地下水封洞庫巖體質(zhì)量分級體系研究

季惠彬，晏鄂川，宋 琨，王章瓊

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074;2.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070)

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國際環(huán)境的變化，我國在石油消費方面，對外依存度增加迅速，這將直接影響我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會穩(wěn)定。因此，大力發(fā)展石油儲備，是關(guān)系著國家政治、經(jīng)濟(jì)、軍事安全的重要因素。地下水封洞庫是20世紀(jì)70年代興起的一種地下儲油方式，具有造價低、安全隱蔽、運營管理費用低、節(jié)約土地、不污染環(huán)境和油耗量低等優(yōu)點，因此，成為石油儲備的重要形式。洞庫的工程巖體條件是洞庫建設(shè)中需重點關(guān)注的因素，對巖體質(zhì)量進(jìn)行分級是進(jìn)行洞庫支護(hù)方案確定、開挖方式選擇的必要前提。

工程巖體質(zhì)量分級的研究始于20世紀(jì)40年代，經(jīng)過幾十年大量學(xué)者的研究和發(fā)展，提出了多種分級方法，如Terzaghi分級體系［1］、Deere的RQD 分級體系［2］、Wickham 的RSR 分級體系［3］、Bieniawski的RMR 分級體系［4－5］、Barton 的Q 分級體系［6－7］、Hoek的GSI分級體系［8］和國標(biāo) BQ 分級體系［9］等。由于地下水封洞庫多為大跨度、高邊墻、不襯砌或少襯砌的地下洞室，建庫巖體多為質(zhì)量較好的花崗巖、花崗片麻巖等，采用常用的分級方法(RMR，Q和BQ)評價結(jié)果為90%以上的巖體質(zhì)量為II級及以上，且最多只能劃分出Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ3個等級。顯然，采用這3種分級方法，難以將地下水封洞庫圍巖質(zhì)量等級明顯地區(qū)分開來，顯得較為粗糙。而支護(hù)方案建議與巖體質(zhì)量等級是相對應(yīng)的，按現(xiàn)有巖體質(zhì)量等級來確定的支護(hù)方案，對于地下水封洞庫而言，肯能會大量出現(xiàn)過度支護(hù)或支護(hù)不足的現(xiàn)象。因此，有必要提出一種新的巖體質(zhì)量分級體系，以細(xì)化地下水封洞庫巖體質(zhì)量等級。

本文在分析了地下水封洞庫工程巖體特征和常用的巖體質(zhì)量評價方法對其評價的局限性的基礎(chǔ)上，針對影響地下水封洞庫圍巖穩(wěn)定性的主要因素，提出了適用于地下水封洞庫巖體質(zhì)量分級體系(UWCQ)，并應(yīng)用該分級體系進(jìn)行黃島地下水封洞庫工程的巖體質(zhì)量評價。

2 巖體質(zhì)量分級影響因素研究

巖體質(zhì)量分級是為工程建設(shè)服務(wù)，是為工程巖體的穩(wěn)定性和支護(hù)方案提供定性化建議，因此，對工程巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的各基本工程地質(zhì)要素都對巖體質(zhì)量的好壞產(chǎn)生影響。通過分析，將影響工程巖體質(zhì)量分級的因素歸納如下。

2.1 巖塊強(qiáng)度

巖塊是巖體的主要構(gòu)成部分，巖體的力學(xué)特性由巖塊強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面組合、結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度等因素共同決定。巖塊的抗壓強(qiáng)度是反映巖石力學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)之一，它在巖體工程分級及工程巖體穩(wěn)定性評價計算中都是極其重要的指標(biāo)。

2.2 巖體完整性

在工程實踐中，常用巖體質(zhì)量指標(biāo)(RQD)確定巖體完整性。該指標(biāo)統(tǒng)計簡單、意義明確，直接反映了巖體被結(jié)構(gòu)面切割破碎的程度，在諸多分級方法中被作為重要參數(shù)使用。

2.3 結(jié)構(gòu)面

結(jié)構(gòu)面是指在長期地質(zhì)歷史過程中形成的各種不連續(xù)面，其特征主要包括產(chǎn)狀、連續(xù)性(常用線連續(xù)性系數(shù)、跡長和連續(xù)性系數(shù)表示)、密度、形態(tài)(起伏形態(tài)、粗糙度)、張開度、充填膠結(jié)特征等。地下水封洞庫圍巖的結(jié)構(gòu)面決定了洞室圍巖的穩(wěn)定性及變形破壞模式，其形態(tài)和規(guī)模須保持在一定的范圍之內(nèi)，才能同時滿足洞室穩(wěn)定性及水封條件的要求。

2.4 地下水

地下水在地下水封洞庫中所起的作用具有雙重性。一方面，地下水的賦存情況反映了巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度，地下水越豐富，則巖體越破碎，巖體質(zhì)量越差，這必將對工程巖體的穩(wěn)定性造成威脅;另一方面，根據(jù)地下水封洞庫的工作原理，在儲存液化天然氣的過程中，須滿足水封條件，以保證液化氣不會汽化溢出，因此巖體當(dāng)中需要存在一定的地下水流動通道，即一定規(guī)模的結(jié)構(gòu)面。

2.5 地應(yīng)力

地應(yīng)力形成于長期的地質(zhì)歷史過程中，是巖體地質(zhì)環(huán)境的主要構(gòu)成部分。地應(yīng)力的大小、方向及分布特征，對工程建設(shè)具有重要意義。地下水封洞庫往往位于地質(zhì)構(gòu)造相對簡單、區(qū)域性斷裂不甚發(fā)育的地區(qū)，因此地應(yīng)力水平相對較低。

在確定巖體質(zhì)量分級體系的影響因素時，須遵循覆蓋全面、相互獨立、獲取簡易、重點突出的原則。上述5個影響因素較全面地涵蓋了影響巖體質(zhì)量的主要因素，在大多數(shù)分級方法中均有體現(xiàn)。

3 地下水封洞庫巖體質(zhì)量分級體系

3.1 地下水封洞庫圍巖特點及分級體系構(gòu)建基礎(chǔ)

地下水封洞庫對建庫的地質(zhì)環(huán)境要求極高，洞庫選址時多考慮巖體條件較好區(qū)域，因此，洞庫圍巖強(qiáng)度、完整性等條件通常較好。而且因洞庫建設(shè)需考慮水封條件的長期穩(wěn)定與巖體的滲透特性，故洞庫巖體對滲透特性有一定要求。

同時，地下水封洞庫，尤其是地下水封儲氣洞庫，為防止液態(tài)氣體的汽化進(jìn)而引起泄露，通常需要保持?jǐn)?shù)十年的蒸汽壓力。且在洞庫使用壽命期限內(nèi)，隨著庫存的輸出和補(bǔ)充，必然發(fā)生多次壓力的變化。圍巖的工程特點，必須能抵抗較大變幅的壓力影響，滿足在循環(huán)壓力作用下的長期穩(wěn)定性的要求。目前，國內(nèi)外有10余種巖體質(zhì)量分級體系，各分級體系都出自具體的行業(yè)、部門，因而對特定的領(lǐng)域具有較強(qiáng)的適用性，難以推廣到所有工程中。由于地下水封洞庫巖體的特殊性，上述巖體質(zhì)量分級方法應(yīng)用于該類工程時顯得過于粗糙和片面，無法滿足實際需要。

Q分級方法是目前國際上通用的巖體質(zhì)量分級方法之一，具有考慮因素較為全面、計算公式含義明確、分級支護(hù)方案詳細(xì)等優(yōu)點，本文擬以Q分級為基礎(chǔ)，結(jié)合地下水封洞庫圍巖巖體質(zhì)量普遍較高、運行期間要求水封條件等特點，對Q分級方法進(jìn)行一定的修正，構(gòu)建適用于地下水封洞庫圍巖巖體質(zhì)量評價體系。

同時需要指出的是，盡管Q分級方法考慮的影響因素較為全面，但巖體結(jié)構(gòu)特征、節(jié)理組數(shù)/間距、產(chǎn)狀與開挖軸線關(guān)系等對地下水封洞庫圍巖穩(wěn)定性影響較大的因素并未考慮到。RMR，BQ分級方法較全面地考慮了巖體完整性、優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀與洞室軸線關(guān)系等因素對質(zhì)量分級的影響，這在一定程度上可以彌補(bǔ)Q分級方法在這方面的不足。因此，在Q分級方法的基礎(chǔ)上，吸收RMR，BQ分級方法的部分優(yōu)點，可以建立適用于地下水封洞庫的圍巖質(zhì)量評價體系。

3.2 地下水封洞庫巖體質(zhì)量分級體系(UWCQ)

地下水封洞庫一般建在花崗巖地區(qū)，巖塊強(qiáng)度較高，巖體完整性較好，地應(yīng)力水平較低，這些因素對洞室穩(wěn)定性的影響差異并不顯著。但結(jié)構(gòu)面的空間分布、形態(tài)、力學(xué)特性，以及水的賦存條件等，對工程巖體的穩(wěn)定性及洞庫正常工作運行影響較大，因此，在影響因素權(quán)重的分配上，對這兩類因素予以重點考慮。根據(jù)地下水封洞庫圍巖穩(wěn)定性主要影響因素，提出如下巖體質(zhì)量等級計算公式:

式中:RQD為巖體質(zhì)量指標(biāo);Jd為節(jié)理分布情況系數(shù)(節(jié)理組數(shù)和密度);Jr為節(jié)理面粗糙度系數(shù);J0為優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀與洞室軸線關(guān)系系數(shù);Jw為裂隙水出露情況影響系數(shù);SRF為地應(yīng)力影響折減系數(shù);p為儲存壓力影響系數(shù)。

綜合考慮，本文提出以工程地質(zhì)特征基本相同，且洞室進(jìn)深≥10～20m的范圍作為評價區(qū)間。各參數(shù)的取值情況據(jù)表1至表7給出。

表1 RQD參數(shù)分類與取值范圍Table 1 Classification and value ranges of RQD

表2 Jd參數(shù)分類與取值范圍Table 2 Classification and value ranges of Jd

表3 Jr參數(shù)分類與取值范圍Table 3 Classification and value ranges of Jr

表4 Jo參數(shù)分類與取值范圍Table 4 Classification and value ranges of Jo

表5 Jw參數(shù)分類與取值范圍Table 5 Classification and value ranges of Jw

表6 SRF參數(shù)分類與取值范圍Table 6 Classification and value ranges of SRF

表7 p參數(shù)分類與取值范圍Table 7 Classification and value ranges of p

表8 UWCQ巖體質(zhì)量分級Table 8 UWCQ rock mass quality classifications

由上可知，據(jù)公式(1)及表1至表7可計算得到地下水封洞庫工程巖體質(zhì)量得分及其級別。為了細(xì)化巖體質(zhì)量等級，同時在形式上盡可能與Q系統(tǒng)分級保持一致，分別將Q系統(tǒng)分級中Ⅱ、Ⅲ級各進(jìn)一步分為2類:Ⅱ－1、Ⅱ－2;Ⅲ－1、Ⅲ－2。詳見表8。

該巖體質(zhì)量分級體系，充分考慮了巖石完整性、結(jié)構(gòu)面特征、地下水作用、地應(yīng)力方向、介質(zhì)壓力等與洞庫長期穩(wěn)定密切相關(guān)的因素，且指標(biāo)間較為獨立，關(guān)聯(lián)性不大;相應(yīng)的參數(shù)信息獲取容易，適用于地下水封洞庫圍巖質(zhì)量分級。

3.3 支護(hù)方案

巖體質(zhì)量分級的根本目的在于根據(jù)巖體質(zhì)量判斷圍巖可能發(fā)生的破壞模式，提出相應(yīng)合適的支護(hù)方案，因此，支護(hù)方案是巖體質(zhì)量分級應(yīng)用的核心。由于洞庫經(jīng)過選址，大部巖體質(zhì)量高、穩(wěn)定性好，支護(hù)方式多為注漿、噴射混凝土、掛網(wǎng)噴混凝土、隨機(jī)錨桿、系統(tǒng)錨桿，及其組合。

本分級體系中，確定支護(hù)方案時考慮的因素與Q系統(tǒng)分級體系有所不同，即除巖體質(zhì)量等級之外，著重考慮可能對地下水滲流狀態(tài)的改變。前期黃島等地下水封洞庫施工經(jīng)驗表明，出現(xiàn)地下水入滲情況時，如處理不當(dāng)，將會造成十分嚴(yán)重的后果(如地下水入滲流量較大時，采用錨桿支護(hù)，則可能導(dǎo)致入滲流量增大，其結(jié)果是疏干了局部地下水，洞庫在運行期中出現(xiàn)泄漏)，因此在建議支護(hù)方案時，要考慮盡量減少對天然條件的改變。

4 工程應(yīng)用

國家石油儲備黃島地下水封洞庫工程建設(shè)場地位于青島市，庫址區(qū)所在區(qū)域?qū)偃A北板塊與揚子板塊結(jié)合帶之膠(南)—威海造山帶，但次級斷裂均處于庫址區(qū)外圍，庫址區(qū)無無區(qū)域斷裂帶通過。庫址區(qū)屬低山丘陵地貌，庫址區(qū)出露的地層主要是晚元古界淺肉紅色—淺青灰色花崗片麻巖，細(xì)粒花崗片麻結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。洞庫最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力，方向為NWW向，優(yōu)勢方向為N73°W，水平主應(yīng)力數(shù)值在6～16MPa。庫址主要發(fā)育五組結(jié)構(gòu)面及一組緩傾角結(jié)構(gòu)面。

為了直觀地說明UWCQ分級方法在實際工程中如何使用，本文選取黃島地下水封洞庫某施工巷道開挖斷面(圖1)進(jìn)行圍巖質(zhì)量的UWCQ分級。為對各指標(biāo)均有涉及，選擇斷面的巖體情況較差。在所示開挖深度范圍內(nèi)，洞室左壁結(jié)構(gòu)面分布較密集，有巖脈通過，局部壁面潮濕。

根據(jù)鉆孔勘察資料，該區(qū)域該深度范圍內(nèi)，RQD值約80。優(yōu)勢節(jié)理組數(shù)為2組，且密度大于0.5條/m，節(jié)理分布情況系數(shù)Jd取7.0。根據(jù)現(xiàn)場描述，節(jié)理面平直光滑，節(jié)理面粗糙度系數(shù)Jr取1.5。優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀與洞室軸線夾角多數(shù)小于30°，多數(shù)節(jié)理傾角較大，優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀與洞室軸線關(guān)系系數(shù)Jo取12。區(qū)內(nèi)裂隙水僅引起小范圍壁面潮濕，裂隙水出露情況影響系數(shù)Jw取1.0。區(qū)內(nèi)巖體被多條巖脈穿插，已形成一定規(guī)模的破碎帶，但區(qū)內(nèi)地應(yīng)力屬中等地應(yīng)力，洞室埋深大于50m，因此地應(yīng)力影響折減系數(shù)SRF取1.5。儲油洞庫運行期間，液態(tài)石油對洞壁的壓力變化范圍小于1MPa，儲存壓力影響系數(shù)p取1.0。

根據(jù)UWCQ計算公式，得到UWCQ評價體系的巖體質(zhì)量分級結(jié)果為1.14，按照UWCQ分級方法，巖體質(zhì)量分級結(jié)果為Ⅲ－2。

圖1 黃島地下水封洞庫某施工巷道開挖地質(zhì)展示圖Fig.1 Sketch of the geology of construction roadway at Huangdao underground water-sealed cavern

根據(jù)分級結(jié)果，建議支護(hù)方案為(方案①):局部注漿+隨機(jī)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土(10cm混凝土)。若按Q分級體系，巖體質(zhì)量為III級，支護(hù)方案為(方案②):系統(tǒng)錨桿+掛網(wǎng)噴混凝土(12～15cm混凝土)。通過施工發(fā)現(xiàn)，若采用方案②，則會導(dǎo)致施工過程中地下水沿錨孔大量流出，涌水量增加，這對地下水封洞庫過程的水封效果影響較大，對洞庫工程的長期安全不利。采用方案①，施工過程涌水量既未增加，也未出現(xiàn)掉塊、較大變形等問題，保證了地下水封洞庫工程的長期安全性。

5 結(jié)論

(1)地下水封洞庫建設(shè)場地選擇性較大，巖體工程地質(zhì)條件較好，而現(xiàn)有的巖體質(zhì)量分級體系涵蓋了從最好的巖體到最差的巖體，且具有較強(qiáng)針對性，對評價地下水封洞庫巖體質(zhì)量存在局限性，不適應(yīng)洞庫建設(shè)的需要。

(2)結(jié)合地下水封洞庫巖體特點，在Q分級體系基礎(chǔ)上，建立UWCQ分級體系。該體系選取的計算參數(shù)含義明確，易于獲得，適合地下水封洞庫巖體特點和工程現(xiàn)場實際情況。

(3)通過工程應(yīng)用研究，證明UWCQ分級體系對評價地下水封洞庫巖體質(zhì)量是可行的，建議的支護(hù)方案能滿足工程需求。

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