地下水封石油储备库洞室间距及数值分析胡谋鹏中国石油天然气

地下水封石油储备库洞室间距及数值分析胡谋鹏（中国石油天然气管道工程有限公司）摘要：地下石油储备库一般是由若干相互平行的洞室所构成的洞室体系，这样在设计规划时就必须考虑不同洞室间的间距问题。本文根据有关文献资料提出了水封洞库洞室间距的确定依据。并采用通用有限元软件PLAXIS分析了不同间距的洞室开挖后围岩应力分布，以此来印证各种洞室间距的确定依据的合理性。关键词：水封洞库洞室间距PLAXISNumericalAndDistanceAnalysisOfUndergroundWater-sealedOilStorageinRockCavernHUMou-peng(ChinaPetroleumPipelineEngineeringCorporation,Langfang065000,China)Abstract:Water-sealedOilStorageinRockCaverniscomposedofseveralsinglecavern.Duringschemeandfeasibilitystudy,wemusttakeintoaccountdistancebetweenbothcavern.Inthispaper,accordingtomanydocumentandthesis,authorproposethebasisofdetermingdiatancebetweenbothcavern.Atthesametime,authoranalyzestressdistributionofcavernsurroundingrockindifferentdistance,bymeansofnumericalanalysisauthordemonstraterationalityaboutcaverndiatance.Keywords：Water-sealedOilStorageinRockCavern;distanceofcavern;PLAXIS;1、地下水封石洞储油原理及工程简介地下水封岩洞储油技术是指在低于地下水位的岩体中由人工挖掘形成的一定形状和容积的洞室或者天然形成的地下岩石洞穴中储存各种石油产品的技术。地下岩洞一般建设在较完整的岩体中，在地下岩层中，赋存于岩体裂隙中的地下水具有一定的压力，当裂隙中水的渗透压力大于储存介质压力时，所储介质不会从裂隙中渗出，因此利用岩洞周围的岩体和赋存于其中的裂隙水，组成密闭的容器，可以用来储存原油等。2、洞室间距的分析地下石油储备库一般是由若干相互平行的洞室所构成的洞室体系，这样在设计规划时就必须考虑不同洞室间的间距问题。一般地下平行洞室的净距，应根据工程地质条件、理置深度、开挖方式等因素确定。选择出合理净距，可以保证围岩稳定和施工及运营的安全，以及经济上的合理。洞室间距选择过大，会造成洞室群的选址难度增加，且易导致需要两组工作巷道或工作井过大而增加投资；而间距过小，平行洞室间相互影响过大，使得储备库洞室在施工以及运营期间发生危险，甚至产生整体破坏。因此，对储备库洞室间的合理间距进行优化，具有十分重要的意义。水封洞库洞室间距的确定依据一般来说都是根据工程类比得出，即参考以往的类似工程通过类比得出的，然后采用数值软件进行复核。现如今，根据作者参阅相关文献，得出地下水封石油洞库间距的确定依据大致有三种，分述如下：（1）2009年5月1日实施的国家标准，即《地下水封石油库设计规范》。本规范的第8.2.1节规定，相邻洞室的净间距宜为洞室宽度的1～2倍[1]；（2）根据法国著名的地下工程设计咨询公司GEOSTOCK的建议。根据该公司对辽宁某地下水封洞库所做的可研报告即《Undergroundlayoutdescription》[2]上建议的相邻洞室净间距为相邻两洞室宽度之和；（3）加拿大著名的岩石力学与岩石工程专家-E.Hoek，他在其著作即《PracticalRockEngineering》中建议的相邻洞室最小净间距为，两个洞室之中较高洞室的高度[3]。上述三种确定洞室间距的方法，总的说来都是经验总结、理论分析和数值分析的结果，在以后的同类工程中我们可以依据以上三条来初步确定相邻洞室的间距。下面就上述三种依据采用PLAXIS软件来分析洞室开挖后的相互影响程度。3、地下洞室间距的数值分析3.1工程简介本文所讨论的地下水封石油储备库位于辽宁省某处，该区域交通便利。选定库址的岩性为花岗岩，从整体来看，岩体呈块状～整体块状，结合程度好、无充填，岩体完整～较完整，适宜建地下库。图1某地下水封储油硐室断面(单位：m)3.2岩体参数的取值在数值分析中，很重要的一点就是如何正确的确定岩体的参数。在工程中用的最为广泛的参数确定方法就是Hoek-Brown经验参数准则，此准则不是本文讨论的重点，简要介绍一下Hoek-Brown经验参数准则公式[5]如下：(1)(2)(3)(4)(5)(6)式中：——完整岩石的抗压强度的评分值,与岩体结构有关，反应岩石的软硬程度；GSI——地质强度指数，表征岩体破碎程度以及岩块镶嵌结构，可查相关表格估算；D——岩体扰动系数，取值O～l，主要是考虑爆破破坏和应力松弛对节理岩体的扰动程度，未扰动的岩体D=0；——岩体的弹性模量；——完整岩石的单轴抗压强度；目前市面上大多数岩土工程软件都是依据Mohr—Coulomb破坏准则编写的，而Mohr-Coulomb准则中，岩体强度是通过粘聚力和内摩擦角表示。针对这种情况，Hoek于2002年也提出了相应的岩体强度估算方法。(7)(8)式中：，——侧限应力的上限值，对于给定的法向应力，剪切强度可由等效内摩擦角和粘聚力计算，即(9)Mohr-Coulomb准则中参数可以通过Rocscience大学的编辑的ROCLAB软件计算得到。因此，通过计算得到锦州水封洞库的岩体参数如下表：表1各岩层力学参数表岩层E(MPa)μc(MPa)(0)γ(MN/m3)(MPa)全风化层40000.2350.18290.02560.0003强风化层45000.1751.6470.02550.024中风化层80000.1792.0520.02620.074微风化层107000.2082.354.80.02630.114未风化层190000.222570.2933.3计算模型计算分三种工况。方案一，洞室间距取为1倍的洞宽；方案二，洞室间距取为洞高；方案三，洞室间距取为相邻洞室的洞宽之和。模型上下为自由边界，取埋深为56米，洞室外边墙到模型边界的距离为3倍洞宽，洞室底板到模型边界的距离也取3倍洞宽。不考虑构造应力，计算中只考虑自重力，洞室分三步开挖。3.4地下水封洞室的数值分析经过有限元软件PLAXIS分析，得出各方案在施工开挖后的应力、位移等值线图如下所示：图2方案一的主应力图3方案一的主应力图4方案二的主应力图5方案二的主应力图6方案三的主应力图7方案三的主应力从应力图中可以看出，当洞室的间距为1倍洞室宽度时，洞室间的岩柱的等值线有连通，说明相邻洞室开挖后有相互影响，但是影响很小；当洞室间距为洞室高度时，等值线场相互独立，说明两者的相互影响比较小，不过两者的等值线场距离比较近，但是相互间基本没有影响；当洞室间距为洞室为两倍洞室宽度之和时，洞室间的岩柱的等值线场互相独立，相隔也比较远，相互之间没有影响。4、结论⑴上述三种方案都是经验、理论和数值分析的总结，是地下水封石油储备库洞室间距取值的依据。⑵如果不考虑相邻两个洞室里的石油气互相串通，也不考虑洞室之间岩柱存在较发育的节理、裂隙、破碎带等时，上述三种建议方案都能满足要求，但是如果考虑这些因素，那么1倍的洞宽间距可能就不满足要求，此时需要详细论证。⑶虽然三种情况的都能满足稳定性要求。但是从场地规划和经济性角度来考虑，也不能无限制的增大洞室间距，洞室间距的最终确定必须在水文地质、工程地质、岩体稳定性、水封性和经济性等方面综合考虑的基础上得出。参考文献1、中国石油化工集团公司主编《地下水封石洞设计规范》第一版中国计划出版社2009年2月2、Geostock(法国）某地下水封油库初设报告《undergroundlayoutdescription》（JZU-K-J-0006）2010年2月3、EvertHoek实用岩石工程技术[M]刘丰收，崔志芳，王学潮等译,郑州：黄河