巖土工程勘察在地下水封洞庫工程中的主導(dǎo)作用

梁佳佳 孫 煒

北京東方新星勘察設(shè)計有限公司 北京 100070

地下水封洞庫是在穩(wěn)定地下水位以下一定深度的巖體中開挖地下洞室，利用油、氣與水不相容的特點(diǎn)，采用地下水的水封作用，密封、儲存石油與液化氣的油氣儲庫。地下水封洞庫的建造多采用大跨度、高邊墻、不襯砌的地下洞室，并且為滿足洞室密封性需要，洞室須長期處于動態(tài)的地下水環(huán)境下運(yùn)行。目前，國內(nèi)多個企業(yè)已經(jīng)建成或正在建設(shè)地下水封式原油、LPG 或丙烷洞庫。特別是隨著國家戰(zhàn)略石油儲備工程的大力推進(jìn)，國家在各地布局了多座原油地下水封洞庫。

因存儲原理的特殊性，地下水封洞庫勘察與常規(guī)石油化工勘察差別較大，且在工程建設(shè)過程中起到主導(dǎo)作用。

1 地下水封洞庫勘察

地下水封洞庫勘察是一項專門的勘察技術(shù)，主要分四個勘察階段，即預(yù)可研階段勘察、可研階段勘察、初步設(shè)計階段勘察、施工圖設(shè)計及施工階段勘察。

1.1 預(yù)可研階段勘察

預(yù)可研階段勘察先通過資料搜集與分析、地質(zhì)調(diào)查與測繪初步確定庫址比選方案；再通過大范圍的工程物探，確定重點(diǎn)庫址；最后在重點(diǎn)庫址有針對性的布設(shè)少量鉆孔（1—3 個）進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)勘察結(jié)果擇優(yōu)推薦庫址。其中如何篩選出重點(diǎn)比選庫址，是本階段勘察工作的重點(diǎn)。

1.2 可研階段勘察

可研階段勘察在預(yù)可研階段選定的庫址場地上進(jìn)行，初步查明庫址的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，為最終確定庫址和庫區(qū)布置進(jìn)行地質(zhì)論證，為項目立項服務(wù)。首先通過大比例尺的地質(zhì)調(diào)查與測繪和加密的工程物探，來初步查明庫址場地的地質(zhì)條件；再在地質(zhì)調(diào)查與測繪和工程物探成果的基礎(chǔ)上，針對性地布設(shè)工程鉆探，并進(jìn)行鉆孔原位試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)等工作，初步查明庫址場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行相應(yīng)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)分析與評價。

1.3 初步設(shè)計階段勘察

初步設(shè)計階段勘察在可研階段選定的場地上進(jìn)行，基本查明庫址的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，進(jìn)行庫區(qū)布置的地質(zhì)論證。本階段勘察需要查明具體洞庫布置位置的地質(zhì)條件，主要是通過地質(zhì)異常處的大比例尺地質(zhì)調(diào)查與測繪、沿所有洞室軸線的工程物探、各個洞庫特殊位置的鉆孔，結(jié)合鉆孔內(nèi)的大量原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)等來完成勘察工作。在此基礎(chǔ)上，對洞庫地下工程部署進(jìn)行優(yōu)化，對洞庫工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題進(jìn)行分析評價。

1.4 施工圖設(shè)計及施工階段勘察

施工圖設(shè)計及施工階段勘察在初步設(shè)計階段勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合初步設(shè)計資料，檢驗(yàn)前期勘察的地質(zhì)資料與結(jié)論，補(bǔ)充論證專門性工程地質(zhì)問題，并提出優(yōu)化設(shè)計方案的建議。本階段主要為洞室開挖、支護(hù)服務(wù)，在充分分析和掌握前期勘察成果的基礎(chǔ)上，對所有洞段提供全過程、全方位地質(zhì)服務(wù)，并進(jìn)行水幕系統(tǒng)建設(shè)，為洞庫運(yùn)營提供技術(shù)支持。

2 地下水封洞庫勘察特殊性

2.1 技術(shù)要求

地下水封洞庫工程的特殊性決定了其對洞庫勘察的要求較高。首先，地下水封洞庫工程對場地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件要求較高；其次，地下水封洞庫開挖洞室截面較大，且內(nèi)部一般不進(jìn)行襯砌支護(hù)，洞室穩(wěn)定性主要依靠巖體自穩(wěn)能力；另外，由于地下水封洞庫儲存原理的特殊性，既要求保持穩(wěn)定的設(shè)計地下水位，又要求洞室內(nèi)較小的涌水量。這些特殊性和關(guān)鍵點(diǎn)均是對場地工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的要求，也就是對洞庫勘察工作的要求。同時，每個地下水封洞庫工程場地地質(zhì)條件千差萬別，不同項目具有單一性，洞庫又深埋地下巖體內(nèi)，勘察工作開展困難大。加之目前國地下水封洞庫工程建設(shè)尚處于新興階段，尚無非常成熟的勘察規(guī)范，這就對地下水封洞庫勘察提出了非常高的要求。

2.2 工程作用

常規(guī)工程建設(shè)中傳統(tǒng)勘察一般只是為設(shè)計提供所需的輸入條件，而地下水封洞庫工程是一項地質(zhì)工程，工程前期的庫址選擇、洞庫部署、工程地質(zhì)和水封條件評價；工程建設(shè)中的洞室開挖、支護(hù)、堵水注漿及水幕建設(shè)和地下水控制等均主要取決于洞庫場地地質(zhì)條件，是洞庫勘察的成果。因此。地下水封洞庫勘察在工程建設(shè)的各個階段均起到關(guān)鍵作用，貫穿地下水封洞庫建設(shè)的全過程。

2.3 技術(shù)、方法和重難點(diǎn)

傳統(tǒng)勘察手段特別是普通石油化工勘察主要以鉆探為主，而地下水封洞庫勘察即使進(jìn)入詳勘階段鉆孔間距也在150～250m。僅靠鉆孔無法滿足工程建設(shè)需求，需要借助各類綜合勘察手段特別是物探方法的綜合運(yùn)用，來宏觀總體把握場地地質(zhì)條件，綜合進(jìn)行工程地質(zhì)、水文地質(zhì)分析與評價。

地下水封洞庫勘察中水文地質(zhì)勘察是工作的重點(diǎn)，對巖體滲透性特征的勘察工作又是整個洞庫水文地質(zhì)勘察的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于建庫巖體一般為弱透水性巖體，一般工程建設(shè)對巖體中這一類級別的地下水滲透性研究很少。因此，目前國內(nèi)尚無針對地下水封洞庫勘察中各類水文地質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)的成套設(shè)備，需要研發(fā)和使用專門的設(shè)備和技術(shù)。

2.4 所需投入

地下水封洞庫工程對勘察有著極高的要求，洞庫勘察在工程建設(shè)中又起著非常重要的作用；同時由于地下水封洞庫深埋地下巖體內(nèi)，勘察工作開展困難；洞庫勘察所采用的技術(shù)手段、方法和重難點(diǎn)又與一般工程差別較大。這就要求勘察單位長期持續(xù)的投入高額經(jīng)費(fèi)和大量技術(shù)力量開展洞庫勘察研究工作。同時，進(jìn)入施工階段后勘察工作始終處于洞庫開挖掌子面處，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、周期較長，需要勘察單位擁有優(yōu)秀完善的水封洞庫勘察技術(shù)團(tuán)隊。

地下水封洞庫勘察的這些特殊性，決定了其巖土工程勘察工作并不只是簡單的各種勘察手段和方法的堆砌，每項工作的開展均需要根據(jù)上一步的工作成果及時調(diào)整；各項工作之間相互驗(yàn)證、相互支撐和指導(dǎo)，需要根據(jù)每個工程場地不同的地質(zhì)條件，進(jìn)行綜合分析與評價。

3 地下水封洞庫勘察主導(dǎo)性

勘察是設(shè)計的眼睛，洞庫勘察是地下水封洞庫工程建設(shè)質(zhì)量與安全控制、費(fèi)用控制、進(jìn)度控制的關(guān)鍵依托點(diǎn)，在地下水封洞庫工程中起到主導(dǎo)作用。

3.1 質(zhì)量安全控制主導(dǎo)性

地下水封洞庫主體是洞罐周圍的巖體和地下水，洞庫勘察質(zhì)量直接決定了洞罐質(zhì)量。洞庫施工期，洞室開挖支護(hù)、堵水注漿、地下水控制是洞庫施工的主要工作，這些工作的基礎(chǔ)均是地質(zhì)勘察資料。因此，洞庫勘察是地下水封洞庫工程建設(shè)質(zhì)量控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

地下水封洞庫施工過程中，工程安全的基礎(chǔ)是地質(zhì)條件，地質(zhì)風(fēng)險的管控是工程建設(shè)安全控制的核心，只有提前準(zhǔn)確預(yù)判各洞室開挖段地質(zhì)風(fēng)險，才能有針對性地采取理措施，最大限度地規(guī)避施工風(fēng)險。因此，洞庫勘察是地下水封洞庫工程建設(shè)安全控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.2 費(fèi)用控制主導(dǎo)性

在地下水封洞庫工程中，地下工程費(fèi)用是各地下水封洞庫工程建設(shè)費(fèi)用差異最大的部分。地下工程費(fèi)用的基礎(chǔ)是地質(zhì)條件。在項目前期，洞庫庫址選擇和地下洞庫部署是否合理，造成的后期建設(shè)成本差異非常大。進(jìn)入項目施工階段，洞庫支護(hù)量和堵水注漿量是地下水封洞庫施工成本差異最大的部分。洞庫支護(hù)措施的依據(jù)就是勘察成果，特別是對于不良地質(zhì)段，勘察成果準(zhǔn)確與否造成的處理費(fèi)用差異非常巨大，由勘察成果的準(zhǔn)確性引起的一處不良地質(zhì)段的處理費(fèi)用差異就達(dá)數(shù)百萬到上千萬。堵水注漿的依據(jù)同樣是地質(zhì)勘察成果，如未科學(xué)合理地結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，一個工程的堵水注漿費(fèi)用就可能會增加上億元。

因此，洞庫勘察是地下水封洞庫建設(shè)費(fèi)用控制的關(guān)鍵點(diǎn)。地下水封洞庫的勘察費(fèi)用約占整個洞庫工程總費(fèi)用的3%～5%，在洞庫勘察上適當(dāng)增加投入會在后期大大減少工程總費(fèi)用和運(yùn)營期費(fèi)用。

3.3 進(jìn)度控制主導(dǎo)性

地下水封洞庫工程建設(shè)中，在普通地質(zhì)段的常規(guī)施工進(jìn)度各項目差別不大，工程建設(shè)進(jìn)度差異大的是不良地質(zhì)段的處理和堵水注漿工期。一處不良地質(zhì)段處理不好的話，就會造成數(shù)個月的工期延誤，而這些不良地質(zhì)段設(shè)計、施工方案的基礎(chǔ)和依據(jù)就是勘察成果。堵水注漿不但在施工過程中會影響施工進(jìn)度，而且如果處理不好，在后期可能會占用數(shù)個月甚至一年的工期，而堵水注漿同樣需要依據(jù)洞庫施工勘察成果進(jìn)行設(shè)計施工。因此，洞庫勘察是地下水封洞庫建設(shè)進(jìn)度控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

地下水封洞庫工程建設(shè)是以地質(zhì)條件為核心的，勘察不只是為設(shè)計提供輸入條件，而是參與到設(shè)計的各個過程中，實(shí)施“動態(tài)勘察、動態(tài)設(shè)計”。在設(shè)計的龍頭作用下，勘察成為地下水封洞庫工程建設(shè)的主導(dǎo)。“設(shè)計為龍頭，勘察為主導(dǎo)”是地下水封洞庫工程管理的核心。

4 地下水封洞庫勘察工程實(shí)例

國內(nèi)大型地下水封洞庫建設(shè)尚處于新興階段，地下水封洞庫勘察更是一項新興的技術(shù)，脫胎于傳統(tǒng)，自然而然容易受到常規(guī)勘察慣性思維的影響與禁錮。

以國內(nèi)第一座百萬立方米級別的液化氣地下水封洞庫萬華化學(xué)煙臺液化烴地下水封洞庫為例。項目建設(shè)初期，由于國內(nèi)對地下水封洞庫的建設(shè)了解有限，建設(shè)單位將洞庫勘察視同一般的化工裝置勘察，選擇了當(dāng)?shù)乜辈旒夹g(shù)實(shí)力最強(qiáng)的勘察單位開展工作。該單位按照普通石油化工裝置勘察的思路和方法，通過鉆探開展選址勘察工作，但在投入大量費(fèi)用和工期的情況下，無法選出適宜的庫址。之后，業(yè)主又選擇具有豐富地下水封洞庫勘察經(jīng)驗(yàn)的單位來重新開展工作，在企業(yè)自有土地內(nèi)選擇出了適宜的庫址場地。建設(shè)過程中，堅持以地質(zhì)為主體，重視地質(zhì)勘察工作，在設(shè)計的龍頭帶領(lǐng)下，以勘察為主導(dǎo)，充分利用場地地質(zhì)條件，順利地完成了工程建設(shè)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會影響。

同在山東半島的金能集團(tuán)，丙烷地下水封洞庫建設(shè)初期，考慮勘察費(fèi)用問題，僅通過價格選定了勘察單位進(jìn)行洞庫勘察。由于場地地質(zhì)條件復(fù)雜，完成選址勘察后，選擇出的庫址區(qū)圍巖較差，地下水出露較大。后經(jīng)評估，不得不選擇具有豐富地下水封洞庫勘察經(jīng)驗(yàn)的單位來重新開展工作，經(jīng)過在自有場地內(nèi)重新部署地下工程，將主洞室進(jìn)行了移位，僅交通巷道穿過原庫址。開挖后，交通巷道穿越原庫址段時，地下水出水量非常大，占到了總出水量的90%，處理難度較大。到達(dá)重新部署的主洞室位置后，地質(zhì)條件發(fā)生明顯好轉(zhuǎn)。工程建設(shè)過程中，對工程建設(shè)影響最大的就是穿越原庫址的洞室段，通過對主洞室位置的調(diào)整，工程建設(shè)完成后，該工程的工期和建設(shè)費(fèi)用均達(dá)到國內(nèi)最好水平。

國內(nèi)某原油地下水封洞庫勘察過程中，按照一般化工裝置勘察的常規(guī)做法，將一座洞庫的勘察分成兩部分，由不同的勘察單位來分別完成。而地下水封洞庫工程勘察的主要對象是巖體及巖體裂隙中的地下水，巖體和地下水呈空間分布，一座地下水封洞庫的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件是一個整體，需要整體分析評價。人為劃分為兩部分后，由于不同勘察單位的洞庫勘察技術(shù)實(shí)力和對地下水封洞庫的認(rèn)識水平差異較大，造成對同一場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)分析和評價無法統(tǒng)一。而受到專業(yè)性強(qiáng)、技術(shù)難度大等因素限制，設(shè)計方也無法進(jìn)行評判，造成同一項目中設(shè)計方案因區(qū)域不同而有較大差別，對后續(xù)的設(shè)計工作和建設(shè)管理造成了非常不利的影響。

綜合分析國內(nèi)多個地下水封洞庫工程建設(shè)實(shí)例表明，在地下水封洞庫工程建設(shè)中，應(yīng)重視巖土工程勘察工作，并充分發(fā)揮其在工程建設(shè)中的主導(dǎo)作用。