3 工程實(shí)例
3.1 工程概況
某地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)工程由地下工程和地上輔助設(shè)施兩部分組成，地下工程主要由主洞室群、水幕系統(tǒng)、施工巷道以及相關(guān)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(shè)水幕系統(tǒng)，由注水巷道和水幕孔組成，覆蓋整個(gè)洞庫(kù)上方。施工巷道為設(shè)備、材料、棄渣的運(yùn)輸和通風(fēng)、供電、給排水等提供通道。圖2為某地下水封洞庫(kù)布置圖[12]。
圖2 某地下水封洞庫(kù)布置圖
3.2 監(jiān)測(cè)斷面布置方案
根據(jù)地下洞室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于施工巷道和水幕巷道結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)主要是為了確保施工期結(jié)構(gòu)建筑物的安全，以及指導(dǎo)施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)，而主洞室結(jié)構(gòu)跨度和高度均相對(duì)較大，因此，其安全、穩(wěn)定的運(yùn)行顯得至關(guān)重要，必須盡早獲取主洞室開挖過(guò)程的結(jié)構(gòu)變化性狀，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)變化情況。根據(jù)地下洞室結(jié)構(gòu)理論力學(xué)研究，結(jié)構(gòu)計(jì)算相對(duì)不穩(wěn)定、不良地質(zhì)段、斷層穿過(guò)等位置是結(jié)構(gòu)關(guān)注的重點(diǎn)部位，也是監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)位置。因此，監(jiān)測(cè)斷面設(shè)計(jì)必須保證既能從總體上把握整個(gè)庫(kù)區(qū)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況，又能在局部范圍內(nèi)監(jiān)控和掌握重點(diǎn)關(guān)注部位以確保洞室安全狀況。
根據(jù)上述分析，結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)受力及地質(zhì)等相關(guān)情況，監(jiān)測(cè)斷面設(shè)計(jì)布置具體如下：
1) 為了及時(shí)獲得主洞室結(jié)構(gòu)圍巖變形的初始變化性狀，全局上所有主洞室圍巖內(nèi)部深層監(jiān)測(cè)儀器必須從水幕巷道鉆孔預(yù)埋，即本工程采用沿水幕巷道共布置3個(gè)橫過(guò)各個(gè)儲(chǔ)油洞室的觀測(cè)斷面。同時(shí)根據(jù)施工開挖具體地質(zhì)情況，在結(jié)構(gòu)計(jì)算相對(duì)不穩(wěn)定、不良地質(zhì)段、斷層穿過(guò)等部位增加布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面實(shí)現(xiàn)局部重點(diǎn)監(jiān)控。
2) 根據(jù)本工程施工巷道結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)，布置4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面以實(shí)現(xiàn)總體上控制和了解結(jié)構(gòu)變化性狀，同時(shí)針對(duì)在每條施工巷道的不良地質(zhì)段、斷層穿過(guò)處等特殊部位增設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，實(shí)現(xiàn)局部重點(diǎn)監(jiān)控。
3) 在3條主要的橫向水幕巷道內(nèi)各布置2個(gè)觀測(cè)斷面以總體了解和掌握水幕巷道結(jié)構(gòu)性狀，同時(shí)在結(jié)構(gòu)開挖過(guò)程中根據(jù)不良地質(zhì)段或斷層穿過(guò)處的情況適當(dāng)增設(shè)監(jiān)測(cè)斷面。
3.3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)
地下水封洞庫(kù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)主要包括圍巖變形監(jiān)測(cè)、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、水封壓力監(jiān)測(cè)和水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)等，其中施工巷道所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、主洞室和水幕巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、表面變形監(jiān)測(cè)主要用于施工期監(jiān)測(cè)，運(yùn)行期間不再進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而主洞室和水幕巷道圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)、水封壓力監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等需在運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)永久監(jiān)測(cè)，并接入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、管理與維護(hù)。
1） 圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)
從布置形式上看，地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)與地下洞室群基本相似，由不同尺寸的地下洞室組成。根據(jù)圍巖整體穩(wěn)定特性可知，在開挖卸荷和爆破振動(dòng)[10]的影響下將出現(xiàn)不同程度的圍巖變形，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象[7]。
地下洞室群安全監(jiān)測(cè)主要對(duì)圍巖不同深度相對(duì)變形以及支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)[12]，即洞室圍巖變形監(jiān)測(cè)、支護(hù)與混凝土襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)與地下洞室群結(jié)構(gòu)相似，因此，地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)洞室群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)主要為洞室圍巖變形監(jiān)測(cè)、接觸變形、支護(hù)錨桿錨索以及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等，其中主洞室的圍巖深層變形監(jiān)測(cè)采用水幕巷道內(nèi)預(yù)先鉆孔埋設(shè)，以便得到主洞室開挖的初始結(jié)構(gòu)變形，圖3為主洞室監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)典型斷面，圖4為施工巷道監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)典型斷面。
圖3 主洞室監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)典型斷面
圖4 施工巷道監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)典型斷面
2） 儲(chǔ)油水封壓力監(jiān)測(cè)[8]
根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)建筑物布置情況以及地質(zhì)條件，在庫(kù)區(qū)周邊均勻布置地下水位監(jiān)測(cè)孔，同時(shí)在洞室群頂部分監(jiān)測(cè)斷面布置地下水位監(jiān)測(cè)孔，實(shí)時(shí)掌握整個(gè)庫(kù)區(qū)地下水位變化情況。
除在庫(kù)區(qū)周圍以及洞室群頂部進(jìn)行地下水封監(jiān)控外，還在洞室群內(nèi)部?jī)?chǔ)油洞室范圍內(nèi)分層布置水封壓力監(jiān)測(cè)儀器，補(bǔ)充、檢驗(yàn)和驗(yàn)證庫(kù)區(qū)周邊以及頂部地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保足夠水封壓力。
3）水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)
2010年4月，美國(guó)墨西哥灣原油泄漏事件致使浮油向美國(guó)沿海及周邊擴(kuò)散，墨西哥灣沿岸生態(tài)環(huán)境遭受“滅頂之災(zāi)”，造成沿岸1000英里長(zhǎng)的濕地和海灘被毀，漁業(yè)受損，脆弱的物種滅絕。2009年12月，中國(guó)中石油陜西華縣地下輸油管道發(fā)生泄漏事件，在渭河形成污染帶進(jìn)入黃河，造成黃河下游部分城市出現(xiàn)飲用水危機(jī)。
鑒于石油泄露事件會(huì)對(duì)生態(tài)和自然環(huán)境造成嚴(yán)重影響和破壞，因此，為了確保庫(kù)區(qū)周邊地下水及生態(tài)環(huán)境不被污染和破壞，必須對(duì)庫(kù)區(qū)地下水進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)。
根據(jù)本工程實(shí)際情況，在庫(kù)區(qū)四周、周邊一定范圍內(nèi)以及附近地下水匯流處設(shè)置水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)設(shè)施，定期監(jiān)測(cè)和分析地下水，確保周邊地下水不被污染，生態(tài)環(huán)境不被破壞。
4）微震監(jiān)測(cè)
在外力或溫度等條件作用下，巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部將出現(xiàn)局部彈塑性能集中現(xiàn)象，當(dāng)能量積聚到某一臨界值時(shí)，就會(huì)引起巖體微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展，微裂隙的產(chǎn)生與擴(kuò)展伴隨著彈性波應(yīng)力波的釋放并在周圍巖體內(nèi)快速傳播。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用微震監(jiān)測(cè)傳感器撲捉巖體結(jié)構(gòu)擾動(dòng)后本身發(fā)射出的彈性波來(lái)判斷圍巖穩(wěn)定的方法，并通過(guò)對(duì)彈性波進(jìn)行分析，反演確定巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生微震的時(shí)間，并準(zhǔn)確定位微震事件發(fā)生的位置和判斷微震的性質(zhì)及能量大小[3]。
微震監(jiān)測(cè)技術(shù)最早于上世紀(jì)初在南非約翰內(nèi)斯堡金礦開采項(xiàng)目中用于監(jiān)測(cè)誘發(fā)地震，隨后波蘭、美國(guó)、加拿大、日本和澳大利亞等國(guó)對(duì)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3]，并將其成功應(yīng)用于礦山[11]、核能、地下儲(chǔ)油洞庫(kù)、隧道工程[4]等領(lǐng)域。目前，我國(guó)在礦山行業(yè)對(duì)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了一定的研究成果，但在其他行業(yè)的研究應(yīng)用較少。
地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)由儲(chǔ)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(jié)構(gòu)及地質(zhì)條件復(fù)雜，各洞室結(jié)構(gòu)尺寸、圍巖支護(hù)形式也不盡相同，由于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)受眾多因素影響和制約，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理和精度分析技術(shù)還需進(jìn)一步研究[5]，因此，為了及時(shí)掌握庫(kù)區(qū)圍巖微裂隙變化情況，在庫(kù)區(qū)均勻布設(shè)單軸加速度計(jì)和三軸加速度計(jì)，確保至少每4支傳感器形成有效微震事件采集空間，通過(guò)分析和研究微震事件來(lái)補(bǔ)充、驗(yàn)證圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)論，同時(shí)為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)研究收集科學(xué)數(shù)據(jù)。
5）監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)
根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要求，主洞室和水幕巷道內(nèi)所有圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器、水封壓力監(jiān)測(cè)儀器均需接入自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)永久監(jiān)測(cè)，其中圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器和地下洞室內(nèi)安裝的水封壓力監(jiān)測(cè)儀器必須在水幕巷道內(nèi)集中然后引至地面觀測(cè)站，本工程根據(jù)實(shí)際情況采用鉆孔方式將水幕巷道內(nèi)的儀器電纜集中引至地面觀測(cè)站，同時(shí)每個(gè)周邊地下水位觀測(cè)孔內(nèi)附近設(shè)置一個(gè)觀測(cè)站，采用光纖通訊，并結(jié)合周邊視頻監(jiān)控系統(tǒng)和地下水封洞庫(kù)自控專業(yè)電纜溝槽布設(shè)。所有觀測(cè)站采用光纖通訊并最終進(jìn)入中控室實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。
3.4監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備選型
安全監(jiān)測(cè)作為保證地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)施工及儲(chǔ)油期安全的重要手段，選擇適合的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備是關(guān)系整個(gè)地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)能否安全、健康、穩(wěn)定的運(yùn)行，并充分發(fā)揮其綜合效益的關(guān)鍵。監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備選型是一項(xiàng)復(fù)雜而細(xì)致的工作，除了應(yīng)考慮監(jiān)測(cè)儀器的先進(jìn)性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性外，還要結(jié)合具體監(jiān)測(cè)對(duì)象的特殊性、運(yùn)行工況以及施工特點(diǎn)等因素進(jìn)行系統(tǒng)研究和比選。
目前，監(jiān)測(cè)儀器主要分為差阻式監(jiān)測(cè)儀器和振弦式監(jiān)測(cè)儀器兩類，且均已經(jīng)在工程實(shí)例應(yīng)用得到廣泛的驗(yàn)證，能夠在潮濕、封閉等環(huán)境中穩(wěn)定的工作，因此，兩種類型的監(jiān)測(cè)儀器均適用于本工程條件。但根據(jù)本工程的具體情況，支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)主要用于施工期監(jiān)測(cè)，施工期結(jié)束后將進(jìn)行封存，由于差阻式監(jiān)測(cè)儀器相對(duì)于振弦式監(jiān)測(cè)儀器價(jià)格較為便宜，且精度、穩(wěn)定性基本一致，因此，綜合考慮本工程對(duì)于施工期的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用差阻式監(jiān)測(cè)儀器。
由于差阻式監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)效果受電纜長(zhǎng)度的影響，且其性能指標(biāo)、分辯率、靈敏度等方面相對(duì)于振弦式監(jiān)測(cè)儀器較差，因此，為了確保本工程長(zhǎng)期穩(wěn)定、健康、安全的運(yùn)行，用于運(yùn)行期間監(jiān)測(cè)的儀器設(shè)備必須采用振弦式監(jiān)測(cè)儀器。
4 結(jié)論
（1）通過(guò)分析可知，地下水封儲(chǔ)油洞庫(kù)主要包括圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)油水封壓力監(jiān)測(cè)、水質(zhì)分析監(jiān)測(cè)以及微震監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。
（2）監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)選擇布設(shè)在結(jié)構(gòu)計(jì)算相對(duì)不穩(wěn)定、不良地質(zhì)段、斷層穿過(guò)等典型位置，同時(shí)還應(yīng)在附近地質(zhì)條件較好的位置布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)比分析其對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的不同影響程度。
（3）微震監(jiān)測(cè)技術(shù)還需進(jìn)一步研究，本工程可考慮布置微震傳感器，補(bǔ)充、驗(yàn)證其他監(jiān)測(cè)手段，同時(shí)為推動(dòng)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究提供科學(xué)數(shù)據(jù)。
（4） 綜合考慮監(jiān)測(cè)儀器的性能指標(biāo)、穩(wěn)定性以及價(jià)格等因素，并結(jié)合長(zhǎng)期工程實(shí)際應(yīng)用情況，施工期支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)選用差阻式監(jiān)測(cè)儀器，運(yùn)行期間的監(jiān)測(cè)儀器采用振弦式監(jiān)測(cè)儀器。
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