刘秀琴，李莉

浅谈水封洞库安全监测仪表的选型设计

刘秀琴，李莉

(海工英派尔工程有限公司， 山东 青岛 266061)

利用水封洞库进行原油储备，是国家的战略建设重点,而水封洞库地下工程的仪表选型，完全不同于石油化工行业过程仪表的选型原则。结合国内水封洞库项目的设计、建设现状，总结了地下工程中安全监测仪表的设置目的、监测阶段以及监测对象。通过对水封洞库地下工程的仪表选型进行分析，提供了不同情况下各类仪表选型的设计方案。

水封洞库 地下工程 洞室 水幕巷道 施工巷道 安全监测

地下水封石洞油库(简称水封洞库)设计、建设的重点和难点集中在地下工程，而中国大规模水封洞库的建设尚处于初级阶段，工程设计、建设、运营经验都比较少。对从事石油化工工程自控设计的人员来说，地下工程安全监测仪表的选型设计是一项全新的工作，仪表的种类、用途、安装等内容和过程控制仪表完全不同。本文根据国内水封洞库项目设计和建设的实际情况，探讨水封洞库地下工程安全监测仪表的选型设计。

1 安全监测仪表的设置目的

根据GB 50455—2008《地下水封石洞油库设计规范》[1]要求，经过选址勘察，水封洞库库址都选择在岩体的岩质坚硬、完整性和稳定性好，没有张性断裂分布，岩石矿物成分不影响储存油品质量并具有相对稳定的地下水位的地方。由于地质情况复杂多变，地下工程有很大的不可预见性，施工开挖过程才能反映出真实的地质特征，在工程施工中会遇到一些不良地质现象[2]，为保证施工安全,对原设计进行校对、补充和完善，在施工过程中应对洞库的围岩变形及支护结构应力应变进行安全监测；而洞库建成投用后，人员无法进入洞内，但是在设计使用期的50 a内不可避免地存在不可遇见的地质事件发生，如果没有任何监测手段了解洞库围岩安全及水密封性的真实状态，将是一件非常危险的事情[3]。因此，为随时了解洞库的围岩安全情况，需继续对围岩稳定性进行监测。水封洞库原则上为不衬砌的地下洞室群，通过采用地下水水封来储存油品，在施工和运营期间，地下水水位及水幕水位的监测是地下洞库建设与运营安全的关键技术之一[4]，所以应对洞室围岩的水封压力进行长期监测，及时采取水封控制措施，以保证储油洞室油品储存的密封性。同时，为监测水封洞库是否泄漏，应在地下洞库四周及附近地下水汇流处进行水质监测。

2 安全监测阶段

2.1 施工期

施工期监测的重点在于保证施工过程安全，其目的是及时掌握地下洞室围岩在开挖施工过程中产生的变形、支护结构受力等，监控施工过程中存在的安全隐患，是保证施工安全的措施之一。监测项目主要有围岩沉降收敛和围岩应力。

2.2 运营期

运营期单位需实时掌握整个洞库围岩稳定性情况、水幕巷道水封情况，永久监测的重点在于了解施工期和运营期工程重点部位和重点监测对象的变化，根据这些过程数据来综合分析工程的结构安全性以及水封的可靠性，判断洞库的生命状态或在危急情况下，进行紧急补救或总结经验教训，利于后期洞库的安全建设。监测项目主要有围岩变形、围岩应力、地下水水位和水质。

目前的水封洞库工程，大都采用不同原理的两类监测仪表对地下工程的围岩稳定性、安全性进行长期监测。第一类是采用多点位移计对洞室、水幕巷道的关键位置、结构复杂处综合监测水封洞库岩体结构的稳定情况；第二类是采用微震仪，监测岩体微震活动的发生、发展情况以及通过对微震源的定位和分析，判断、评估和预报监测范围内岩体的稳定性。多点位移计用于围岩内部变形的监测，监测的是断面，而微震仪用于地质结构变化的监测，监测的是区域。后者监测的范围大于前者，且能做到数据可视化，但监测数据须依靠专业公司进行分析并提供分析报告。

采用的多点位移计、锚杆应力计、微震仪、渗压计等仪表的信号引入中心控制室的安全监测自动化系统，进行长期监测。

3 安全监测仪表的设置

3.1 围岩稳定性监测仪表

围岩稳定性监测主要包括对洞室、水幕巷道、施工巷道和连接巷道等部位的安全监测，主要有围岩变形监测、支护结构监测。围岩变形监测项目有围岩表面收敛、围岩内部及表面变形、地质构造体的变形及位移等；支护结构监测项目有支护锚杆应力及锚索应力、支护钢格栅应力、衬砌混凝土钢筋应力、混凝土应力应变、衬砌混凝土与围岩结合面的变形监测等。

根据洞库区的地质情况，在主洞室、施工巷道、水幕巷道的关键部位即典型结构或地质条件不利处等,适当地布置监测断面。在拱顶布置适量多点位移计，并配合在监测断面各处设置的锚杆应力计和收敛测点即收敛测桩或收敛标靶,以实现对地下工程的围岩稳定性监测。

对于不利地质条件洞段，根据洞段采用混凝土衬砌结构或采用钢拱架结构分别在监测断面设置适量的混凝土应力应变计、测缝计或钢筋计、钢板计等监测仪表。

3.2 渗压计、渗压监测孔及水位计

渗压监测项目有洞罐内各洞室之间岩体的渗透压力监测，洞罐与洞罐之间岩体的渗透压力监测。在洞罐以及洞室间的岩石内分层埋设渗压计以监测洞罐间或洞室间的渗压情况。

水位监测主要包括水幕密封压力监测以及对洞室群周边地下水位的监测。在各水幕巷道内表面明装渗压计，在地下洞室群四周岩体内布置渗压监测孔，以监测洞室群周边地下水位。

水封控制是指对水幕巷道的水位进行监测控制，通过监测水幕巷道的液位高度，实现对水幕巷道的补水控制。通常在水幕监测井内设置2套液位计，与补水阀一起构成水幕巷道自动补水系统。

3.3 水质监测孔的布置

在水封洞库周边一定范围内设置水质监测孔，运营单位应定期检测和分析地下水水质，确保周边地下水不被污染，生态环境不被破坏。

3.4 微震仪

为了解施工期及运营期全库区范围内地下围岩内部微破裂、结构错位、体积变化以及断层活化等现象，设置微震监测系统，以实时掌控围岩内部结构变化情况。微震监测探头的布置应根据不同水封洞库的实际情况，通过建模使其监测范围能够覆盖储油洞室、施工巷道以及水幕巷道等全部部位。

微震仪对震源强度的灵敏度要达到对0.5～1.0 m内的岩体开裂事件的有效监控，因而微震仪的布置必须建立在对整个地下工程的整体模拟、运算以及仿真的基础上，来确定其具体位置和数量，经仿真后进行布局的微震仪呈网状监测网络，能够有效覆盖地下工程各洞室、施工巷道以及水幕巷道等主体部分。一般情况下，相邻2台微震仪的布置间距不超过250 m，每就近6台微震仪分不同高程埋设构成一个小型监测网络，具体项目还需具体分析。

4 典型安全监测仪表的选型设计

安全监测仪表选择的合适与否是关系到整个地下工程能否安全、顺利建成和运行，并充分发挥其综合效益的关键。而传感器的选型是一项复杂而细致的工作，除了应考虑仪表的先进性、可靠性及经济性外，还需结合监测对象的特殊性、预期的运行情况和土建工程的施工特点等因素进行研究和比选。

4.1 多点位移计

多点位移计[5]是在孔口的传递杆件或管件上安装测量位移的传感器。位移传感器主要分为振弦式、差动电感式及电容感应式3种。

差动电感式与电容感应式位移传感器均为国内生产，长期稳定性较好，但都需要加装变送器才能传送较远距离，由于线间电容、水下特性不佳、体积大等原因，实际应用受到工程条件的限制。进口振弦式多点位移计产品质量较好，其技术性能和长期稳定性均优于国内同类产品，水封洞库项目建议优先选用。

多点位移计传递杆件主要有两种： 一种是不锈钢杆，采用分段连接，订购和安装灵活，一般为国产仪器配套；另一种为碳磨纤维杆，受温度影响小，为整根结构，携带方便，需按实际使用长度切割或订购，一般为进口仪器配套，价格较贵。考虑到地下洞库的特殊工作环境和50 a的运行时间要求，水封洞库项目建议优先选用碳磨纤维杆。

4.2 锚杆应力计

常用的锚杆应力计主要分为振弦式、差动电阻式两种。

振弦式锚杆应力计的分辨率和精度高于差动电阻式锚杆应力计，但价格一般高于差动电阻式锚杆应力计。对于主要用于施工期检测，施工期结束后将进行封存的锚杆应力计，虽然差动电阻式锚杆应力计分辨率和精度低于振弦式锚杆应力计，但其长期运行稳定、价格较为便宜，施工期可选用差动电阻式锚杆应力计。

由于差动电阻式锚杆应力计的监测效果受电缆长度影响较大，用于运行期的设备必须采用振弦式锚杆应力计[6]。美国某公司生产的振弦式锚杆应力计品质较好，性能稳定可靠，在国内水利水电工程中广泛使用。因此，现阶段已经建成或正在建设的地下水封洞库工程都优先考虑采用进口的振弦式锚杆应力计。

4.3 渗压计

根据不同测量原理，渗压计主要有振弦式、差动电阻式、差动电感式以及压阻式四种。

目前，振弦式[7]和差动电阻式渗压计[8]使用较多，压阻式和差动电感式渗压计使用较少，且只能安装在测压管和水位观测管中使用。

国产差动电阻式渗压计在国内水电工程中已大量使用，但仅限于埋入式应用，安装在测压管和水位观测管中使用时效果不理想。

进口振弦式渗压计的分辨率、精度和可靠性有保证，也适合于安装在测压管和水位观测管中使用，在要求较高的场合经常使用。考虑到水封洞库工程的具体特点和仪器运行工作条件，建议选择使用进口的振弦式渗压计。

4.4 微震仪

目前国内已建或在建的水封洞库工程，部分洞库设置了微震监测[9]系统，均采用进口微震仪。较为知名的微震系统供应商有加拿大的ESG、波兰的SOS以及南非的ISS等。

微震仪通常使用速度计和加速度计作为传感器。其中，加速度型微震仪频率响应带宽高、主要测量震级较小的微震，速度型微震仪频率响应带宽低、测量震级较大的微震。但是，在岩石浸水的环境里，频带高的微震仪传递波衰减很快，而频带低的微震仪传递波衰减慢，综合考虑水封洞库岩石充水情况、需要检测到的微震程度以及在实际应用中的效果，大多选用速度型微震仪。

各公司的微震仪的安装方式各不相同，同一公司位于不同位置的微震仪安装方式也不相同，微震仪的安装应在供货商技术人员的指导下进行。

5 结束语

地下工程是水封洞库的核心组成部分，选择技术先进、安全可靠的安全监测仪表是保证洞库安全建设和运营的关键，因而安全监测仪表的选型设计是水封洞库工程设计的重要环节，设计者应给予足够的重视。文中对水封洞库项目安全监测仪表选型设计的介绍，仅供从事水封洞库设计工作的同行参考，不同地区同类项目的安全监测仪表选型设计应根据项目的具体情况综合考虑后确定。

[1] 杨森，何凤友，张杰坤，等.GB 50455—2008地下水封石洞油库设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2009.

[2] 刘琦，卢耀如，张凤娥.地下水封储油库库址的水文地质工程地质问题[J].水文地质工程地质，2008(04)： 1-5.

[3] 洪开荣，陈海锋，尤显明,等.大型地下水封洞库修建技术[M].北京： 中国铁道出版社，2013： 108.

[4] 王玉洲，代云清，安佰燕.地下水封岩洞储油库地下水控制[C]//第二届全国岩土与工程学术大会论文集(下册).北京： 科学出版社， 2007： 862-865.

[5] 刘文庆，赵飞，董建辉,等.多点位移计在高速公路高边坡稳定性监测中的应用[J].地质灾害与环境保护，2010(04)： 104-107.

[6] 王永强，文富勇.地下水封储油洞库工程安全监测设计[J].人民长江，2013(19)： 73-77.

[7] 刘玉平.探讨大坝渗透压力监测系统中振弦式渗压计的应用[J].科技资讯，2013(22)： 71-73.

[8] 张国栋，王宏，陈明,等. 差阻式和振弦式渗压计探讨[J].大坝与安全，2009(03)： 31-37.

[9] 杨志国，于润沧，郭然,等.微震监测技术在深井矿山中的应用[J].岩石力学与工程学报，2008(05)： 1066-1069.

Brief Discussion on Design of Safety Supervision Instrument Type Selection for Water Sealed Rock Caverns

Liu Xiuqin, Li Li

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao, 266061, China)

s: Using water sealed rock cavern for crude oil reserves is the significant strategy of national construction. The instrument selection and design in underground engineering of water sealed rock cavern is entirely different from the principle in instrument selection design of petroleum and chemical industry. Together with design and construction status in domestic underground rock caverns project, the instrument setting aim, monitoring stage and monitoring object of safety supervision are summarized for underground engineering. Design schemes for all kinds of instrument selection under different environment are proposed through analysis of instrument selection for underground engineering of underground rock caverns.

underground rock caverns; underground engineering; cavern; water curtain tunnel;access tunnel; safety supervision

刘秀琴(1964—)，女， 1984年毕业于华东石油学院炼油仪表自动化专业，现就职于海工英派尔工程有限公司从事石油化工工程自控设计工作，现任副总工程师，工程技术应用研究员。

TU249.6

B

1007-7324(2017)02-0017-03

稿件收到日期： 2016-12-02。