3 工程实例
3.1 工程概况
某地下水封储油洞库工程由地下工程和地上辅助设施两部分组成，地下工程主要由主洞室群、水幕系统、施工巷道以及相关连接巷道和竖井等组成，每组洞室之间由施工巷道连通。洞室群顶部设水幕系统，由注水巷道和水幕孔组成，覆盖整个洞库上方。施工巷道为设备、材料、弃渣的运输和通风、供电、给排水等提供通道。图2为某地下水封洞库布置图[12]。
图2 某地下水封洞库布置图
3.2 监测断面布置方案
根据地下洞室结构特点，由于施工巷道和水幕巷道结构尺寸相对较小，监测设计主要是为了确保施工期结构建筑物的安全，以及指导施工和优化设计，而主洞室结构跨度和高度均相对较大，因此，其安全、稳定的运行显得至关重要，必须尽早获取主洞室开挖过程的结构变化性状，实现实时监控和预测其结构变化情况。根据地下洞室结构理论力学研究，结构计算相对不稳定、不良地质段、断层穿过等位置是结构关注的重点部位，也是监测设计的重点位置。因此，监测断面设计必须保证既能从总体上把握整个库区结构稳定情况，又能在局部范围内监控和掌握重点关注部位以确保洞室安全状况。
根据上述分析，结合本工程结构受力及地质等相关情况，监测断面设计布置具体如下：
1) 为了及时获得主洞室结构围岩变形的初始变化性状，全局上所有主洞室围岩内部深层监测仪器必须从水幕巷道钻孔预埋，即本工程采用沿水幕巷道共布置3个横过各个储油洞室的观测断面。同时根据施工开挖具体地质情况，在结构计算相对不稳定、不良地质段、断层穿过等部位增加布设监测断面实现局部重点监控。
2) 根据本工程施工巷道结构布置特点，布置4个监测断面以实现总体上控制和了解结构变化性状，同时针对在每条施工巷道的不良地质段、断层穿过处等特殊部位增设监测断面，实现局部重点监控。
3) 在3条主要的横向水幕巷道内各布置2个观测断面以总体了解和掌握水幕巷道结构性状，同时在结构开挖过程中根据不良地质段或断层穿过处的情况适当增设监测断面。
3.3 监测项目设计
地下水封洞库监测设计主要包括围岩变形监测、支护结构应力应变监测、渗流监测、水封压力监测和水质分析监测等，其中施工巷道所有监测项目、主洞室和水幕巷道的支护结构应力应变监测、表面变形监测主要用于施工期监测，运行期间不再进行监测，而主洞室和水幕巷道围岩内部变形监测、水封压力监测、水质监测等需在运行期间实现永久监测，并接入监测自动化系统，实现自动化数据采集、管理与维护。
1） 围岩变形及支护结构应力应变监测
从布置形式上看，地下水封储油洞库与地下洞室群基本相似，由不同尺寸的地下洞室组成。根据围岩整体稳定特性可知，在开挖卸荷和爆破振动[10]的影响下将出现不同程度的围岩变形，情况严重时会发生围岩失稳现象[7]。
地下洞室群安全监测主要对围岩不同深度相对变形以及支护衬砌结构应力应变进行监测[12]，即洞室围岩变形监测、支护与混凝土衬砌结构监测等项目。地下水封储油洞库与地下洞室群结构相似，因此，地下水封储油洞库洞室群结构稳定监测主要为洞室围岩变形监测、接触变形、支护锚杆锚索以及衬砌结构应力应变监测等，其中主洞室的围岩深层变形监测采用水幕巷道内预先钻孔埋设，以便得到主洞室开挖的初始结构变形，图3为主洞室监测设计典型断面，图4为施工巷道监测设计典型断面。
图3 主洞室监测设计典型断面
图4 施工巷道监测设计典型断面
2） 储油水封压力监测[8]
根据本工程结构建筑物布置情况以及地质条件，在库区周边均匀布置地下水位监测孔，同时在洞室群顶部分监测断面布置地下水位监测孔，实时掌握整个库区地下水位变化情况。
除在库区周围以及洞室群顶部进行地下水封监控外，还在洞室群内部储油洞室范围内分层布置水封压力监测仪器，补充、检验和验证库区周边以及顶部地下水位监测数据，确保足够水封压力。
3）水质分析监测
2010年4月，美国墨西哥湾原油泄漏事件致使浮油向美国沿海及周边扩散，墨西哥湾沿岸生态环境遭受“灭顶之灾”，造成沿岸1000英里长的湿地和海滩被毁，渔业受损，脆弱的物种灭绝。2009年12月，中国中石油陕西华县地下输油管道发生泄漏事件，在渭河形成污染带进入黄河，造成黄河下游部分城市出现饮用水危机。
鉴于石油泄露事件会对生态和自然环境造成严重影响和破坏，因此，为了确保库区周边地下水及生态环境不被污染和破坏，必须对库区地下水进行水质监测。
根据本工程实际情况，在库区四周、周边一定范围内以及附近地下水汇流处设置水质分析监测设施，定期监测和分析地下水，确保周边地下水不被污染，生态环境不被破坏。
4）微震监测
在外力或温度等条件作用下，岩体结构内部将出现局部弹塑性能集中现象，当能量积聚到某一临界值时，就会引起岩体微裂隙的产生与扩展，微裂隙的产生与扩展伴随着弹性波应力波的释放并在周围岩体内快速传播。微震监测技术是利用微震监测传感器扑捉岩体结构扰动后本身发射出的弹性波来判断围岩稳定的方法，并通过对弹性波进行分析，反演确定岩体结构发生微震的时间，并准确定位微震事件发生的位置和判断微震的性质及能量大小[3]。
微震监测技术最早于上世纪初在南非约翰内斯堡金矿开采项目中用于监测诱发地震，随后波兰、美国、加拿大、日本和澳大利亚等国对微震监测技术进行了系统研究[3]，并将其成功应用于矿山[11]、核能、地下储油洞库、隧道工程[4]等领域。目前，我国在矿山行业对微震监测技术取得了一定的研究成果，但在其他行业的研究应用较少。
地下水封储油洞库由储油洞室、施工巷道以及水幕巷道等多条地下洞室组成，占地范围广，空间结构及地质条件复杂，各洞室结构尺寸、围岩支护形式也不尽相同，由于微震监测技术受众多因素影响和制约，监测数据处理和精度分析技术还需进一步研究[5]，因此，为了及时掌握库区围岩微裂隙变化情况，在库区均匀布设单轴加速度计和三轴加速度计，确保至少每4支传感器形成有效微震事件采集空间，通过分析和研究微震事件来补充、验证围岩变形及支护结构分析结论，同时为微震监测技术研究收集科学数据。
5）监测自动化系统
根据监测设计要求，主洞室和水幕巷道内所有围岩内部变形监测仪器、水封压力监测仪器均需接入自动化系统实现永久监测，其中围岩内部变形监测仪器和地下洞室内安装的水封压力监测仪器必须在水幕巷道内集中然后引至地面观测站，本工程根据实际情况采用钻孔方式将水幕巷道内的仪器电缆集中引至地面观测站，同时每个周边地下水位观测孔内附近设置一个观测站，采用光纤通讯，并结合周边视频监控系统和地下水封洞库自控专业电缆沟槽布设。所有观测站采用光纤通讯并最终进入中控室实现自动化监测。
3.4监测仪器设备选型
安全监测作为保证地下水封储油洞库施工及储油期安全的重要手段，选择适合的监测仪器设备是关系整个地下水封储油洞库能否安全、健康、稳定的运行，并充分发挥其综合效益的关键。监测仪器设备选型是一项复杂而细致的工作，除了应考虑监测仪器的先进性、可靠性及经济性外，还要结合具体监测对象的特殊性、运行工况以及施工特点等因素进行系统研究和比选。
目前，监测仪器主要分为差阻式监测仪器和振弦式监测仪器两类，且均已经在工程实例应用得到广泛的验证，能够在潮湿、封闭等环境中稳定的工作，因此，两种类型的监测仪器均适用于本工程条件。但根据本工程的具体情况，支护结构应力应变监测主要用于施工期监测，施工期结束后将进行封存，由于差阻式监测仪器相对于振弦式监测仪器价格较为便宜，且精度、稳定性基本一致，因此，综合考虑本工程对于施工期的支护结构应力应变监测采用差阻式监测仪器。
由于差阻式监测仪器的监测效果受电缆长度的影响，且其性能指标、分辩率、灵敏度等方面相对于振弦式监测仪器较差，因此，为了确保本工程长期稳定、健康、安全的运行，用于运行期间监测的仪器设备必须采用振弦式监测仪器。
4 结论
（1）通过分析可知，地下水封储油洞库主要包括围岩变形及支护结构应力应变监测、储油水封压力监测、水质分析监测以及微震监测等项目。
（2）监测断面应选择布设在结构计算相对不稳定、不良地质段、断层穿过等典型位置，同时还应在附近地质条件较好的位置布设监测断面，对比分析其对围岩结构的不同影响程度。
（3）微震监测技术还需进一步研究，本工程可考虑布置微震传感器，补充、验证其他监测手段，同时为推动微震监测技术的研究提供科学数据。
（4） 综合考虑监测仪器的性能指标、稳定性以及价格等因素，并结合长期工程实际应用情况，施工期支护结构应力应变监测选用差阻式监测仪器，运行期间的监测仪器采用振弦式监测仪器。
参考文献
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