3 工程實例
3.1 工程概況
某地下水封儲油洞庫工程由地下工程和地上輔助設施兩部分組成，地下工程主要由主洞室群、水幕系統、施工巷道以及相關連接巷道和豎井等組成，每組洞室之間由施工巷道連通。洞室群頂部設水幕系統，由注水巷道和水幕孔組成，覆蓋整個洞庫上方。施工巷道為設備、材料、棄渣的運輸和通風、供電、給排水等提供通道。圖2為某地下水封洞庫布置圖[12]。
圖2 某地下水封洞庫布置圖
3.2 監測斷面布置方案
根據地下洞室結構特點，由于施工巷道和水幕巷道結構尺寸相對較小，監測設計主要是為了確保施工期結構建筑物的安全，以及指導施工和優化設計，而主洞室結構跨度和高度均相對較大，因此，其安全、穩定的運行顯得至關重要，必須盡早獲取主洞室開挖過程的結構變化性狀，實現實時監控和預測其結構變化情況。根據地下洞室結構理論力學研究，結構計算相對不穩定、不良地質段、斷層穿過等位置是結構關注的重點部位，也是監測設計的重點位置。因此，監測斷面設計必須保證既能從總體上把握整個庫區結構穩定情況，又能在局部范圍內監控和掌握重點關注部位以確保洞室安全狀況。
根據上述分析，結合本工程結構受力及地質等相關情況，監測斷面設計布置具體如下：
1) 為了及時獲得主洞室結構圍巖變形的初始變化性狀，全局上所有主洞室圍巖內部深層監測儀器必須從水幕巷道鉆孔預埋，即本工程采用沿水幕巷道共布置3個橫過各個儲油洞室的觀測斷面。同時根據施工開挖具體地質情況，在結構計算相對不穩定、不良地質段、斷層穿過等部位增加布設監測斷面實現局部重點監控。
2) 根據本工程施工巷道結構布置特點，布置4個監測斷面以實現總體上控制和了解結構變化性狀，同時針對在每條施工巷道的不良地質段、斷層穿過處等特殊部位增設監測斷面，實現局部重點監控。
3) 在3條主要的橫向水幕巷道內各布置2個觀測斷面以總體了解和掌握水幕巷道結構性狀，同時在結構開挖過程中根據不良地質段或斷層穿過處的情況適當增設監測斷面。
3.3 監測項目設計
地下水封洞庫監測設計主要包括圍巖變形監測、支護結構應力應變監測、滲流監測、水封壓力監測和水質分析監測等，其中施工巷道所有監測項目、主洞室和水幕巷道的支護結構應力應變監測、表面變形監測主要用于施工期監測，運行期間不再進行監測，而主洞室和水幕巷道圍巖內部變形監測、水封壓力監測、水質監測等需在運行期間實現永久監測，并接入監測自動化系統，實現自動化數據采集、管理與維護。
1） 圍巖變形及支護結構應力應變監測
從布置形式上看，地下水封儲油洞庫與地下洞室群基本相似，由不同尺寸的地下洞室組成。根據圍巖整體穩定特性可知，在開挖卸荷和爆破振動[10]的影響下將出現不同程度的圍巖變形，情況嚴重時會發生圍巖失穩現象[7]。
地下洞室群安全監測主要對圍巖不同深度相對變形以及支護襯砌結構應力應變進行監測[12]，即洞室圍巖變形監測、支護與混凝土襯砌結構監測等項目。地下水封儲油洞庫與地下洞室群結構相似，因此，地下水封儲油洞庫洞室群結構穩定監測主要為洞室圍巖變形監測、接觸變形、支護錨桿錨索以及襯砌結構應力應變監測等，其中主洞室的圍巖深層變形監測采用水幕巷道內預先鉆孔埋設，以便得到主洞室開挖的初始結構變形，圖3為主洞室監測設計典型斷面，圖4為施工巷道監測設計典型斷面。
圖3 主洞室監測設計典型斷面
圖4 施工巷道監測設計典型斷面
2） 儲油水封壓力監測[8]
根據本工程結構建筑物布置情況以及地質條件，在庫區周邊均勻布置地下水位監測孔，同時在洞室群頂部分監測斷面布置地下水位監測孔，實時掌握整個庫區地下水位變化情況。
除在庫區周圍以及洞室群頂部進行地下水封監控外，還在洞室群內部儲油洞室范圍內分層布置水封壓力監測儀器，補充、檢驗和驗證庫區周邊以及頂部地下水位監測數據，確保足夠水封壓力。
3）水質分析監測
2010年4月，美國墨西哥灣原油泄漏事件致使浮油向美國沿海及周邊擴散，墨西哥灣沿岸生態環境遭受“滅頂之災”，造成沿岸1000英里長的濕地和海灘被毀，漁業受損，脆弱的物種滅絕。2009年12月，中國中石油陜西華縣地下輸油管道發生泄漏事件，在渭河形成污染帶進入黃河，造成黃河下游部分城市出現飲用水危機。
鑒于石油泄露事件會對生態和自然環境造成嚴重影響和破壞，因此，為了確保庫區周邊地下水及生態環境不被污染和破壞，必須對庫區地下水進行水質監測。
根據本工程實際情況，在庫區四周、周邊一定范圍內以及附近地下水匯流處設置水質分析監測設施，定期監測和分析地下水，確保周邊地下水不被污染，生態環境不被破壞。
4）微震監測
在外力或溫度等條件作用下，巖體結構內部將出現局部彈塑性能集中現象，當能量積聚到某一臨界值時，就會引起巖體微裂隙的產生與擴展，微裂隙的產生與擴展伴隨著彈性波應力波的釋放并在周圍巖體內快速傳播。微震監測技術是利用微震監測傳感器撲捉巖體結構擾動后本身發射出的彈性波來判斷圍巖穩定的方法，并通過對彈性波進行分析，反演確定巖體結構發生微震的時間，并準確定位微震事件發生的位置和判斷微震的性質及能量大小[3]。
微震監測技術最早于上世紀初在南非約翰內斯堡金礦開采項目中用于監測誘發地震，隨后波蘭、美國、加拿大、日本和澳大利亞等國對微震監測技術進行了系統研究[3]，并將其成功應用于礦山[11]、核能、地下儲油洞庫、隧道工程[4]等領域。目前，我國在礦山行業對微震監測技術取得了一定的研究成果，但在其他行業的研究應用較少。
地下水封儲油洞庫由儲油洞室、施工巷道以及水幕巷道等多條地下洞室組成，占地范圍廣，空間結構及地質條件復雜，各洞室結構尺寸、圍巖支護形式也不盡相同，由于微震監測技術受眾多因素影響和制約，監測數據處理和精度分析技術還需進一步研究[5]，因此，為了及時掌握庫區圍巖微裂隙變化情況，在庫區均勻布設單軸加速度計和三軸加速度計，確保至少每4支傳感器形成有效微震事件采集空間，通過分析和研究微震事件來補充、驗證圍巖變形及支護結構分析結論，同時為微震監測技術研究收集科學數據。
5）監測自動化系統
根據監測設計要求，主洞室和水幕巷道內所有圍巖內部變形監測儀器、水封壓力監測儀器均需接入自動化系統實現永久監測，其中圍巖內部變形監測儀器和地下洞室內安裝的水封壓力監測儀器必須在水幕巷道內集中然后引至地面觀測站，本工程根據實際情況采用鉆孔方式將水幕巷道內的儀器電纜集中引至地面觀測站，同時每個周邊地下水位觀測孔內附近設置一個觀測站，采用光纖通訊，并結合周邊視頻監控系統和地下水封洞庫自控專業電纜溝槽布設。所有觀測站采用光纖通訊并最終進入中控室實現自動化監測。
3.4監測儀器設備選型
安全監測作為保證地下水封儲油洞庫施工及儲油期安全的重要手段，選擇適合的監測儀器設備是關系整個地下水封儲油洞庫能否安全、健康、穩定的運行，并充分發揮其綜合效益的關鍵。監測儀器設備選型是一項復雜而細致的工作，除了應考慮監測儀器的先進性、可靠性及經濟性外，還要結合具體監測對象的特殊性、運行工況以及施工特點等因素進行系統研究和比選。
目前，監測儀器主要分為差阻式監測儀器和振弦式監測儀器兩類，且均已經在工程實例應用得到廣泛的驗證，能夠在潮濕、封閉等環境中穩定的工作，因此，兩種類型的監測儀器均適用于本工程條件。但根據本工程的具體情況，支護結構應力應變監測主要用于施工期監測，施工期結束后將進行封存，由于差阻式監測儀器相對于振弦式監測儀器價格較為便宜，且精度、穩定性基本一致，因此，綜合考慮本工程對于施工期的支護結構應力應變監測采用差阻式監測儀器。
由于差阻式監測儀器的監測效果受電纜長度的影響，且其性能指標、分辯率、靈敏度等方面相對于振弦式監測儀器較差，因此，為了確保本工程長期穩定、健康、安全的運行，用于運行期間監測的儀器設備必須采用振弦式監測儀器。
4 結論
（1）通過分析可知，地下水封儲油洞庫主要包括圍巖變形及支護結構應力應變監測、儲油水封壓力監測、水質分析監測以及微震監測等項目。
（2）監測斷面應選擇布設在結構計算相對不穩定、不良地質段、斷層穿過等典型位置，同時還應在附近地質條件較好的位置布設監測斷面，對比分析其對圍巖結構的不同影響程度。
（3）微震監測技術還需進一步研究，本工程可考慮布置微震傳感器，補充、驗證其他監測手段，同時為推動微震監測技術的研究提供科學數據。
（4） 綜合考慮監測儀器的性能指標、穩定性以及價格等因素，并結合長期工程實際應用情況，施工期支護結構應力應變監測選用差阻式監測儀器，運行期間的監測儀器采用振弦式監測儀器。
參考文獻
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