劉偉韜，申建軍，何壽迎

(1.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島 266590;2.青島市勘察測繪研究院，山東青島 266032)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市化進程的加快，城市土地日益緊張，因此，地下空間正被人們廣泛的開發(fā)和利用。例如城市地下軌道交通的發(fā)展、地下商場、地下儲庫的建設(shè)等。其中地下LPG(液化石油氣)儲庫就是人們利用地下空間的又一嶄新領(lǐng)域。LPG地下儲庫是利用地下洞室及水封技術(shù)來儲存液化氣，具有安全、經(jīng)濟、儲量大的優(yōu)點［1］。

黃島LPG地下儲庫工程采用地下水封巖洞儲存LPG。主要包括15×104m3丙烷洞庫，埋深130m、35×104m3丁烷洞庫，埋深80m。儲庫洞室為寬15～18m，高26m，截面積為393.1m2的三心圓拱。

該庫址區(qū)巖體從總體評估上可滿足建設(shè)LPG洞庫“大跨度、高邊墻、不襯砌”［2］的工程要求。由于主洞室地質(zhì)條件復(fù)雜，需要對巖石塊體穩(wěn)定性進行分析。在LPG儲庫穩(wěn)定研究方面，我國專家學(xué)者對此方面的研究處于起步階段，王芝銀教授采用數(shù)值模擬的方法模擬試驗了石油洞庫群的優(yōu)化設(shè)計，為油庫的設(shè)計提供了參考依據(jù)［2］。段壓剛采用Ansys對洞庫斷面形狀進行了優(yōu)化，五心拱能更好的減小拱頂?shù)某两?，并對洞庫的間距做了探討［3］。Goodman采用赤平投影法分析了非連續(xù)巖體的穩(wěn)定問題，我國學(xué)者石根華提出了在赤平投影上判斷滑落體的方法，采用矢量代數(shù)數(shù)學(xué)分析法分析巖體的穩(wěn)定性，并與Goodman合作建立了塊體理論［4］。陳奇等根據(jù)地下水封油庫的工程特點，分析了此類工程地質(zhì)災(zāi)害類型，列舉了工程可能存在的現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害、施工期地質(zhì)災(zāi)害和運營期地質(zhì)災(zāi)害［5］。

本文采用赤平投影與塊體穩(wěn)定分析程序Unwedge分析了主要結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理，斷層與巖脈，預(yù)測了LPG主洞室潛在不穩(wěn)定塊體的特征，為分析洞室圍巖穩(wěn)定性和支護設(shè)計提供了主要理論依據(jù)。

1 庫區(qū)圍巖結(jié)構(gòu)面分析

1.1 節(jié)理面分析

通過庫區(qū)鉆孔資料與現(xiàn)場調(diào)查，節(jié)理面主要有兩種組成，均為平直粗糙節(jié)理，一種為張性節(jié)理，發(fā)育顯著，沒有任何充填物;一種為由充填物充填的節(jié)理。巖石節(jié)理的優(yōu)勢方向與隨機節(jié)理的產(chǎn)狀如表1，概率為該組節(jié)理在所有統(tǒng)計節(jié)理中所占的比例。使用赤平投影對節(jié)理面分析(圖1)。

圖1 節(jié)理走向赤平投影圖與玫瑰分布圖Fig.1 The stereogram and rosegram of fractures strike

表1 主要節(jié)理產(chǎn)狀Table 1 The character of main fractures

從節(jié)理的走向來看，節(jié)理大多呈東西走向發(fā)育，主要的節(jié)理J1為近東西走向。節(jié)理的傾角大都在40°以上，其最大傾角近垂直，結(jié)合LPG洞庫的設(shè)計，軸向為5°，近南北方向，頂?shù)壮仕较颉Ｔ谳S向及垂向上與節(jié)理的優(yōu)勢方向夾角較大，這有利于洞庫圍巖的穩(wěn)定，但節(jié)理結(jié)合其他結(jié)構(gòu)面，可能有不穩(wěn)定塊體的產(chǎn)生?？傮w而言，圍巖完整性較好，并且隨開挖深度的增加，圍巖的完整性越好。

1.2 斷層分析

庫區(qū)斷層主要有兩種，一為有明顯位移錯動，二為張性斷層，中間夾有破碎帶，寬度為1～1.5m剪切帶，由糜棱巖充填物密實，膠結(jié)穩(wěn)定。通過鉆孔資料與施工巷道統(tǒng)計的斷層剪切破碎帶情況，可以將斷層劃分為3組，分別為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3三組。F1組95°∠30°～ 85°;F2 組 55°∠55°～ 80°;F3 組 140°∠80°～90°。赤平投影分析見圖2。

圖2 斷層走向赤平投影圖與玫瑰分布圖Fig.2 The stereogram and rosegram of fault strike

在局部斷層寬度較大，中間夾層較為破碎，為剪切破碎帶。在交通巷道中，存在一些剪切破碎帶，斷層影響寬度為1～1.5m，中間為破碎巖石。施工中，剪切破碎帶表現(xiàn)穩(wěn)定，破碎巖塊膠結(jié)在一起。

1.3 巖脈分析

脈巖侵入可分早、晚兩期，早期多沿白崗巖近東西向斷裂侵入(NE70°～SE100°)呈巖墻狀，分布較規(guī)律;晚期巖脈以中基性為主，分布規(guī)律差，常常穿插白崗巖和早期巖脈。早期巖脈有花崗斑巖、石英正長斑巖;晚期巖脈多為中基性，如閃長玢巖、輝綠玢巖、二長巖、球粒狀正長斑巖等。巖脈產(chǎn)狀:①60°∠77°，0.35m;②105°∠40°，0.40m;③100°∠50°，0.40m;④90°∠60°，0.20m;⑤96°∠55°，0.10 ～ 0.20m;⑥100°∠65°，2～3m。巖脈走向赤平投影見圖3。

圖3 巖脈走向赤平投影圖與玫瑰分布圖Fig.3 The stereogram and rosegram of veins strike

可以看出，巖脈的走向與儲庫的軸線方向夾角較大，近90°，這有利于洞庫圍巖的穩(wěn)定。但由于巖脈延伸較長，與附近節(jié)理或剪切破碎帶相結(jié)合，其可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定塊體也需要做好分析預(yù)測。巖脈的穿插發(fā)育，增加了圍巖中的弱結(jié)構(gòu)面，增強了洞庫圍巖的滲透性，這有利于水密封的形成。

2 塊體穩(wěn)定性分析

地下工程穩(wěn)定性不僅指在施工完畢的短時間內(nèi)穩(wěn)定，而對某些工程要求長期穩(wěn)定［6-9］。常用的穩(wěn)定性評價方法主要包括定性經(jīng)驗類比法、安全系數(shù)法、解析分析法、數(shù)值模擬法等。本文采用塊體分析法，利用Unwedge軟件對洞庫結(jié)構(gòu)面形成的塊體進行穩(wěn)定性分析。

Unwedge［10］是加拿大Hoek等根據(jù)石根華塊體理論開發(fā)的，分析堅硬巖體中開挖所形成的塊體穩(wěn)定性軟件。Unwedge是一個適用于結(jié)構(gòu)不連續(xù)及地下開挖所形成的三維楔體穩(wěn)定性分析的交互式軟件，用于分析巖體中存在不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的地下開挖問題。Unwedge計算潛在不穩(wěn)定楔體的安全系數(shù)，并可對支護系統(tǒng)對楔體穩(wěn)定性的影響進行分析。

2.1 塊體理論

塊體理論［11］是一種結(jié)構(gòu)分析方法，借助于拓撲學(xué)、集合論、幾何學(xué)和矢量代數(shù)學(xué)建立的。塊體理論假定結(jié)構(gòu)面為平面，不考慮巖塊本身的強度破壞，結(jié)構(gòu)體為剛體，失穩(wěn)的巖塊在各種條件下沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移［12］。塊體分析主要有作圖法與矢量運算法。

2.2 關(guān)鍵塊體的判別方法

對于計算所得的凈滑動力F，若F＞0，則塊體為關(guān)鍵塊體，必須加以錨固。反之F＜0，則塊體為可能失穩(wěn)的塊體。

2.3 主洞庫不穩(wěn)定塊體分析

該洞室水平延伸，走向由北向南，洞室斷面寬7m，邊墻垂高26m，長度為302～336m。洞室圍巖主要受4組優(yōu)勢節(jié)理影響。節(jié)理面產(chǎn)狀如表2所示，傾角普遍較陡，大于45°或近垂直方向，走向傾向于東西方向，與洞庫的主軸方向相垂直。

巖體洞室開挖卸荷后，在工程作用力和自重作用下，首先失穩(wěn)運動的塊體稱為“關(guān)鍵塊體”［13］。關(guān)鍵塊體的判別是通過力學(xué)分析從可動塊體中找出。力學(xué)分析是依據(jù)作用于可動塊體上的力的平衡方程計算在不同運動形式下塊體的凈滑動力值F。當其剩余下滑力大于零時，該塊體為關(guān)鍵塊體;反之，為穩(wěn)定塊體。

表2 優(yōu)勢節(jié)理發(fā)育產(chǎn)狀Table 2 The characters of dominant fractures

(1)脫離巖體運動

(2)沿單面滑動

式中:φi—裂隙面i的內(nèi)摩擦角。

(3)沿雙面滑動

假定巖體密度為2.6t/m3;節(jié)理是二維連續(xù)的;節(jié)理特征可用Mohr-Coulomb準則描述，節(jié)理粘結(jié)力為0MPa，節(jié)理摩擦角分別為16°和30°;分析中忽略原始地應(yīng)力對楔形體穩(wěn)定性的實際影響;實際上楔形體是四面體，在Unwedge中由三個相交的不連續(xù)體界定;假設(shè)自動安全系數(shù)等于或大于1.5時的安全條件。從結(jié)果中，可預(yù)計最大楔形體8.63m，較大的楔形體為5m，其余都在0.2～1m范圍內(nèi)。隨機塊體分布見圖4，結(jié)果見表3、表4，圖5～圖7。

圖4 隨機塊體的幾何形狀及位置分布Fig.4 The location and form of random block

表3 隨機塊體的幾何尺寸及穩(wěn)定性Table 3 The stability and geometric dimensioning of random blocks

表4 主洞塊體穩(wěn)定性分析成果表Table 4 The main carern block stability

圖5 節(jié)理組J1-J2-J4形成的楔形體Fig.5 Wedge formed by J1-J2-J4 sets

圖6 節(jié)理組J2-J3-J4形成的楔形體Fig.6 Wedge formed by J2-J3-J4 sets

分析結(jié)果表明，發(fā)生大型不穩(wěn)定楔形體的關(guān)鍵地區(qū)是洞庫拱腰和側(cè)墻。如果不進行支護，預(yù)計這些地點的楔形體會很大而且不穩(wěn)定。

圖7 節(jié)理組J4-R1-R2形成的楔形體Fig.7 Wedge formed by J4-R1-R2 sets

3 結(jié)論

(1)本文利用塊體理論對洞庫區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢節(jié)理組合可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定塊體進行了分析，分析表明，在洞庫的拱頂只有少量不穩(wěn)定塊體產(chǎn)生，在J2-J3-J4節(jié)理組合的洞冠和側(cè)墻產(chǎn)生較大不穩(wěn)定塊體，在開挖時做好地質(zhì)素描及支護工作。

(2)通過采用巖石塊體理論對主洞室節(jié)理面分析，表明在主洞開挖的過程中有形成潛在楔形塊體的可能，在開挖中要做好圍巖監(jiān)測，合理臺階開挖順序，及時支護，必要時采用錨索等支護手段。

(3)Unwedge沒有考慮到地應(yīng)力場及水的影響，只能粗糙的進行塊體穩(wěn)定性的評價。在使用中應(yīng)有其他的軟件協(xié)同分析相互印證補充。

［1］袁廣祥，尚彥軍，史永躍，等.與地下石油儲備庫有關(guān)工程地質(zhì)問題研究現(xiàn)狀和對策［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2006，14(6):792-800.YUAN Guangxiang，SHANG Yanjun，SHI Yongyue，et al.Engineering geological issues and measures for storage of oil and gas in underground rock caverns［J］.Journal of Engineering Geology，2006，14(6):792-800.

［2］王芝銀，郭書太，李云鵬，等.地下儲油巖洞數(shù)值模擬的正交試驗設(shè)計［J］.油氣儲運，2006，25(9):33-35.WANG Zhiyin，GUO Shutai， LIYunpeng，etal.Orthogonal experimental design of numerical simulation for underground petroleum storage caverns［J］.Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2006，25(9):33-35.

［3］段亞剛.地下大型儲備庫洞室斷面形狀優(yōu)化及合理間距研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2007.DUAN Yagang.Optimization ofcrosssectionsand distance oflargeunderground storagecavern［D］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2007.

［4］Goodman R E，Shi G..Block theory and its application to rock engineering［M］.Englewood cliffs:Prentice Hall，1985.

［5］陳奇，武強，李俊彥.地下水封石洞油庫地質(zhì)災(zāi)害危險性評估—以山東某地下水封石洞油庫工程為例［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2006，17(4):138-141.CHEN Qi，WU Qiang，LI Junyan.Some problems of geologic hazard evaluation for underground water-sealed oil storage cave—Taking an oil storage cave in Shandong Province for example［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2006，17(4):138-141.

［6］周維垣.高等巖石力學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，1990:106-107.ZHOU Weiyuan.Higher rock mechanics［M］.Beijing:China Water Conservancy and Hydropower Press，1990:106-107.

［7］胡夏嵩.低地應(yīng)力區(qū)地下洞室圍巖穩(wěn)定性研究［D］.西安:長安大學(xué)，2002.HU Xiasong.The study ofstability evaluation of surrounding rockmass of underground excavation in the region with low rock stress［D］.Xi'an:Chang'an University，2002.

［8］黃達.大型地下洞室開挖圍巖卸荷變形機理及其穩(wěn)定性研究［D］.成都:成都理工大學(xué)，2007.HUANG Da.Study on unloading deformation mechanism and stability of excavating surrounding rock mass of large underground caverns［D］.Chengdu:Chengdu University of Technology，2007.

［9］李攀峰，張倬元.某大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分類研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報，2004，12(1):25-30.LI Panfeng，ZHANG Zhuoyuan，TAO Lianjin.Stability ranking system of rockmass surrounding a large-scale underground cavern group ［J］.Journal of Engineering Geology，2004，12(1):25-30.

［10］Unwedge User’s Guide.3D visualization of potentially unstable wedges in the rock surrounding underground excavations and calculation of factors of safety and support requirements for these wedges，1992 - 1999 Rocscience，Inc.

［11］劉錦華，呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［M］.北京:水利電力出版社，1986:9-54.LIU Jinghua，LU Zuhang.Block theoryand it’s application to stability analysis of engineering rockmass［M］.Beijing:Waterpower Press，1986:9-54.

［12］李華曄.地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.LI Huaye.Stability analysis of underground cavern［M］.Beijing:China Waterpower Press，1999.

［13］張華奇，鄔愛清，石根華.關(guān)鍵塊體理論在百色水利樞紐地下廠房巖體穩(wěn)定分析中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(15):2609-2614.ZHANG Huaqi， WU Aiqing， SHIGenhua.The application of key block theory in Baise waterpower underground plant［J］.Rock Mechanics and Engineering，2004，23(15):2609-2614.