北山地下实验室工程建设与科研试验管理模式探索与实践——以北山坑探设施为例

成功

(核工业北京地质研究院，北京 100029)

0 引言

高水平放射性废物简称“高放废物”，是核工业发展过程中产生的放射性最强、毒性最大、半衰期最长的废物，对环境的危害性极大。因此，能否安全处置高放废物是关系到环境保护和核工业可持续发展的战略性课题。目前，深地质处置是国际上普遍认为技术可行、经济合理的处置高放废物的方式，即把高放废物埋在距地表500～1000m以下的稳定地质体中。高放废物地质处置工程具有安全等级高、研发周期长、工程埋深大、建设条件复杂、工程服务周期长等特点，其建设面临巨大的工程和技术挑战。借鉴国外研究经验，我国制定了包括处置库选址、地下实验室工程建设及科研、处置库建设及运行在内的“三步走”研发战略[1]。在高放废物地质处置“三步走”研发战略中，地下实验室工程建设及科研是承上启下和必不可少的关键环节，对研发地质处置工程技术、评价场址特征、验证工程屏障的安全性能、提高公众支持度等方面有积极作用。因此，我国高度重视高放废物处置研发工作，《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》等明确提出“建设1个高放射性废物处置地下实验室”的任务[2-5]。

我国地下实验室研发进程较发达国家有所滞后，多科研主体参与下的工程管理模式还未完全建立，北山地下实验室工程管理还存在诸多挑战，尽快建立地下实验室科学合理的管理体系至关重要。为了探索地下实验室工程建设和科研管理模式，我国于2015年在甘肃北山旧井地段开工建设北山坑探设施。

1 北山坑探设施工程项目概况

1.1 地理位置

北山坑探设施位于甘肃省酒泉市，距玉门市80km，距嘉峪关市200km，海拔1650～1750m。该地冬季寒冷多风，最低温度-35℃，最大风力9级以上，昼夜温差大，夏季最高温度45℃，自然条件恶劣，是典型的岩漠戈壁地貌。

1.2 工程设计

北山坑探设施主体结构由斜井、平巷、水仓、试验硐室和通风钻孔5个部分组成：斜井倾角20°，垂直深度50m，全长146.19m；平巷呈L形，全长约126m，其中穿越破碎带的长度约30m；水仓设在斜井底部，与平巷垂直，长20m；共设4个专用试验硐室，在斜井中设置1个试验硐室用于断层超前探测试验，在斜井落平后的平巷处设置1个试验硐室用于洞周开挖损伤区(EDZ)和地下水监测试验，在距破碎带15～20m处的平巷两侧各设1个试验硐室，用于断裂构造带超前探测和注浆堵水试验；通风钻孔设在靠近断裂带的试验硐室口处，向上直达地表，孔径300mm。北山坑探设施主体结构示意图如图1所示。

1.3 工程施工概况

北山坑探设施工程于2015年6月26日开工，至2016年12月20日完工，历时约18个月，实际施工工期9个月，配合现场试验用时5个月，因天气原因等不可抗力因素造成停工4个月，北山坑探设施承担的各项科研试验任务均按节点要求顺利完成。

1.4 现场试验概况

北山坑探设施工程的参研单位达7家，现场开展的试验研究包括：地下实验室开挖过程破岩方法及开挖顺序研究，三维裂隙建模和三维激光扫描试验研究，地下实验室围岩变形监测试验，裂隙岩体注浆及其地下水相互作用研究试验，地下实验室动力灾害现场监测与防治技术研究，EDZ评价方法、地下水监测和岩体破碎带支护方法研究，地质不良体超前探测研究试验等，研究结果达到预期目标。

2 北山坑探设施管理重点和难点分析

2.1 北山坑探设施工程特点

(1)工程施工条件恶劣。北山坑探设施现场交通极为不便，地处无人区，无任何基础设施。

(2)工程地质条件复杂。工程紧邻十月井断裂施工，部分地段穿越十月井断裂，存在断裂坍塌、涌水等安全风险。

(3)工期要求紧，技术难度大。项目要求18个月内完成地下实验室建设过程中拟开展的10余项现场试验。

(4)科研试验交叉性强。7家参研单位现场试验存在时间和空间冲突，导致试验方案变更频繁、管理难度大。

2.2 北山坑探设施管理重点和难点

2.2.1 现场安全管理

北山坑探设施的地质特点和工程特点决定了现场安全管理存在较大困难。①北山坑探设施部分地段将穿越十月井，存在塌方和涌水风险；②参研单位人数多，多为在校学生，井下作业经历和经验欠缺，安全意识差；③工程建设地点距离最近的城镇约2小时车程，发生安全事故后，伤员难以第一时间得到救治，应急救援难度增大。

2.2.2 数据集成管理

北山坑探设施建设过程中开展的一部分试验需要进行长期监测，有些试验还要在工程完工后持续采集监测数据，迫切需要研发适合北山坑探设施现场试验的数据集成管理系统，以保证数据采集的及时性、有效性和安全性。

2.2.3 试验协调管理

北山坑探设施的定位是科研试验平台，项目按照“小核心、大协作”的思路组建了一支实力雄厚、专业互补的科研团队，为科研目标的顺利完成提供了保障，但参研单位众多也给项目管理带来了诸多挑战。

(1)施工单位停工配合参研单位开展试验。在北山坑探设施建设过程中，各参研单位试验需要施工单位停工配合，如钻爆试验、不良地质体超前探测试验，每一循环进尺须进行一次试验，与工程建设结合紧密，试验拖期将严重影响施工进度，增加施工成本。

(2)参研单位试验方案存在空间和时间上的冲突。参研单位之间缺乏前期交流，在工期紧、试验场地有限的情况下，容易造成各参研单位试验实施方案在空间和时间上的冲突。例如，在北山坑探设施L形试验硐室内，需要同时开展EDZ、动力灾害监测、钻爆试验、围岩变形监测试验研究等工作。

(3)参研单位试验方案频繁变更，增大了协调难度。北山坑探设施建设过程中开展的相关试验，因参研单位缺乏与指挥部的积极有效沟通，试验方案变更频繁，导致试验进度缓慢、施工成本增加，增大了现场工程管理和试验协调难度。试验方案变更影响如图2所示。

3 北山坑探设施管理的主要措施

3.1 充分发挥现场指挥部的统筹协调作用

为了确保北山坑探设施施工建设和现场试验有序、高效开展，项目牵头单位在现场设立北山坑探设施现场指挥部，负责现场工程及试验的安全、质量、环保、进度、投资、信息管理和统筹协调工作。现场指挥部人员由牵头单位员工和外聘管理人员组成。其中，牵头单位员工为科研人员，主要负责科研试验方案的审查、试验与施工的协调等；聘请外部项目管理专家协助工程管理，主要负责工程现场施工管理。

3.2 严格的施工和试验管理制度

在工程施工管理方面，北山坑探设施现场指挥部参照国外地下实验室管理模式和经验，建立了系统的坑探设施管理办法，涵盖现场试验、工程施工、信息管理、档案管理等方面[6]。

3.3 数据集成系统的研发和应用

基于SQL Server数据库平台设计开发了北山坑探设施建设数字化工程应用系统，实现了各参研单位数据的集成、存储、查询和三维可视化等应用，功能涵盖工程管理和试验管理两大模块。北山坑探设施数字化工程的成功研发和应用对地下实验室信息化建设具有重要意义。

4 北山坑探设施施工与试验管理模式探索

对于北山坑探设施工程而言，试验协调管理是其中的一个重要环节，参研单位试验实施方案编制的合理性、技术成熟性、现场可操作性等对工程建设影响最大，现场试验实施的质量对工程工期和投资往往起决定性作用，必须引起高度重视。

4.1 工程与试验管理流程

为确保现场试验有序开展，根据地下实验室工程特点和现场试验要求建立现场科研和试验实施过程控制管理流程，如图3所示。

(1)项目牵头单位下达设计任务通知后，参研单位试验负责人组织编制本课题的试验设计方案，提交牵头单位和专家审查。

(2)参研单位试验负责人制订详细的现场试验实施方案。除了技术方案，该实施方案还需要明确试验过程中科研、技术安装等分项任务的统筹安排，确保方案的可操作性。

(3)现场试验实施之前，参研单位试验负责人首先应向现场指挥部确认现场试验条件，现场确认空间需求、时间安排、试验其他配套条件是否满足试验要求。

(4)依据批准的设计方案和实施方案，现场指挥部组织施工单位和参研试验团队进行现场实施方案评审，三方同意后方可实施。

(5)在实施过程中，参研单位试验负责人组织仪器和设备安装和调试，包括各类传感器的安装和布设、数据传输接口的校验等。工程类子项(如硐室开挖、结构物浇筑等)由现场指挥部协调施工单位统一实施。

(6)现场试验结束后，参研单位试验负责人组织撰写现场试验报告。该报告可用于指导项目现场施工工作。现场工作完成后，依据现场试验数据撰写项目成果报告。

4.2 管理模式实施效果

北山坑探设施建设过程中未出现任何质量、安全或环保事故，2016年12月工程一次验收合格率为100%。北山坑探设施工程承担的现场所有试验均顺利完成，试验数据完整可靠，现场记录翔实，试验过程和结果达到预期效果。

5 结语

(1)在北山坑探设施建设过程中克服了环境恶劣、工程地质条件复杂等不利因素影响，顺利完成了各项施工和试验任务，施工结果和试验效果均达到了预期目标。

(2)依托北山坑探设施，经过7个科研团队一年半的努力，有效掌握了地下实验室建设关键安全技术，初步形成了地下实验室科研与工程管理制度体系，并组建了相应的科研与管理人才队伍，为地下实验室建设及科研工作奠定了基础。

(3)通过北山坑探设施的建设，探索出一套适用于我国高放废物地质处置地下实验室工程建设和科研试验的管理体系，建立了科学的现场试验管理流程，构建了有效的多方沟通和决策机制，实现了数据管理平台的研发和应用，为地下实验室工程管理和试验管理提供了技术支撑和实践经验。