行拼接比对,以分析结构面跨层延伸特征和交切情况,判识能否形成跨层块体;顺洞节理因其可见的延展出露有限以及“隐伏状”特点,可能因认识不足而引发块体失稳;洞室交叉部位的临空面增加,更少的结构面切割也可能形成致灾块体,从而增大安全风险。研究成果不仅深化了施工期洞室围岩块体识别分析的认知,还可为类似洞室工程围岩稳定性控制工作提供参考。

关键词： 地下洞室; 围岩稳定性; 块体识别; 结构面不利组合; 致灾块体判识

本文引用格式

张奇华 , 赵正好 . 大型地下储油库施工期围岩块体判识关键问题研究[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(9) : 1 -9 . DOI: 10.11988/ckyyb.20250350

Abstract

[Objective] The aim of this study is to address the issue of stability control of surrounding rocks during the construction of underground oil storage caverns. [Methods] We first clarified the types and manifestations of surrounding rock instability in caverns, and then applied the block theory to analyze the issues of block identification and stability caused by unfavorable combinations of structural planes. The key blocks identified during construction period were classified based on their geometric shapes, and key blocks requiring support were selected according to their morphological types. Subsequently, we focused on the identification of hazard-causing blocks during construction to analyze key issues such as the identification of cross-layer blocks (which only become fully exposed after multi-layer excavation in high-sidewall caverns), instability characteristics of surrounding rocks involving along-cavern joints, and potential instability risks at the intersections of caverns. [Results] Using block theory to determine whether different combinations of structural planes could form key blocks, followed by stability and support analysis, serves as a necessary supplement to the conventional approach relying on surrounding rock quality classification for support design. The geometric shapes of blocks were classified into three types: “regular-shaped”, “flat and shallow-buried”, and “sharp and deeply embedded”, with the “regular-shaped” blocks being the primary type requiring support. “Flat and shallow-buried” blocks were prone to spontaneous falling, “sharp and deeply embedded” blocks were less likely to become unstable, and “regular-shaped” blocks required support, thereby providing a basis for differentiated support during the construction period. Based on the distribution characteristics of blocks during the construction period, the key issues of the identification and control of hazard-causing blocks were summarized as follows: (1) cross-layer blocks were the main hazard sources during the construction of high-sidewall caverns. It was necessary to splice and compare geological sketches obtained from multiple excavation layers to analyze the cross-layer extension characteristics and intersections of structural planes to determine whether cross-layer blocks may form. (2) Along-cavern joints, due to their limited visible exposure and “concealed” characteristics, were prone to form collapse blocks when intersecting with other structural planes in hard rock sections, while in medium to soft rock sections, they may cause large-scale sliding instability. (3) At cavern intersections, the increase in free surfaces, along with fewer structural plane cuts, may still result in the formation of hazard-causing blocks, thereby increasing safety risks. [Conclusion] The findings advance the understanding of block identification and stability analysis during the construction of underground caverns. The proposed classification of block shapes and the summarized key issues in recognizing hazard-causing blocks can provide a reference for the stability control of surrounding rocks in similar cavern engineering projects.

Key words： underground cavern; stability of surrounding rocks; block identification; unfavorable combination of structural planes; identification of hazard-causing block

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

为保障国家能源安全,国家大力加强能源储备设施建设,其中地下储油库因其安全、环保的储备方式而备受青睐。地下储油库开挖洞室多、施工断面大、卸荷强烈,洞室围岩的稳定性控制成为洞库建设的关键和核心问题。这一问题的研究成果涵盖工程地质环境评估[1]、地应力场分布[2-3]、多工况模拟分析[4]、开挖卸荷模拟[5]、围岩块体识别分析[6]等多个研究方向,研究方法层面也呈现多元化的特点,流固耦合数值模拟[7-8]、爆破振动影响分析[9-10]、现场变形监测及反演分析[11]、围岩卸荷损伤监测分析[12]、支护体系设计优化[13-14]等多种方法被广泛应用。
围岩稳定性可根据洞室开挖过程中破坏特征(如是否开裂)及变形特征进行判断,一般将围岩失稳类型分为强度控制型和结构控制型两大类[15-16]。强度控制型失稳是指围岩本身的强度不足以抵抗其所承受的应力而发生破坏,常出现在软弱、破碎或高应力围岩中;结构控制型失稳主要由岩体内固有的、延伸性较好的软弱结构面及其组合切割控制,主要发生在结构面发育的中等强度至高强度围岩中。并且,研究与实践结果表明[17-19],岩体所处的地应力环境对围岩变形失稳产生严重影响,强度应力比越大,失稳特征越表现为结构控制型失稳,反之则表现为强度控制型失稳。
地下储油库通常处于浅埋低应力状态,因此其围岩失稳主要为结构控制型,表现为岩体受结构面切割形成的局部块体失稳。但蚀变带、节理密集带出露的少数洞段,则表现为强度控制型失稳。
块体理论[20-22]将几何拓扑学方法应用到岩体稳定分析领域,全面回答了多组结构面切割形成的块体存在性、可动性及稳定性问题,准确识别出不同临空面上出现的可移动块体及关键块体的结构面构成,以及块体的失稳模式,在此基础上,可进行块体几何形态、稳定性及支护措施分析。刘锦华等[22]最早将关键块体理论引入国内,时至今日,该方法已在理论研究和工程应用技术方面取得了长足发展[23-25]。邬爱清[26]采用关键块体理论实现了复杂地质结构面切割下的关键块体识别;张奇华等[27-29]基于块体理论进行块体加减、多滑面块体分块平衡分析、三维几何搜索等研究,集成开发了工程块体分析软件KBTE,并介绍了块体理论在地下工程中的应用及岩体开挖前后块体分析内涵的差异。
根据上述研究现状可以看出,关于块体理论的认识和研究已经比较成熟,可以将该方法科学地运用至地下储油库施工期围岩稳定性分析评价中。然而,对于施工期块体识别、块体实际发育特征等系统的研究成果仍较少。
本文针对大型地下洞库施工期围岩安全控制技术难题,采用块体理论判别结构面不同组合能否形成关键块体,并开展块体稳定与支护分析;总结了实际开挖揭露的不同块体几何形态特征及其支护分析意义;梳理了施工期致灾块体识别控制的3个关键问题,即跨层块体识别问题、顺洞节理参与下的围岩稳定问题、洞室交叉部位围岩稳定控制问题。研究结果可为洞库工程围岩支护设计提供技术支撑,并为施工期地下洞室围岩块体判识分析提供借鉴经验,推动洞室工程块体判识分析技术水平的发展。

1 围岩失稳机制与稳定性控制现状

1.1 洞库围岩失稳类型及分析处理技术

为保证洞库围岩的稳定及渗控效果,地下储油库选址通常位于区域地质构造稳定、岩体质量较好的结晶岩体中。但由于洞库建设范围大、工程地质条件复杂多样,部分洞段不可避免地存在蚀变等碎裂状和散体状软岩,以及少量的小型断层、节理密集带等地质缺陷。因块状硬岩与散体状软岩的变形程度和变形机制不同,洞库围岩失稳类型可分为结构控制和强度控制两大类型,且表现为3种失稳方式(图1):结构控制下的块体垮塌、强度控制下的围岩坍塌、爆破裂隙形成的小块体掉落。
图1 洞室围岩失稳控制类型

Fig.1 Control types of surrounding rock failure in underground caverns

结构控制型失稳主要由岩体内部的不连续面(如节理、断层等)切割形成关键块体所引发(如图1(a)所示),控制绝大部分洞段。基于块体理论[20-22]的分析表明,当结构面组合不利、块体未被充分约束时,块体可能滑落或掉落。花岗岩体自身强度高,洞室爆破开挖后岩体不会因应力释放和重分布、爆破卸荷等产生较长(如米级以上)的次生破裂面;反之,形成较大块体的结构面必然是原生结构面,硬岩洞室岩块判识只需关注原生结构面发育特征。通过全空间赤平投影[20-22]分析,可以准确识别可动块体和关键块体。进一步地,可定位其几何边界与失稳模式,从而设计局部补强锚杆、预应力锚索等靶向支护措施,有效降低块体垮塌风险,实现经济合理的安全控制。
强度控制型失稳主要发生在岩体力学性质较差的区域,如蚀变带和软岩洞段(如图1(b)所示)。基于围岩分级如岩体质量分级(Rock Mass Rating,RMR)、基础质量(Basic Quality,BQ)系统等的支护设计分析实践经验表明,因蚀变程度和裂隙密集发育程度不同,中软岩洞段的稳定性可能存在很大区别。通过围岩分级分析,可以评估不同区段的稳定性,围岩蚀变不严重时,岩体自身强度能够维持一定的稳定性,可采用系统锚杆+喷射混凝土等中等强度支护措施进行加固;蚀变严重时,需采用钢拱架、格构梁等强支护措施。
针对爆破裂隙切割形成的小块体掉落(如图1(c)所示),目前尚无特别分析手段,需及时凿岩清除表面松动部分以确保施工安全。

1.2 洞库围岩稳定性控制现状及隐患剖析

目前传统的地下洞室围岩支护主要依赖工程岩体质量分级,然而这种做法存在多方面的不足。首先,围岩分级的本质是将定性的地质条件定量化表达,主观性较强,其结果高度依赖于地质勘察人员的经验。经验不足时,地质勘察人员易采取保守思想,导致分级结果偏低,并最终导致支护强度过高,施工投入及工期浪费。更为严重的是,围岩分级忽视了结构面不利组合问题及引发的块体失稳问题:即使两个洞段的分级结果相同,若其中一个洞段存在结构面不利组合,其稳定性可能与另一个洞段截然不同,仅依赖围岩分级进行支护设计,可能无法有效控制围岩失稳。
图2为围岩工程等级相似的地质素描。根据结构面产状和位置分布特征,采用块体理论中的全空间赤平投影进行可动块体识别,结果表明,图2(a)中灰色圈定的结构面组合为不利组合,可形成可动块体,而图2(b)中灰色圈定的结构面组合不会形成可动块体。
图2 块体地质素描

Fig.2 Geological sketch of blocks

当形成的块体体积不大时,根据围岩等级结果采取的支护措施完全可能保证块体的稳定,但这仅仅是一种“巧合”。当长大结构面稀疏发育时,围岩质量较好,分级评判结果较高,岩石完整性增强,一定程度上降低了大块体产生的可能性。但工程质量好、完整性高的岩体内部的节理变得稀疏,且可能形成更长的延伸(岩体受构造作用产生破裂面的特征所决定),此时依据围岩等级采取的支护强度会相应降低,可能导致对偶发性大块体支护不足,进而引发安全事故。过去某些洞库工程中,岩石质量较好的围岩也曾发生过大块体失稳。
因此,为提升洞库围岩施工期安全控制的技术水平,采取块体理论开展结构面不利组合分析及块体支护设计处理,无疑是对基于围岩分级进行支护设计这一传统做法的必要补充。
地下储油洞库在施工开挖过程中,将面临上述2种围岩失稳类型,鉴于洞库选址条件优良且埋深较浅,故本文将重点研究结构控制型块体稳定性问题。下面以某地下储油库为例,介绍洞室围岩块体识别及稳定分析问题,分析实际揭露的块体几何形态特征差异并讨论其工程支护意义,最后针对块体识别中遇到的几个关键问题进行研讨。

2 结构面不利组合及块体发育特征分析

2.1 工程概况

我国某在建洞库围岩主体为花岗斑岩及二长花岗岩,主洞室轴线方位角120°,采用分层开挖法施工。围岩等级以Ⅲ级为主,NE向节理为优势结构面,中高陡倾角(55°~70°),岩体结构面光滑且结合较好;NW及近SN向节理迹长较短,局部存在辉绿岩脉侵入及高岭石填充蚀变带。主洞室形态为马蹄形,高30 m,最大跨度为22 m,采用钻爆法分4层开挖。

2.2 结构面不利组合分析

结构面不利组合形成的块体识别,主要包括全空间赤平投影、块体形态分析、稳定性与支护分析这3个步骤。结构面不利组合表示多个结构面(如节理、断层等)在特定几何关系下可形成可动块体。图3为某洞室左边墙结构面素描,其中阴影表示的结构面能否形成可动块体,可采用全空间赤平投影进行判识。当只考虑重力作用时,全空间赤平投影如图4(a)、图4(b)所示。其中,实线为结构面投影,黑色虚线为临空面投影,中心实线圆为基圆(赤道圆)。首先根据可动性定理,判断投影图中的节理锥是否可动。图4(a)显示编号“110”(块体编号的意义可参看文献[21]、文献[22])的节理锥完全位于黑色虚线圆(临空面投影)外(临空面下方,即空间锥的投影),因此可形成可动节理锥,即这3条结构面形成了不利组合。编号“110”下方的“3”表示节理锥110对应的失稳模式为沿着第3结构面(产状为269°∠60°)发生单面滑动。节理锥“100”下方的23表示该节理锥的失稳模式为沿着第2和第3结构面发生双面滑动。图4(b)中,各节理锥处显示的“0.616”等为单位体积剩余滑动力(量纲为一),“0.289”等为对应的稳定系数Kc。只考虑结构面摩擦因数(不考虑黏聚力)时,可以直接针对节理锥计算得到单位体积剩余滑动力和稳定系数(计算结果与体积及滑面面积无关),并且,获得的稳定系数小于考虑黏聚力时的稳定系数,从而可以防止漏判可能出现的关键块体。节理锥“110”对应的稳定系数为0.289(小于1),因此其在临空面切割下可形成关键块体。
图3 某结构面组合地质素描

Fig.3 Geological sketch of a specific structural plane combination

图4 某结构面组合的全空间赤平投影

Fig.4 Whole-space stereographic projection of a specific structural plane combination

2.3 块体几何形态特征及支护意义

分析施工期揭露的结构面不利组合形成的块体形态特征,主要分为3种,如图5所示。各类型块体的几何特征参数如表1所示。
图5 块体形态的3种类型

Fig.5 Three types of block shape

表1 现场揭露的3种典型形态块体的几何特征参数

Table 1 Geometric characteristic parameters of three typical block shapes exposed on site

编号 体积/
m3		 临空面
面积/
m2		 最大
埋深/
m		 形态
特征		 滑移
面积/
m2		 稳定
系数
Kc		 失稳
模式
图5(a) 44.59 26.05 4.92 端正 — 0 脱落
图5(b) 211.18 107.95 6.56 端正 80.64 0.860 单面
滑动
图5(c) 7.86 11.35 1.95 扁平
浅埋		 2.50 0.821 单面
滑动
图5(d) 23.73 6.58 10.76 尖长
深嵌		 24.66 2.295 单面
滑动
由图5和表1可知:
(1)“端正形”块体,通常埋深适中,体积中等,其失稳模式主要包括脱落(图5(a))、沿单一结构面滑动或沿2条结构面产生双面滑动(图5(b)),是洞室中最需要关注的失稳块体类型。
(2)“扁平浅埋形”块体,一般体积不大且埋深浅,其失稳模式通常表现为脱离岩体或沿单一结构面滑动,如图5(c)所示。然而,由于块体形状扁平且埋深很浅,洞室开挖后易自行脱落,通过常规喷混凝土支护即可确保稳定。
(3)“尖长深嵌形”块体,通常在临空面上投影面积小,深嵌于岩体内部,因受围岩的嵌固作用及结构面起伏粗糙影响,其稳定性高,不易失稳,如图5(d)所示。
这3种形态特征的块体都可能是关键块体。然而,从块体稳定性及支护角度看,“扁平浅埋形”块体通常易自行脱落,通过系统支护即可实现稳定控制;因结构面实际存在的起伏粗糙特点,“尖长深嵌形”块体与围岩产生较好的嵌固作用而难以失稳。现场实践时,可以通过形态特征分析筛选出需支护的关键块体,通常只有“端正形”块体需要进一步进行稳定和支护分析。

3 块体稳定与支护分析

以表1中的图5(a)块体为例,该块体形态为“端正形”,需进行稳定性计算与支护分析。该块体失稳模式为脱落,块体体积约44.59 m3,块体最大埋深约4.92 m。稳定系数Kc(稳定性计算时考虑结构面黏聚力作用)达到1.3时,所需锚固力为1 739.01 kN(采用悬吊模式进行支护)。采用Ф25 mm的普通锚杆(根据相关手册,其抗拉断强度取186.4 kN)进行支护时,共需要10根。然而,根据围岩分级结果,设计拟采用间距2 m´2 m的系统锚杆进行支护。根据块体临空面面积计算可得,该块体可布置6根系统锚杆,因此仅仅根据围岩分级进行支护无法满足该块体稳定支护需要,还需要增加4根锚杆进行补强支护。该块体最大埋深为4.92 m,根据工程经验,锚杆长度以超过块体埋深后尚有2 m锚固段为宜,该块体最大埋深4.92 m,因此所需锚杆长度不宜<7 m。若垂直开挖面插入锚杆时,无法满足锚固段长度要求,可根据块体形态合理布置锚杆位置和角度,使其尽可能垂直穿过块体的分界面以保证锚固段长度≥2 m。当出现更大块体时,也可采用加长锚杆甚至锚索进行支护。

4 施工期致灾块体判识控制关键问题

4.1 跨层块体识别

高边墙洞室需要分层开挖,一些大块体高度跨越多个开挖层,需要多层开挖结束后才能被充分揭露,这种块体称为跨层块体,其体积大、危害大,是高边墙洞室施工中需格外关注的技术难点,如图6所示。为识别这种块体,需将当前开挖步绘制的地质素描结果与上部开挖步的地质素描结果进行拼接和对比,以确定结构面在跨层开挖中的连通情况,判识可能形成的大块体。该项工作对地质素描图中结构面延伸、出露位置等准确性提出更高要求。
图6 跨层块体示意

Fig.6 Schematic diagram of cross-layer blocks

跨层块体识别以关注结构面的位置及延伸情况为核心。通过拼接不同开挖层的地质素描图,从安全角度出发,合理延长结构面迹线,评估其是否与其他结构面形成不利组合,并进行块体可动性、形态特征以及稳定性分析,确保对可能失稳的大块体进行有效加固。
图6(a)示意了确定型跨层块体。开挖上层时,块体顶部的缓倾结构面已揭露,两侧的陡倾结构面的部分也被揭露,尽管块体的底部没有完全揭露出来,也可较明确地识别出该块体形成的可能性高。两侧结构面延伸如果没有越过即将开挖的下层,该块体也不能完全形成,甚至无需支护也不会失稳,但该块体开挖至中层时已基本揭露,从安全角度,需要对其进行稳定分析并进行加固。图6(b)示意了潜在型跨层块体,该块体在开挖中层时,仅看到两侧结构面,底部潜在结构面需在下层开挖时才能揭露。若不存在底部结构面则该块体无法形成。然而在洞室中层施工过程中,由于无法预知底部结构面是否存在,从工程安全角度出发可以在中层开挖后进行适当补强支护。可依据前期勘探资料及已揭露结构面分布规律,综合评估洞段下方潜在结构面的风险程度,通过统计分析确定危险洞段,若结构面发育于危险洞段,可在该区域适当提高支护强度。在下层开挖时未发现底部结构面,则无需进一步加固,当存在底部结构面时,可进一步分析并针对性支护。
图7(a)中AB、CD、EF线段为真实存在的结构面,不延长结构面时,分析显示无危险区域。而图7(b)延长了结构面后,形成了封闭三角形,且后期发现存在危险块体。这表明,如果仅从单一开挖层进行分析,可能会遗漏这些危险区域。
图7 跨层结构面素描

Fig.7 Sketches of cross-layer structural plane

以某主洞室存在某潜在跨层块体为例。开挖至第二层时该洞室出现两处块体垮塌,素描与现场观测显示,岩体内发育了2组优势结构面(150°∠60°和330°∠50°)以及1条高倾角顺洞结构面(220°∠70°)。通过将未及时支护掉落的块体的结构面迹线向上延伸,可以发现上方临空面存在2条更为发育的结构面(图8),顺洞结构面与这两条结构面相交形成了一个跨层大块体,如图8所示。该块体失稳模式为沿顺洞结构面发生单面滑动,体积为418.06 m3,滑动面面积155.85 m2,最大埋深为9.2 m,如图9所示。
图8 现场揭露的跨层块体照片

Fig.8 Photo of cross-layer block exposed on site

图9 跨层块体几何形态特征

Fig.9 Geometric characteristics of cross-layer block

进一步分析表明,围岩较破碎,力学性能较差。内摩擦角取26.6°、黏聚力取50 kPa时,通过计算可得该块体的稳定系数Kc仅为0.841。为将安全系数提高至1.3,需要4 823.9 kN的支护力,即需布设33根Ф25 mm的锚杆。复核设计采用的系统支护参数,发现该块体有效支护面积上仅有24根系统锚杆,同时块体中部区域采用长度6 m锚杆难以达到有效支护深度。最终,通过增设补强锚杆的长度及数量,确保了该块体的稳定性。

4.2 顺洞节理参与的块体分析

顺洞节理是一种走向与洞室轴线呈小角度相交的节理,具有以下特点:
(1)在主洞室轴线方向选取与优势结构面走向呈大角度相交的前提下,顺洞节理发育的数量、规模不及其他优势组。
(2)现场揭露常表现为“正向结构面”或“隐伏状”形式,可见的延展出露有限,现场不易观察且容易遗漏。
(3)与洞室各优势结构面组合易形成不稳定块体,从而造成洞室片帮等形式的洞壁失稳。
(4)在不同岩性中均有分布,对围岩稳定性的影响程度各异。
在硬岩洞段,顺洞节理与临空面切割下岩体呈片状,在钻爆环境中易拉裂形成小型垮塌,如图10(a)所示。但如果不存在其他原生结构面组合切割,仅存在顺洞节理时不可能形成大块体失稳。而在中软岩洞段(如蚀变带),因岩体强度较低,顺洞节理与其他走向的结构面组合切割下可能引起伴有岩体开裂的较大范围滑移失稳,如图10(b)所示。该地下洞库中发育的顺洞节理主要包括两组,产状分布为NW23°~56°∠49°~75°和NW180°~219°∠52°~84°。据统计,该地下洞库发育有600多处疑似块体,经过块体分析后发现有142处块体需要补强支护,而有顺洞节理参与形成的块体存在63处,部分块体特征及加固处理情况如表2所示。因此,在施工过程中需加强对顺洞节理的观测和分析,避免其对工程稳定性产生不利影响。
图10 顺洞节理在不同岩性中表现形式

Fig.10 Manifestation of along-cavern joints in different lithologies

表2 现场揭露的部分致灾块体的几何形态、失稳模式及支护措施统计

Table 2 Statistics of geometric shapes, failure modes, and support measures of selected hazard-causing blocks exposed on site

块体
序号		 体积/
m3		 埋深/
m		 稳定系
数Kc		 失稳
模式		 支护
建议		 产状
1 32.52 6.10 0.939 滑移 增加3根
补强锚杆		 160°∠80°、
313°∠67°、
213°∠58°
2 11.58 2.06 0.952 滑移 增加2根
补强锚杆		 149°∠64°、
261°∠64°、
338°∠59°
3 44.59 4.92 0 脱落 增加5根
补强锚杆		 146°∠66°、
267°∠67°、
28°∠63°
4 43.77 3.57 1.031 滑移 增加3根
补强锚杆		 265°∠64°、
142°∠65°、
335°∠68°
5 40.29 3.74 0.899 滑移 增加4根
补强锚杆		 140°∠65°、
263°∠65°、
36°∠49°
6 30.50 3.24 0.864 滑移 增加3根
补强锚杆		 106°∠68°、
260°∠67°、
320°∠64°
7 17.24 2.68 0 脱落 增加3根
补强锚杆		 80°∠55°、
320°∠40°、
200°∠70°
8 26.83 3.91 0.915 滑移 增加4根
补强锚杆		 125°∠70°、
266°∠56°、
315°∠45°
在主洞室中,由于存在大量跨层结构面,应特别关注潜在“隐伏”顺洞结构面形成跨层大块体的风险,“隐伏”顺洞结构面可通过强化人工现场观察与地质素描图的绘制,并综合已开挖揭露的顺洞结构面信息进行合理推断。图9是由顺洞结构面和优势结构面组合形成的跨层块体。因此,顺洞节理及跨层块体同时存在时,识别分析的难度加大,需要格外小心。

4.3 洞室交叉部分块体分析

连接洞巷道与主洞室的交叉部位(如图11(a))临空面的增加导致围岩约束条件弱化,只需2条结构面切割就会形成不稳定块体,块体失稳的风险显著提高。通常情况,主洞室与连接巷道的交叉部位会形成较为复杂的几何条件,原本与主洞室轴线方向大角度相交的优势结构面在连接巷道中可能变为与巷道轴线小角度相交的结构面,这种结构面的组合容易形成不稳定块体,或容易出现围岩垮塌(图11(b))。但洞室交叉部位在洞库中数量有限且并非块体识别的难点,只需在施工阶段格外注意,加强排险,做好支护措施,即可防范块体垮塌。
图11 洞室交叉部位照片

Fig.11 Photos of cavern intersection

5 结论

本文首先分析了洞库围岩失稳的2种类型及3种表现形式,剖析了洞库围岩稳定评判分析的发展现状,并结合洞库施工期块体现场判识分析中的3个关键技术问题,明确指出采用块体理论开展结构面不利组合分析及块体支护处理,是对基于围岩分级进行支护设计(未能考虑结构面是否为不利组合及可能形成的块体失稳问题)这一传统做法的必要补充。通过本文的研究得出以下结论:
(1)洞库围岩大部分洞段为块状硬岩洞段,少量为碎裂状或散体状软岩洞段,前者失稳类型为结构控制型,主要与结构面切割形成关键块体有关;后者为强度控制型,主要与围岩力学性质有关。围岩失稳表现为3种表现方式,即结构控制下的块体垮塌、强度控制下的围岩坍塌、爆破裂隙形成的碎石块掉落。
(2)介绍了施工期现场块体判识分析的主要工作流程。因岩体开挖后实际揭露的洞室围岩结构面组合关系复杂,不同结构面交切形成的块体形态主要分为“端正形”“尖长深嵌形”“扁平浅埋形”3类。一般情况下,只有“端正形”块体可形成工程需支护的关键块体,需要开展针对性的稳定与支护分析。
(3)跨层块体是高边墙洞室的主要危险源,其识别需将不同开挖步的地质素描结果进行拼接和对比,以确定结构面的延展交切情况,判识可能形成的跨层大块体;顺洞节理因其可见的延展出露有限以及“隐伏状”形式的特点,可能因辨识不足引发块体失稳;洞室的交叉部位临空面增加,较少的结构面切割也可能形成致灾块体,增加了围岩失稳的风险,均需格外注意。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
王梦恕, 杨会军. 地下水封岩洞油库设计、施工的基本原则[J]. 中国工程科学, 2008, 10(4): 11-16, 28.

(WANG Meng-shu, YANG Hui-jun. Basic Principles for Design and Construction of Underground Water-sealed Hydrocarbon-storage Rock Caverns[J]. Engineering Sciences, 2008, 10(4):11-16, 28. (in Chinese))

[2]
陈祥, 孙进忠, 张杰坤, 等. 黄岛地下水封石油洞库场区地应力场模拟分析[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(5): 713-719.

(CHEN Xiang, SUN Jin-zhong, ZHANG Jie-kun, et al. Fitting Analysis of Geo-stress Field in Huangdao Water Sealed Underground Oil Tank Site[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(5): 713-719. (in Chinese))

[3]
王章琼, 晏鄂川, 鲁功达, 等. 我国大陆地下水封洞库库址区地应力场分布规律统计分析[J]. 岩土力学, 2014, 35(增刊1): 251-256.

(WANG Zhang-qiong, YAN E-chuan, LU Gong-da, et al. Statistical Analysis of the Distribution Law of Geostress Field in the Reservoir Site Area of Underground Water-sealed Tunnels in Mainland China[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35 (Supp.1): 251-256. (in Chinese))

[4]
王者超, 陆宝麒, 李术才, 等. 地下水封石油洞库施工期安全风险评估研究[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(6): 1057-1067.

(WANG Zhe-chao, LU Bao-qi, LI Shu-cai, et al. Risk Assessment for an Underground Crude Oil Storage Facility with Water-curtaining System during Construction Phase[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(6): 1057-1067. (in Chinese))

[5]
蔡健, 刘霞. 基于开挖卸荷效应的地下洞室围岩稳定性分析[J]. 水利水电快报, 2019, 40(1):27-31.

(CAI Jian, LIU Xia. Stability Analysis of Surrounding Rock in Underground Cavern Based on Excavation and Unloading Effect[J]. Express Water Resources & Hydropower Information, 2019, 40(1):27-31. (in Chinese))

[6]
荆少东, 徐帅陵, 王强, 等. 某地下储油洞库围岩块体稳定评价与支护分析[J]. 地下空间与工程学报, 2023, 19(增刊1): 124-130,138.

(JING Shao-dong, XU Shuai-ling, WANG Qiang, et al. Stability and Support Analysis of Surrounding Rock Masses of an Underground Oil Storage Cavern[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2023, 19(Supp.1): 124-130,138. (in Chinese))

[7]
李术才, 平洋, 王者超, 等. 基于离散介质流固耦合理论的地下石油洞库水封性和稳定性评价[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(11): 2161-2170.

(LI Shu-cai, PING Yang, WANG Zhe-chao, et al. Assessments of Containment and Stability of Underground Crude Oil Storage Caverns Based on Fluid-solid Coupling Theory for Discrete Medium[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(11): 2161-2170. (in Chinese))

[8]
彭振华, 张彬, 李玉涛, 等. 海岛地下水封洞库围岩稳定性及水封可靠性研究[J]. 地下空间与工程学报, 2020, 16(6): 1875-1881.

(PENG Zhen-hua, ZHANG Bin, LI Yu-tao, et al. Study on Surrounding Rock Stability and Water-sealed Reliability of Underground Crude Oil Storage Cavern in Island[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2020, 16(6): 1875-1881. (in Chinese))

[9]
陈祥, 刘明学, 祁小博. 爆破振动作用下大型地下洞室群围岩动力响应及合理间距分析[J]. 振动与冲击, 2021, 40(1): 277-285.

(CHEN Xiang, LIU Ming-xue, QI Xiao-bo. Dynamic Response and Reasonable Spacing Analysis of Surrounding Rock Mass in Large Underground Caverns under Blasting Vibration[J]. Journal of Vibration and Shock, 2021, 40(1): 277-285. (in Chinese))

[10]
王晓. 爆破振动作用下邻近隧洞围岩响应特征及安全判据研究[D]. 南京: 东南大学, 2022.

(WANG Xiao. Study on the Response Characteristics and Safety Criteria of Surrounding Rock in Adjacent Tunnels under Blasting Vibration[D]. Nan Jing: Southeast University, 2022 (in Chinese))

[11]
田昊, 李术才, 王者超, 等. 地下水封石油洞库施工期监控量测与稳定性分析[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(9): 1710-1720.

(TIAN Hao, LI Shu-cai, WANG Zhe-chao, et al. Field Monitoring and Stability Analysis of Underground Crude Oil Storage Caverns in Construction Phase[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(9): 1710-1720. (in Chinese))

[12]
马克, 唐春安, 梁正召, 等. 基于微震监测的地下水封石油洞库施工期围岩稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(7): 1353-1365.

(MA Ke, TANG Chun-an, LIANG Zheng-zhao, et al. Stability Analysis of the Surrounding Rock of Underground Water-sealed Oil Storage Caverns Based on Microseismic Monitoring during Construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2016, 35(7): 1353-1365. (in Chinese))

[13]
李好辉. 多断面洞库工程衬砌支撑体系的对比分析[J]. 工程技术研究, 2017(9): 144-145.

(LI Hao-hui. Comparative Analysis of Engineering Lining Support System of Multi-section Cavern Reservoir[J]. Engineering Technology Research, 2017(9):144-145. (in Chinese))

[14]
马凯蒙, 张俊儒, 刘雨萌, 等. 基于现场试验的超大双曲面穹顶洞库支护体系研究[J]. 隧道建设(中英文), 2022, 42(7):1257-1266.

(MA Kai-Meng, ZHANG Jun-ru, LIU Yu-meng, et al. Research on the Support System of Super-large Hyperboloid Dome Cavern Based on Field Experiment[J]. Tunnel Construction, 2022, 42(7): 1257-1266. (in Chinese))

[15]
孙钧, 侯学渊. 地下结构[M]. 北京: 科学出版社, 1996: 217-289.

(SUN Jun, HOU Xue-yuan. Underground Structures[M] Beijing: Science Press, 1996: 217-289. (in Chinese))

[16]
HOEK E, BROWN E T. Practical Estimates of Rock Mass Strength[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1997, 34(8): 1165-1186.

[17]
孙广忠. 论“岩体结构控制论”[J]. 工程地质学报, 1993, 1(1): 14-18.

(SUN Guang-zhong. On the Theory of Structure-controlled Rockmass[J]. Journal of Engineering Geology, 1993, 1(1): 14-18. (in Chinese))

[18]
向天兵, 冯夏庭, 江权, 等. 大型洞室群围岩破坏模式的动态识别与调控[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(5): 871-883.

(XIANG Tian-bing, FENG Xia-ting, JIANG Quan, et al. Failure Mode Dynamic Recognition and Control for Surrounding Rock of Large-scale Cavern Group[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(5): 871-883. (in Chinese))

[19]
董家兴, 徐光黎, 李志鹏, 等. 高地应力条件下大型地下洞室群围岩失稳模式分类及调控对策[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(11): 2161-2170.

(DONG Jia-xing, XU Guang-li, LI Zhi-peng, et al. Classification of Failure Modes and Controlling Measures for Surrounding Rock of Large-scale Caverns with High Geostress[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(11): 2161-2170. (in Chinese))

[20]
SHI Gen-hua. A Geometric Method for Stability Analysis of Discontinuous Rocks[J]. Science in China, Ser A, 1982, 25(3): 318-336.

[21]
GOODMAN R E, SHI G H. Block Theory and Its Application to Rock Engineering[M]. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, Inc, 1985.

[22]
刘锦华, 吕祖珩. 块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M]. 北京: 水利电力出版社, 1988.

(LIU Jin-hua, LÜ Zu-heng. Application of Block Theory in Stability Analysis of Engineering Rock Mass[M]. Beijing: China Water & Power Press, 1988. (in Chinese))

[23]
张子新, 孙钧. 块体理论赤平解析法及其在硐室稳定分析中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2002, 21(12): 1756-1760.

(ZHANG Zi-xin, SUN Jun. Stereoanalytic Method for Block Theory and Its Application in Stability Analysis of a Cave[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(12): 1756-1760. (in Chinese))

[24]
张敏思, 杨勇, 王述红, 等. 隧道围岩最大可移动块体求解及其应用[J]. 岩土工程学报, 2024, 46(11): 2314-2322.

(ZHANG Min-si, YANG Yong, WANG Shu-hong, et al. Solutions and Applications of Maximum Movable Block in Surrounding Rock of Tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2024, 46(11): 2314-2322. (in Chinese))

[25]
邬爱清, 张奇华. 岩石块体理论中三维随机块体几何搜索[J]. 水利学报, 2005, 36(4): 426-432.

(WU Ai-qing, ZHANG Qi-hua. Geometric Identification of Stochastic Block in Block Theory[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2005, 36(4): 426-432. (in Chinese))

[26]
邬爱清. 基于关键块体理论的岩体稳定性分析方法及其在三峡工程中的应用[J]. 长江科学院院报, 2019, 36(2): 1-7.

DOI

(WU Ai-qing. Series Methods of Analyzing Rock Mass Stability Based on Key Block Theory and Their Applications to Three Gorges Project[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2019, 36(2): 1-7. (in Chinese))

DOI

[27]
张奇华, 张煜, 李利平, 等. 块体理论在地下洞室围岩稳定分析中的应用进展[J]. 隧道与地下工程灾害防治, 2020, 2(4): 9-18.

(ZHANG Qi-hua, ZHANG Yu, LI Li-ping, et al. Advances in Application of Block Theory to Stability Analysis of Rock Mass Surrounding Caverns[J]. Hazard Control in Tunnelling and Underground Engineering, 2020, 2(4): 9-18. (in Chinese))

[28]
张奇华. 岩体块体理论的应用基础研究[M]. 武汉: 湖北科学技术出版社, 2010.

(ZHANG Qi-hua. Fundamental Research on Application of Rock Mass Block Theory[M]. Wuhan: Hubei Science & Technology Press, 2010. (in Chinese))

[29]
ZHANG Q H, SHI G H. Discussion on Key Issues in the Application of Block Theory in Rock Engineering[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2024, 57(3): 2017-2033.

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