开挖后储气库受力状态分析

黄康康  郑直

1.机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043，2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安 710061

摘 要：本文采用MIDAS GTS数值模拟软件建立地下储气库模型，分别计算不同埋深、洞径储气库开挖后储气库围岩、衬砌结构的应力状态，得到开挖后当埋深一定时，洞径越大，开挖后围岩所受的压应力越大；当洞径一定时，开挖后围岩所受的压应力随埋深的增加而增大。衬砌的破坏均以张拉破坏为主，当埋深大于100m时，洞径为18m及埋深大于等于400m时，洞径为12m时的洞室衬砌均产生了张拉破坏。

关键词：储气库；围岩；衬砌；有限元法

1引言

压气储能是一种可大规模储存电力能源的技术，其原理是，在用电低谷时，利用多余电能驱动压缩机将空气压缩储存起来，在用电高峰期时，释放气体发电[1]。建造地下储气库可利用废弃盐腔、矿洞、溶洞、地下含水层及人工开挖的洞室，前四种储气库，经济性较高，但均依靠特定的地质构造，受限较大，而人工开挖的洞室，为需要建设储气库而无特定地质构造的地区提供了可能性，并且硬岩地下储气库在我国具有广大的发展前景[2]。

目前国内外关于硬岩储气库开展了部分研究，蒋忠明[3]等通过对各种地下储气库的对比分析，得到了储气库截面形式、埋深、下限压力与围岩参数的影响规律。Kim[4]等从储气库的泄漏及能量损失的角度研究了浅埋储气库的稳定性，得到储气库埋深为100m时，安全运行压力在5MPa~8MPa，论证了浅埋储气库的可行性。夏才初[5]等研究了10MPa内压时，不同形式洞室围岩的受力与变形特征，得到了圆形洞室与大罐型洞室在300m埋深时，稳定性较好。本文通过MIDAS/GTS数值模拟软件计算当围岩等级为Ⅱ级，衬砌为厚50cm的C35混凝土时，不同洞径及不同埋深对储气库稳定性的影响规律，为地下储气库洞室设计提供参考。

2  数值模型及计算过程

2.1数值模型

采用MIDAS/GTS软件建模进行数值模拟试验，洞室衬砌为C35混凝土，衬砌厚度为50cm。洞室距离左、右、下、前、后边界距离大于3倍洞径，距上边界根据设置埋深决定。隧道长度设置为100m，开挖步设置为2m，地表为自由边界，对左、右边界施加X方向的位移约束，对前后边界施加Y方向的位移约束，对下边界施加X、Y、Z方向的位移约束。。洞径设置为6m、12m、18m，埋深设置为100m、200m、300m、400m、500m。

2.2 材料参数

模型中假定围岩各向同性，为理想弹塑性材料，服从摩尔-库仑屈服准则，围岩等级为Ⅱ级，围岩参数参照（夏才初等，2014）。衬砌采用C35混凝土，假定为弹性材料，衬砌材料参数参照《水工隧洞设计规范》(DL/T5195-2004)选取。

2.3 计算过程

计算工况：第一步，初始地应力平衡，位移清零；第二步，洞室开挖，每步开挖2m，钝化开挖网格组、衬砌网格组；第三步，施做衬砌，激活衬砌网格组，并修改属性为衬砌材料，循环第二步第三步，直至开挖完成。

3  计算结果及讨论

各工况下，洞室开挖完后，围岩应力分布形式基本相同。以埋深100m为例，不同洞径下围岩均处于受压状态，且拱腰处压应力大于拱顶处。当埋深一定时，洞径越大，开挖后围岩所受的压应力越大；当洞径一定时，开挖后围岩所受的压应力随埋深的增加而增大。对于埋深为500m，洞径为18m的洞室，开挖后围岩受到的最大压应力值为29.52MPa，未超过围岩的抗压强度。

不同工况下，开挖后衬砌内部应力分布基本相同。以埋深100m为例，在拱顶、拱底处，衬砌处于受拉状态，在拱腰处衬砌处于受压状态。当洞径为6m时，衬砌最大拉应力为0.55MPa，最大压应力为6.88MPa；当洞径为12m时，衬砌最大拉应力为0.64MPa，最大压应力为8.99MPa；当洞径为18m时，衬砌最大拉应力为2.21MPa，最大压应力为3.74MPa。通过分析可知，在不同埋深、洞径下，洞室内部衬砌受到的最大压应力规律与围岩相同，但衬砌受到的最大压应力高于围岩。对于洞径为18m，埋深分别为200m、300m、400m、500m的洞室，衬砌内部最大拉应力分别为11.65MPa、16.95MPa、22.41MPa、27.49MPa，对于洞径为12m，埋深分别为400m、500m的洞室，衬砌内部最大拉应力分别为2.43MPa、3.04MPa，而衬砌的抗拉强度为2.25MPa，表明在上述工况下，衬砌均会发生张拉破坏。

4  结论

开挖阶段当埋深一定时，洞径越大，开挖后围岩所受的压应力越大；当洞径一定时，开挖后围岩所受的压应力随埋深的增加而增大。衬砌的破坏均以张拉破坏为主，当埋深大于100m时，洞径为18m及埋深大于等于400m时，洞径为12m时的洞室衬砌均产生了张拉破坏。

参考文献：

[1]李仲奎, 马芳平, 刘辉. 压气蓄能电站的地下工程问题及应用前景

[J].岩石力学与工程学报, 2003(S1):2121-2126.

[2]余耀, 孙华, 许俊斌, 曹晨霞, 林尧.压缩空气储能技术综述[J].装备机械, 2013(01):68-74.

[3]蒋中明, 唐栋, 李鹏, 李毅.压气储能地下储气库选型选址研究[J].南方能源建设, 2019,6(03):6-16.

[4] Hyung-Mok Kim,Jonny Rutqvist. Exploring the concept of compressed air energy storage (CAES) in lined rock caverns at shallow depth: A modeling study of air tightness and energy balance[J]. Applied Energy,2011,92.

[5] 夏才初,张平阳,周舒威,周瑜,王蕊.大规模压气储能洞室稳定性和洞周应变分析[J].岩土力学,2014,35(05):1391-1398.

作者简介：

第一作者：黄康康（1996-），男，河南周口人，硕士，助理工程师，

通讯作者：郑直（1999-），女，陕西西安人，学士，助理工程师，