地下水封石油洞庫安全監測技術初探★

馬 傳 彬

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

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·橋梁·隧道·

地下水封石油洞庫安全監測技術初探★

馬 傳 彬

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

針對地下水封石油洞庫變形場、應力場與滲流場復雜耦合結構及運行特點，列出了其對安全監測技術的特殊要求,并以地下洞室結構安全監測技術的發展歷程為主線，從宏觀角度提出了地下水封洞庫安全監測的研究方法和主要技術路線，有助于推動地下水封洞庫施工期和運行期的安全監測技術標準化建設。

隧洞工程，地下水封洞庫，安全監測技術，空間結構

地下水封原油洞庫(簡稱“水封洞庫”)是指在低于地下水位的巖體中由人工挖掘成的具有一定形狀和容積的用于儲存原油的洞室群[1]。其基本原理是利用地下水壓力比洞內介質壓力大，地下水往洞內滲透實現水封洞內介質。地下水封洞庫儲油的想法由瑞典人H·杰森在1939年提出[2]。20世紀40年代～70年代，瑞典、法國、芬蘭、挪威、美國、加拿大、韓國、日本及中東地區都將地下洞庫作為國家原油戰略儲備庫[3]。我國也于1977年在山東黃島設計建造了第一座總庫容為15×104m3的原油地下洞庫，20世紀80年代又在浙江象山建成了第一座容積為4 000 m3的地下成品油庫[4]。

與常見的地下工程如公路鐵路隧道、地下廠房、城市地鐵、礦山巷道等不同，地下水封洞庫是由儲油洞室、施工巷道、水幕巷道等組成的復雜空間洞室群系統，整個系統的各個單元處于多場多相介質共同作用中，存在地應力較高、圍巖地質條件較復雜、設計參數不確定性較強等特點，安全影響因素多。另一方面，地下水封洞庫利用洞室(群)周邊巖石裂隙水包裹油、氣，并形成一定的壓力差，使儲油無法向巖石外滲透，從而實現水封效果。因此，地下水封洞庫變形場、應力場和滲流場比一般洞室群更為復雜。

1 安全監測技術在地下洞室設計施工中的發展

1908年，蘇聯學者M·M·普羅托基雅可諾夫根據實地觀測，并通過一定試驗從散體靜力平衡條件提出了普氏山體壓力理論及計算方法[5]，開創了地下隧洞設計理論的先河。隨后，地層對結構受力變形的約束作用越來越引起人們的關注，假定抗力法和彈性地基梁法[6]也相繼產生。另一方面，伴隨巖土介質本構關系研究的進步與數值方法和計算機技術的發展，連續介質理論[7]曾一度得到了迅猛發展，并成為地下隧洞計算中較為完整的理論。但由于巖土介質和地質條件的復雜性，計算所需的輸入量(初始地應力、彈性模量、泊松比等)都有很大的不確定性，該方法的實用性也因此受到了一定程度的限制。

20世紀60年代初，奧地利學者布西維茲教授提出了新奧地利隧道施工方法[8]，在地下工程圍巖穩定理論研究方面產生了極其深遠的影響，很多專家學者開始從位移監測資料出發，研究關于如何確定合理的支護結構形式及其設置時間的收斂限制方法設計理論[9]。20世紀60年代末出現了考慮支護與圍巖共同作用的彈塑性理論解以及考慮圍巖節理、裂隙的計算解，流變理論也逐漸被引用到圍巖穩定性分析的研究中。近年來，一些學者在巖體本構關系模擬分析、圍巖流變與損傷、巖體滲流分析、支護控制理論、反饋分析與預測方法等方面進行了廣泛的研究，取得了豐碩的成果。

以上述研究成果為基礎，依靠現代信息化技術、計算機技術及施工機械化程度的迅猛發展，一種新的設計方法——地下隧洞的信息化設計和信息化施工方法[10,11]在近年來發展迅速，并越來越得到人們認可。其施工監測和信息化設計流程如圖1所示。

該方法以施工監測、力學計算以及經驗方法相結合為特點，通過在施工過程中布設實時監控系統，在現場圍巖的開挖及支護過程中獲得圍巖穩定性及支護設施的工作狀態信息，然后通過分析研究，將反映圍巖穩定性和支護作用的監測信息反饋于施工決策和支持系統，進而修正和確定新的開挖方案的支護參數。目前，該方法已在地下工程設計施工中有著舉足輕重的作用，也將成為未來信息化施工發展的必然趨勢。

2 國內外隧洞設計規范中安全監測要求及對比分析

2.1 鐵路與公路隧道施工技術規范[12,13]中監控量測要求及對比分析

鐵路和公路隧道安全監測的重點主要為施工期監控量測，其對應的行業規范分別為TB 10204—2002鐵路隧道施工規范和JTG F60—2009公路隧道施工技術規范，二者無論在隧道施工期監控量測方案的制定、必測項目和選測項目的選擇、不同類型測點量測頻率的確定等方面，還是在量測數據的分析、處理和反饋方面，都保持了很大的一致性。

1)監控量測方案的制定。二者均突出了監控量測方案制定的重要性，并強調了“根據現場情況及時調整和增加量測項目和內容”的必要性。結合自身工程施工特點和地質條件等因素，公路隧道施工期監控量測方案制定的主要對象為復合式襯砌和噴錨襯砌隧道。

2)必測項目和選測項目的選擇。兩規范在監測項目的選擇上雖各有側重，但均將觀測成果直觀明了、最能反映隧洞圍巖穩定性的洞內外觀察、拱頂下沉監測、周邊位移(凈空變化)監測、地表下沉監測四項作為必測項目，其他項目為選測項目。而被列為選測項目的其他項目均具有其適用條件。

3)各監測項目斷面間距、測點數量及量測頻率。在必測項目量測頻率確定方面，兩規范均分別按照位移速度、距開挖面距離將必測項目的量測頻率分級，且保持了較高的一致性；JTG F60—2009公路隧道施工技術規范對選測項目量測間隔時間進行了詳細的劃分。

4)量測數據的整理分析與反饋預測。兩規范均對量測數據的分析處理和反饋預測提出了較高的要求。其具體要求可大致歸納為分析處理、反饋預測、綜合判別三個方面。

2.2 水工隧洞設計規范[14,15]中安全監測要求及對比分析

根據行業規范要求及工程特點，國內水電和水利行政主管部門均組織同行業相關技術主導單位及科研院所編制了水工隧洞設計規范，分別為DL/T 5195—2004水工隧洞設計規范和SL 279—2002水工隧洞設計規范。通過對兩規范安全監測相關條文對比分析，歸納總結如下：

1)監測設計方面。除SL 279—2002水工隧洞設計規范將土洞監測設計作為一個獨立部分，專門進行論述外，兩規范在監測設計方面的相關規范條文要求基本保持一致。一方面，兩規范均給出了需設置原型安全監測的適用條件。另一方面，兩規范均將隧洞安全監測按洞外監測和洞內監測兩部分，對監測內容做出了相應規定。

2)監測儀器埋設方面。根據工程規模、地質條件、施工特點對隧洞安全監測優化設計的基礎上，兩規范均對監測儀器的埋設提出了具體要求。觀測儀器的布置宜結合水力學條件、工程地質及水文地質特征、設計的目的等確定。埋設的部位應便于檢修和施工安裝。觀測儀器和電纜的埋設應采取必要的保護措施，避免遭受破壞，影響觀測效果。

3)數據反饋方面。兩規范的條文說明中均明確指出，原型觀測資料反映運行期的實際工作狀態，對運行管理、預報事故、及時檢修、充分發揮工程效益、檢驗設計成果、總結經驗、不斷提高設計水平都有著十分重要的意義。

2.3 中日隧洞設計規范中安全監測要求及對比分析

目前，日本在山嶺隧道中具有權威性的規范就是由土木學會制定的《隧道標準示范書》(2006年版)(以下均簡稱為《示范書》)，即我們所謂的“隧道工程技術規范”。與我國現行的各類隧道設計(或施工)技術規范相比，其存在下述幾點差異：

1)觀察和量測項目分類差異。《示范書》把觀察和量測基本上分為兩大類，即：將圍巖和支護結構分別進行觀察量測。

2)觀察、量測結果利用上的差異。《示范書》中給出了利用的要求和評價。如圍巖性質的評價、圍巖動態的評價、支護健全度的評價以及襯砌澆筑時期的評價等。

3)觀察、量測結果的整理上的差異。《示范書》要求隧道竣工后需要把觀察、量測的數據整理好并記錄到專門的施工實績表中。

2.4 中美隧道設計規范安全監測內容分析對比

1997年，美國陸軍工程部隊對原《巖石中的隧道和立井設計規范》進行了修訂，該規范對全美境內的巖石中的隧道和立井設計均具有普遍約束性。

將其與國內現行隧道施工技術規范進行了對比分析可知：

1)二者在監測項目的選擇，必測項目的確定上，規范要求基本一致。

美規范中特別強調“目前來講，隧洞邊墻收斂變形監測是表征洞室穩定的最重要監測項目，同樣也是最容易實現的監測項目。與收斂變形相比，荷載變形、應變和應力等參數測量難度大，也不易分析”，并提出了“可根據工程實際情況確定各監測項目的優先級”的概念。

2)美規范要求“監測設計和現場儀器埋設應由熟悉工程設計的工程師和地質工作者執行”，并著重強調了安全監測各階段責任人落實的重要性。

3)兩規范均對監測數據的采集分析、反饋預警、儀器的維護均提出了較高的要求。

3 地下水封洞庫安全監測研究方法及技術路線

結合地下水封洞庫的自身結構特點及其特殊運行工作環境，以工程實際為依托，通過對地下水封洞庫結構特性的研究，以及結合我國已有的地下洞室監測設計技術經驗，研究并確定地下水封洞庫監測項目和監測設計方案，分析比選各監測儀器設備的性能，研究監測儀器安裝埋設施工工藝，分析和評估已有監測資料分析理論方法，建立系統的反映地下水封洞庫結構性狀的監測空間分析模型，確定監測預測模型以及明確監控指標擬定方法。

1)分析和研究地下洞室空間結構特點，以及監測項目和監測設計等關鍵監測技術；研究地下水封洞庫結構特點，以及各空間結構間的相互聯系，結合地下洞室關鍵監測技術、相關監測規程規范以及已有監測工程實際經驗，確定地下水封洞庫安全監測項目和監測設計總體布置方案，建立全面完善的監測設計方案。

系統的研究地下水封洞庫水封儲油原理、水封壓力以及庫區滲流場等特性，分析常規地下水封壓力監測的布置方案，并通過對現有水壓力監測手段的分析比較，形成完善的地下水封壓力監測系統，實時反映地下水封洞庫水封壓力狀況。

2)分析地下水封洞庫施工期和儲油期運行環境和條件，根據監測儀器設備工作環境，研究和分析國內和國外監測儀器的研究現狀和技術水平，以及差阻式和振弦式監測儀器的耐久性、穩定性等技術參數，通過對其性能和技術參數進行比選，確定穩定性好、可靠度高、精度高的監測儀器設備，建立一套完善的地下水封洞庫監測儀器選型方法。

3)根據選型結論對選定監測儀器的設計結構和性能進行分析，以及結合監測設計目的和原則，研究和探討監測儀器和電纜在地下水和原油中的物理或者化學反應，確定相應的監測設備和電纜保護措施，在相應的保護措施基礎上形成地下水封洞庫監測儀器安裝埋設工藝和技術要求。

4)根據地下水封洞庫空間結構復雜、監測手段多元化等特點，分析空間結構中的多個應力場、滲流場間的相互關系，并在充分調研國內外地下洞室安全監測已有成果的基礎上，深入分析地下水封儲油洞庫的結構和運行特點，以地下洞室結構分析理論和現代數學理論為技術支撐，系統分析和評估監測資料分析方法、監測空間分析模型、監控預測及監控指標擬定方法等監測系統理論，形成地下水封洞庫監測資料分析方法和監測系統理論。

4 結語

本文緊密結合地下水封洞庫的自身結構特點和運行特點，以地下洞室結構安全監測技術的發展歷程為主線，以目前國內外隧洞施工或設計規范中安全監測相關要求的對比分析為實踐依據，提出了地下水封洞庫安全監測的研究方法和主要技術路線，為推動地下水封洞庫施工期和運行期安全監測技術標準化進度提供可資借鑒的方法，并可為現行規范的補充完善提供依據。

[1] 王玉洲，代云清，安陌燕.地下水封巖洞儲油庫地下水控制[A].第二屆全國巖土與工程學術大會論文集[C].北京：科學出版社，2006.

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[3] 王芝銀，李云鵬，郭書太.大型地下儲油洞粘彈性穩定性分析[J].巖土力學，2005，26(11)：1705-1710.

[4] 楊 森，于連興，杜勝偉.洞庫作為國家原油儲備庫的可行性分析[J].油氣儲運，2004，23(7)：22-24.

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[12] TB 10204—2002，鐵路隧道施工規范[S].

[13] JTG F60—2009,公路隧道施工技術規范[S].

[14] DL/T 5195—2004，水工隧洞設計規范[S].

[15] SL 279—2002,水工隧洞設計規范[S].

Primary exploration for safety monitoring technology of underground crude oil storage caverns★

Ma Chuanbin

(Power-ChinaZhongnanEngineeringCorporation,Changsha410014,China)

s: In consideration of the fact that the underground crude oil storage caverns had the structural and operating feature of centralized distribution of deformation, stress and seepage field, the paper seek to list the special requirements for safety monitoring. While reviewing the development history of safety monitoring technology for general underground projects, research methods and main technical route were put forward. It will be some help for promoting groundwater sealing reservoir during construction period and safety monitoring technology standardization construction during the operation period.

tunnel engineering, underground crude oil storage caverns, safety monitoring technology, space structure

1009-6825(2017)13-0156-03

2017-02-24

馬傳彬(1986- )，男，碩士，工程師

TU714

A

★:中國水電顧問集團公司“地下水封洞庫施工期和運行期安全監測技術研究”(CHC-KJ-2010-13-05)科技項目