馬 傳 彬

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)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(jiān)測技術(shù)初探★

馬 傳 彬

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)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(yīng)力場與滲流場復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)，列出了其對安全監(jiān)測技術(shù)的特殊要求,并以地下洞室結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程為主線，從宏觀角度提出了地下水封洞庫安全監(jiān)測的研究方法和主要技術(shù)路線，有助于推動地下水封洞庫施工期和運(yùn)行期的安全監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

隧洞工程，地下水封洞庫，安全監(jiān)測技術(shù)，空間結(jié)構(gòu)

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(nèi)介質(zhì)壓力大，地下水往洞內(nèi)滲透實(shí)現(xiàn)水封洞內(nèi)介質(zhì)。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(jì)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(qū)都將地下洞庫作為國家原油戰(zhàn)略儲備庫[3]。我國也于1977年在山東黃島設(shè)計(jì)建造了第一座總庫容為15×104m3的原油地下洞庫，20世紀(jì)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(fù)雜空間洞室群系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的各個單元處于多場多相介質(zhì)共同作用中，存在地應(yīng)力較高、圍巖地質(zhì)條件較復(fù)雜、設(shè)計(jì)參數(shù)不確定性較強(qiáng)等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)水封效果。因此，地下水封洞庫變形場、應(yīng)力場和滲流場比一般洞室群更為復(fù)雜。

1 安全監(jiān)測技術(shù)在地下洞室設(shè)計(jì)施工中的發(fā)展

1908年，蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn)·M·普羅托基雅可諾夫根據(jù)實(shí)地觀測，并通過一定試驗(yàn)從散體靜力平衡條件提出了普氏山體壓力理論及計(jì)算方法[5]，開創(chuàng)了地下隧洞設(shè)計(jì)理論的先河。隨后，地層對結(jié)構(gòu)受力變形的約束作用越來越引起人們的關(guān)注，假定抗力法和彈性地基梁法[6]也相繼產(chǎn)生。另一方面，伴隨巖土介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系研究的進(jìn)步與數(shù)值方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)介質(zhì)理論[7]曾一度得到了迅猛發(fā)展，并成為地下隧洞計(jì)算中較為完整的理論。但由于巖土介質(zhì)和地質(zhì)條件的復(fù)雜性，計(jì)算所需的輸入量(初始地應(yīng)力、彈性模量、泊松比等)都有很大的不確定性，該方法的實(shí)用性也因此受到了一定程度的限制。

20世紀(jì)60年代初，奧地利學(xué)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(wěn)定理論研究方面產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響，很多專家學(xué)者開始從位移監(jiān)測資料出發(fā)，研究關(guān)于如何確定合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及其設(shè)置時(shí)間的收斂限制方法設(shè)計(jì)理論[9]。20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)了考慮支護(hù)與圍巖共同作用的彈塑性理論解以及考慮圍巖節(jié)理、裂隙的計(jì)算解，流變理論也逐漸被引用到圍巖穩(wěn)定性分析的研究中。近年來，一些學(xué)者在巖體本構(gòu)關(guān)系模擬分析、圍巖流變與損傷、巖體滲流分析、支護(hù)控制理論、反饋分析與預(yù)測方法等方面進(jìn)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(chǔ)，依靠現(xiàn)代信息化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及施工機(jī)械化程度的迅猛發(fā)展，一種新的設(shè)計(jì)方法——地下隧洞的信息化設(shè)計(jì)和信息化施工方法[10,11]在近年來發(fā)展迅速，并越來越得到人們認(rèn)可。其施工監(jiān)測和信息化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

該方法以施工監(jiān)測、力學(xué)計(jì)算以及經(jīng)驗(yàn)方法相結(jié)合為特點(diǎn)，通過在施工過程中布設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在現(xiàn)場圍巖的開挖及支護(hù)過程中獲得圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)施的工作狀態(tài)信息，然后通過分析研究，將反映圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)作用的監(jiān)測信息反饋于施工決策和支持系統(tǒng)，進(jìn)而修正和確定新的開挖方案的支護(hù)參數(shù)。目前，該方法已在地下工程設(shè)計(jì)施工中有著舉足輕重的作用，也將成為未來信息化施工發(fā)展的必然趨勢。

2 國內(nèi)外隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中安全監(jiān)測要求及對比分析

2.1 鐵路與公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[12,13]中監(jiān)控量測要求及對比分析

鐵路和公路隧道安全監(jiān)測的重點(diǎn)主要為施工期監(jiān)控量測，其對應(yīng)的行業(yè)規(guī)范分別為TB 10204—2002鐵路隧道施工規(guī)范和JTG F60—2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范，二者無論在隧道施工期監(jiān)控量測方案的制定、必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目的選擇、不同類型測點(diǎn)量測頻率的確定等方面，還是在量測數(shù)據(jù)的分析、處理和反饋方面，都保持了很大的一致性。

1)監(jiān)控量測方案的制定。二者均突出了監(jiān)控量測方案制定的重要性，并強(qiáng)調(diào)了“根據(jù)現(xiàn)場情況及時(shí)調(diào)整和增加量測項(xiàng)目和內(nèi)容”的必要性。結(jié)合自身工程施工特點(diǎn)和地質(zhì)條件等因素，公路隧道施工期監(jiān)控量測方案制定的主要對象為復(fù)合式襯砌和噴錨襯砌隧道。

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

3)各監(jiān)測項(xiàng)目斷面間距、測點(diǎn)數(shù)量及量測頻率。在必測項(xiàng)目量測頻率確定方面，兩規(guī)范均分別按照位移速度、距開挖面距離將必測項(xiàng)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(shù)規(guī)范對選測項(xiàng)目量測間隔時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)的劃分。

4)量測數(shù)據(jù)的整理分析與反饋預(yù)測。兩規(guī)范均對量測數(shù)據(jù)的分析處理和反饋預(yù)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(yù)測、綜合判別三個方面。

2.2 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[14,15]中安全監(jiān)測要求及對比分析

根據(jù)行業(yè)規(guī)范要求及工程特點(diǎn)，國內(nèi)水電和水利行政主管部門均組織同行業(yè)相關(guān)技術(shù)主導(dǎo)單位及科研院所編制了水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范，分別為DL/T 5195—2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范和SL 279—2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范。通過對兩規(guī)范安全監(jiān)測相關(guān)條文對比分析，歸納總結(jié)如下：

1)監(jiān)測設(shè)計(jì)方面。除SL 279—2002水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范將土洞監(jiān)測設(shè)計(jì)作為一個獨(dú)立部分，專門進(jìn)行論述外，兩規(guī)范在監(jiān)測設(shè)計(jì)方面的相關(guān)規(guī)范條文要求基本保持一致。一方面，兩規(guī)范均給出了需設(shè)置原型安全監(jiān)測的適用條件。另一方面，兩規(guī)范均將隧洞安全監(jiān)測按洞外監(jiān)測和洞內(nèi)監(jiān)測兩部分，對監(jiān)測內(nèi)容做出了相應(yīng)規(guī)定。

2)監(jiān)測儀器埋設(shè)方面。根據(jù)工程規(guī)模、地質(zhì)條件、施工特點(diǎn)對隧洞安全監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，兩規(guī)范均對監(jiān)測儀器的埋設(shè)提出了具體要求。觀測儀器的布置宜結(jié)合水力學(xué)條件、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征、設(shè)計(jì)的目的等確定。埋設(shè)的部位應(yīng)便于檢修和施工安裝。觀測儀器和電纜的埋設(shè)應(yīng)采取必要的保護(hù)措施，避免遭受破壞，影響觀測效果。

3)數(shù)據(jù)反饋方面。兩規(guī)范的條文說明中均明確指出，原型觀測資料反映運(yùn)行期的實(shí)際工作狀態(tài)，對運(yùn)行管理、預(yù)報(bào)事故、及時(shí)檢修、充分發(fā)揮工程效益、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、不斷提高設(shè)計(jì)水平都有著十分重要的意義。

2.3 中日隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中安全監(jiān)測要求及對比分析

目前，日本在山嶺隧道中具有權(quán)威性的規(guī)范就是由土木學(xué)會制定的《隧道標(biāo)準(zhǔn)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(shù)規(guī)范”。與我國現(xiàn)行的各類隧道設(shè)計(jì)(或施工)技術(shù)規(guī)范相比，其存在下述幾點(diǎn)差異：

1)觀察和量測項(xiàng)目分類差異?！妒痉稌钒延^察和量測基本上分為兩大類，即：將圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行觀察量測。

2)觀察、量測結(jié)果利用上的差異?！妒痉稌分薪o出了利用的要求和評價(jià)。如圍巖性質(zhì)的評價(jià)、圍巖動態(tài)的評價(jià)、支護(hù)健全度的評價(jià)以及襯砌澆筑時(shí)期的評價(jià)等。

3)觀察、量測結(jié)果的整理上的差異?！妒痉稌芬笏淼揽⒐ず笮枰延^察、量測的數(shù)據(jù)整理好并記錄到專門的施工實(shí)績表中。

2.4 中美隧道設(shè)計(jì)規(guī)范安全監(jiān)測內(nèi)容分析對比

1997年，美國陸軍工程部隊(duì)對原《巖石中的隧道和立井設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了修訂，該規(guī)范對全美境內(nèi)的巖石中的隧道和立井設(shè)計(jì)均具有普遍約束性。

將其與國內(nèi)現(xiàn)行隧道施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了對比分析可知：

1)二者在監(jiān)測項(xiàng)目的選擇，必測項(xiàng)目的確定上，規(guī)范要求基本一致。

美規(guī)范中特別強(qiáng)調(diào)“目前來講，隧洞邊墻收斂變形監(jiān)測是表征洞室穩(wěn)定的最重要監(jiān)測項(xiàng)目，同樣也是最容易實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測項(xiàng)目。與收斂變形相比，荷載變形、應(yīng)變和應(yīng)力等參數(shù)測量難度大，也不易分析”，并提出了“可根據(jù)工程實(shí)際情況確定各監(jiān)測項(xiàng)目的優(yōu)先級”的概念。

2)美規(guī)范要求“監(jiān)測設(shè)計(jì)和現(xiàn)場儀器埋設(shè)應(yīng)由熟悉工程設(shè)計(jì)的工程師和地質(zhì)工作者執(zhí)行”，并著重強(qiáng)調(diào)了安全監(jiān)測各階段責(zé)任人落實(shí)的重要性。

3)兩規(guī)范均對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集分析、反饋預(yù)警、儀器的維護(hù)均提出了較高的要求。

3 地下水封洞庫安全監(jiān)測研究方法及技術(shù)路線

結(jié)合地下水封洞庫的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其特殊運(yùn)行工作環(huán)境，以工程實(shí)際為依托，通過對地下水封洞庫結(jié)構(gòu)特性的研究，以及結(jié)合我國已有的地下洞室監(jiān)測設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，研究并確定地下水封洞庫監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測設(shè)計(jì)方案，分析比選各監(jiān)測儀器設(shè)備的性能，研究監(jiān)測儀器安裝埋設(shè)施工工藝，分析和評估已有監(jiān)測資料分析理論方法，建立系統(tǒng)的反映地下水封洞庫結(jié)構(gòu)性狀的監(jiān)測空間分析模型，確定監(jiān)測預(yù)測模型以及明確監(jiān)控指標(biāo)擬定方法。

1)分析和研究地下洞室空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測設(shè)計(jì)等關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)；研究地下水封洞庫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及各空間結(jié)構(gòu)間的相互聯(lián)系，結(jié)合地下洞室關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)、相關(guān)監(jiān)測規(guī)程規(guī)范以及已有監(jiān)測工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定地下水封洞庫安全監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測設(shè)計(jì)總體布置方案，建立全面完善的監(jiān)測設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)的研究地下水封洞庫水封儲油原理、水封壓力以及庫區(qū)滲流場等特性，分析常規(guī)地下水封壓力監(jiān)測的布置方案，并通過對現(xiàn)有水壓力監(jiān)測手段的分析比較，形成完善的地下水封壓力監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)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(yùn)行環(huán)境和條件，根據(jù)監(jiān)測儀器設(shè)備工作環(huán)境，研究和分析國內(nèi)和國外監(jiān)測儀器的研究現(xiàn)狀和技術(shù)水平，以及差阻式和振弦式監(jiān)測儀器的耐久性、穩(wěn)定性等技術(shù)參數(shù)，通過對其性能和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比選，確定穩(wěn)定性好、可靠度高、精度高的監(jiān)測儀器設(shè)備，建立一套完善的地下水封洞庫監(jiān)測儀器選型方法。

3)根據(jù)選型結(jié)論對選定監(jiān)測儀器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行分析，以及結(jié)合監(jiān)測設(shè)計(jì)目的和原則，研究和探討監(jiān)測儀器和電纜在地下水和原油中的物理或者化學(xué)反應(yīng)，確定相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備和電纜保護(hù)措施，在相應(yīng)的保護(hù)措施基礎(chǔ)上形成地下水封洞庫監(jiān)測儀器安裝埋設(shè)工藝和技術(shù)要求。

4)根據(jù)地下水封洞庫空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、監(jiān)測手段多元化等特點(diǎn)，分析空間結(jié)構(gòu)中的多個應(yīng)力場、滲流場間的相互關(guān)系，并在充分調(diào)研國內(nèi)外地下洞室安全監(jiān)測已有成果的基礎(chǔ)上，深入分析地下水封儲油洞庫的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，以地下洞室結(jié)構(gòu)分析理論和現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論為技術(shù)支撐，系統(tǒng)分析和評估監(jiān)測資料分析方法、監(jiān)測空間分析模型、監(jiān)控預(yù)測及監(jiān)控指標(biāo)擬定方法等監(jiān)測系統(tǒng)理論，形成地下水封洞庫監(jiān)測資料分析方法和監(jiān)測系統(tǒng)理論。

4 結(jié)語

本文緊密結(jié)合地下水封洞庫的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行特點(diǎn)，以地下洞室結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展歷程為主線，以目前國內(nèi)外隧洞施工或設(shè)計(jì)規(guī)范中安全監(jiān)測相關(guān)要求的對比分析為實(shí)踐依據(jù)，提出了地下水封洞庫安全監(jiān)測的研究方法和主要技術(shù)路線，為推動地下水封洞庫施工期和運(yùn)行期安全監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)度提供可資借鑒的方法，并可為現(xiàn)行規(guī)范的補(bǔ)充完善提供依據(jù)。

[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(xué)術(shù)大會論文集[C].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2] 楊明舉，關(guān)寶樹，鐘新樵.水封式地下儲氣洞庫的應(yīng)用及研究[J].地下空間，2000，20(3)：171-175.

[3] 王芝銀，李云鵬，郭書太.大型地下儲油洞粘彈性穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，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(yùn)，2004，23(7)：22-24.

[5] 范文田.普氏山體壓力理論在隧道襯砌中的應(yīng)用——評現(xiàn)有教科書及隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范中的一個問題[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)通訊，1963(5):96-98.

[6] 孫 鈞，侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)[M].北京:北京科學(xué)出版社，1987.

[7] C. Truesdell.The Elements of continuum Mechanics, Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K; Soft cover reprint of the original 1st ed.1966.

[8] 涂光鈞，段繼華.新奧法及我國采用新奧法的建議[J].鐵道建筑，1980(10):65-67.

[9] 張志剛.隧道信息化設(shè)計(jì)與施工監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].長春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

[10] 王建宇.隧道施工監(jiān)測技術(shù)和信息化設(shè)計(jì)[J].中國鐵道科學(xué)，1987(11):13-14.

[11] 朱永全，景詩庭，張 清.時(shí)間序列分析在隧道施工監(jiān)測中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1996,12(15):353-359.

[12] TB 10204—2002，鐵路隧道施工規(guī)范[S].

[13] JTG F60—2009,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[14] DL/T 5195—2004，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[15] SL 279—2002,水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)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(tuán)公司“地下水封洞庫施工期和運(yùn)行期安全監(jiān)測技術(shù)研究”(CHC-KJ-2010-13-05)科技項(xiàng)目