地下水封洞库施工质量检测及管理工作改进探讨

荆少东

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100; 2.中石化石油工程设计有限公司,山东 东营 257100)

0 引 言

地下水封洞库是在地下水位以下开挖岩洞作为石油存储洞室,利用地下水向洞内的渗透压力抑制洞内油气的外泄压力,从而达到油气存储的目的[1]。地下水封洞库在安全、经济、环保等方面具有突出优势,是目前公认最好的油气存储形式[2-5]。研究表明,当油库容积达到一定规模时,建设地下水封洞库比地面储备库经济,且储库规模越大,地下洞库的经济优势越明显[6]。我国分期建设的国家战略石油储备体系中,一期工程4个储备基地均为大型地上原油库。二期工程8个项目有3座为地面储备库、4座为地下水封洞库、1座为地下盐穴库。计划建设的三期工程8个项目中有7个为地下水封洞库。面对复杂的国内外环境和发展需求,我国加快大规模地下水封洞库建设步伐势在必行[7]。

地下水封洞库的显著特点是一旦投用就难以维修。水封洞库工程如果施工质量不能满足建设要求,将严重影响工程项目的功能,造成国家财产损失,甚至带来巨大的生态和环境隐患。工程质量检测是加强建设过程控制、保障建设工程质量的重要手段。现阶段,由于地下水封洞库工程质量检测规范规程及制度尚不完善,工程质量检测以施工单位自检为主,存在监督管理不完备、技术力量投入不足等弊端;检测指标主要参考水利水电等其他地下工程类型,未充分体现水封洞库工程的特殊性。在当前检测及管理模式下,水封洞库工程质量难以得到有效控制,国内已建部分洞库存在建设过程中围岩失稳,建成后因渗水量超标导致投资增加或影响洞库工程使用的情况,可能给水封洞库长期有效运营带来不可逆的安全风险。

围绕水封洞库建设质量目标,本文分析了洞库工程建设过程中质量检测的重点和难点,阐述了目前洞库工程施工质量检测的模式和不足。借鉴水电工程施工质量检测经验,论述了在现场设立第三方试验室的作用及优势。指出地下水封洞库项目应建立第三方试验室实施工程质量检测,并提出开展水封洞库工程质量检测专项技术规程编制等建议。

1 水封洞库工程施工质量检测必要性分析

虽然我国地下水封洞库项目建设规模日益扩大,技术水平也有长足发展,但地下水封洞库工程建设仍处于探索发展阶段,诸多影响水封洞库功能的问题尚未得到有效解决[8]。

地下水封洞库建设具有以下显著特点:

(1)地下水封洞库不仅存在建设期的短期安全问题,还面临运行期的长期安全问题。地下水封洞库主要采用裸洞开挖形式,通常不设置二次衬砌,仅在局部采用锚杆、喷混凝土等初期支护。水封洞库即使在施工建设期处于安全稳定状态,在数十年的运行过程中,洞室围岩长期遭受水、油、气的反复耦合作用,围岩性状可能发生劣化,从而出现长期安全问题。由于我国大规模洞库建设时间还很短,大规模洞库的长期安全问题尚未明显暴露[9]。

(2)地下水封洞库必须建在稳定地下水位线以下适当深度,通过岩体裂隙中地下水压力与洞内油品介质之间的压力差来确保油库的水封完整性。因此在建设期和运营期除了自然地下水的补给,还需要人工水幕系统的补给来保证水压。水压不足可能会造成油气泄漏、地下水污染等问题,但较高的水压又会造成施工期渗漏量大和注浆封堵难度大、运营期成本增加等问题。

(3)地下水封洞库一旦投运,就不再具备维修条件。洞库内所存储油、气为高危易燃易爆物,即使将洞库清空、采用惰性气体置换,依然不能保证洞库内具备维修、施工条件。对于后期运行出现问题的洞库,即便废弃,也会存在巨大安全隐患。目前我国已出现于20世纪70年代建设的小规模洞库废弃困难、后期处置棘手的问题。

以上特点决定了地下水封洞库工程建设施工期是水封洞库全生命周期内可用于加强安全稳定保障的唯一窗口时段。保证施工质量是保障洞库长期安全稳定运行的基础。因此,必须保障工程质量、加强过程控制,使得水封洞库工程建设质量满足设计功能和性能要求,不给后期运行留下安全隐患。施工过程中的工程质量检测是保障工程质量的重要手段,另外,通过施工期工程质量检测获得的围岩及结构参数指标、注浆效果和水封性评价相关信息,可进一步完善地下水封洞库工程设计,促进工程建设的动态设计和过程控制,推动水封洞库研究和建设水平的发展。

2 水封洞库工程施工质量控制重点

基于地下水封洞库的原理和特点,地下洞库工程至少应满足两个基本条件:①稳定性好;②水力密封性好。洞库工程质量检测应着眼并服务于上述关键目标。

2.1 洞库围岩稳定性控制及检测重点

开挖质量好、支护结构稳定是地下水封洞库洞室围岩稳定的基本前提[10]。洞室开挖质量应具有成型好、损伤小、振动小等特点[11],洞室开挖质量的检测、试验及控制主要包括以下方面:

(1)爆破试验,研究并确定合适的爆破方案、爆破参数。

(2)爆破振动监测,控制爆破对邻近洞室及周边建、构筑物的振动影响[12-13]。

(3)围岩松动圈检测,明确开挖卸荷及爆破振动对围岩的影响范围、影响程度,并为爆破控制提供依据和指标。我国南方某地下水封洞库工程曾开展了喷射混凝土与围岩粘结强度测试(图1),现场拉拔试验结果表明,约50%的试点的破坏面并非喷层与围岩接触面,而是围岩中的爆破裂隙面。这说明不论是对洞室围岩稳定还是渗漏来说,喷层、喷层与围岩的接触面不一定是洞室结构体系中的薄弱环节,围岩中的松动圈才可能是真正的薄弱环节。这同时也说明了对围岩松动圈检测和控制的重要性[14]。

图1 混凝土喷层与围岩粘结强度钻芯隔离试件拉拔试验Fig.1 Pull test of drill core isolated specimen for the bond strength between concrete spraying layer and surrounding rock mass

(4)洞室形态检测。洞室形态检测在水封洞库工程中具有重要意义,一方面需要通过洞室形态检测评价洞室施工质量,另一方面洞库建成后的气密性试验、运行状况监控,都需要以准确的洞室形态为评价基础。

水封洞库洞室支护一般采用喷混凝土、锚杆、锚索、钢支撑等形式。支护措施选择是否合适、施工质量是否可靠,是评价支护工程质量优劣的主要标准,洞室支护工程的检测和控制主要包括以下内容:

(1)原材料质量检测,原材料包括施工用水、砂、石、水泥、钢材等。

(2)混凝土配合比试验及质量检测,特别是洞库工程中特殊的钢纤维喷射混凝土、封塞混凝土等,应尤其重视其配合比设计及检验,试验及检测指标包括混凝土强度、抗渗等级、抗冻等级、喷射混凝土厚度、喷层与围岩黏结力等[14]。

(3)锚杆(索)质量检测,检测内容包括砂浆质量、密实度、锚杆(索)长度、锚固力等。

(4)钢支撑检测,检测内容包括结构形态、结构内力、与围岩接触压力等。

2.2 洞库水封性控制及检测重点

要保证洞库具有水封性是地下水封洞库不同于其他地下洞室的最显著特点。按照目前规范要求,整个施工期洞库都必须处于稳定地下水位以下,同时还要控制渗漏量,这是地下水封洞库的独特要求,同时也使得洞库工程的施工要求不同于其他地下工程[15-16]。地下水封洞库的施工如仍按其他地下工程惯用方式实施,难以保证洞库的水封效果,“宜堵不宜排”是水封洞库地下水控制的要点[17-19]。

目前水封洞库施工过程中采用的堵水手段主要为灌浆,灌浆质量是影响地下水封洞库成败的关键[20]。根据地下水封洞库存储油质的特点,灌浆质量检测主要包括以下内容。

2.2.1 灌浆材料检测

目前灌浆材料多采用水泥或超细水泥,但在局部强透水洞段,或者可灌性差的洞段,需要采用其他类型灌浆材料才能达到预期效果。水封洞库作为存储库,需要论证灌浆材料与后期所储油品的化学反应及其对储油品质和灌浆效果的影响[21]。目前这方面经验积累还不充分,需要加强研究。

2.2.2 灌浆效果检测

根据《地下水封洞库施工及验收规范》(GB 50996—2014),目前对灌浆效果的检测多采用试钻法。在经灌浆处理的地段钻孔,检测孔内渗水量是否低于限值。但该检测方法存在不足,首先,由于围岩的裂隙渗水特点,不同钻孔位置、同一钻孔不同区段,渗水量都会有很大差异。孔内渗水量与钻孔所穿过的透水裂隙数量、性质密切相关,带有很强的随机性,难以采用一个统一的标准来评价灌浆是否达到预期效果。另外,孔内渗水量一方面与钻孔所穿过的透水裂隙有关,另一方面也与围岩中的水压有关,水压越大,渗水量越大。所以单纯依据孔内渗水量很难客观评价灌浆效果,建议将灌前、灌后压水试验结果对比作为主要的灌浆效果检测手段。

2.2.3 灌浆效果评价

对灌浆效果的评价,不仅要以灌浆施工过程中的渗水量为依据,还要考虑运行特点和过程。现阶段工程实践中经常遭遇的情况是,施工期地下水位低,洞周水压小,检测部位渗漏量满足要求,但在后期运行阶段,地下水位升高,洞周水压加大,渗漏量也加大进而超过允许值。灌浆效果评价应避免类似评价不完全的情况发生,也不能只是“一孔之见”,应在对工程区岩体渗透特性、渗流长演化特征进行综合研究的基础上,综合、全面评价灌浆效果,而且需要检测单位和地质、设计、施工单位协同完成[22]。

此外,地下水封洞库工程场区与外界环境存在显著的水力交换,施工过程中还需要进行水质检测,判断是否存在海水倒灌、地下水污染等不利情况出现。

3 现阶段洞库工程质量检测模式及问题

地下水封洞库工程建设涉及检测内容繁多,而且有其自身独有的诸多特点及难点。这导致洞库工程质量检测具有难组织、难实施的特点。

按照《水利工程质量检测管理规定》等规范要求,从事施工过程检测的试验室应具有相应的能力和条件。试验检测机构应具有明确的法律地位,必须由母体试验检测单位授权,并经业主、监理对现场试验条件验收合格后方可开展现场试验检测工作,项目建设过程中必须保证试验检测单位经济和检测工作的独立性。

目前地下水封洞库的工程质量检测一般分3级,从下至上分别为施工单位自检、监理单位抽检、建设单位抽检。不论是哪一级检测,从事检测工作的试验室均应保证检测工作的独立性。

由于试验室技术和设备要求严格,施工单位通常很难自行在现场组建完备的试验室,即使是施工单位自检,也经常通过送交外委单位实施检测。但是从地域上,大型地下水封洞库考虑到保密性、工程自身安全性以及对环境的影响等因素,选址一般较为偏远,从而导致地下水封洞库工程难以就近找到合适的检测机构来完成洞库工程相关检测工作,施工质量难以得到有效控制和充分保障。大规模水封洞库工程施工质量检测频繁,通过外委的形式也不利于提高检测工作效率。

目前国内仅完成4座大规模地下水封洞库工程建设,大规模洞库工程中质量检测的组织和管理,并未积累足够经验。从现有工作情况分析,大规模水封洞库建设工程质量检测存在诸多有待完善之处:

(1)投入力量不足。现阶段大型地下水封洞库工程质量检测一般由施工单位在现场设立试验室,承担施工自检。建设单位和监理单位通常不再单独建试验室,建设单位和监理单位的试验检测也在施工单位试验室实施,通过业主或监理旁站的方式完成抽检。

对于施工单位试验室难以承担的检测项目,如锚杆无损检测等需要特定资质的检测项目,一般以外委形式完成。施工单位主要从事施工生产任务,现场很难投入足够的试验检测设备完成工程中所有的试验检测项目,特别是对于现阶段水封洞库建设中所需进行的复杂探索性检测试验,常规试验设备难以完成,更加凸显了施工单位试验室设备的不足,也难以做到项目整体的统一规划、统一管理;从人员投入角度看,施工单位试验室人员一般由施工项目部人员兼任,试验室作为施工项目部的一个下属部门,难以保证试验室在技术和经济上的独立性,试验人员的专业技术储备也往往不足。业主和监理投入的人员力量也以监管为主,不一定具备相应的技术执业资格和能力。

(2)管理不够顺畅。由于现场没有统一的试验室,检测项目繁多,检测单位零散,检测试验成果的系统性较差,加上相应的质量监管人员不一定具备技术执业能力和检测试验经验,使得整个工程质量检测工作的管理难以做到统一、有序。

(3)资源浪费严重。大规模洞库项目一般分多个工程标段,工程标段虽然不同,但是工程建设中所采用的主要材料、工法及所需要开展试验检测的内容相同或相近。如果各个标段各自设立试验室,各个试验室的独立运转不可避免会带来人力、物力、财力资源浪费,而且由于各个试验室人员技术力量、试验设备、检测方法等方面的差异,会造成试验成果及其评判标准也存在差异,不利于整体工程质量的评价分析和水封洞库工程建设技术水平的发展。

(4)缺少相关技术规程。由于地下水封洞库项目自身的特殊性,洞库工程施工质量检测标准并不能完全借鉴水利水电项目。目前国内洞库工程质量检测主要执行《地下水封石洞油库施工及验收规范》(GB 50996—2014),现有规程规范在水封洞库围岩稳定性和水封完整性的工程质量检测方面还不完善,也缺少统一的标准来实现对工程质量检测结果的评价,影响了现场工程质量检测工作的效率和施工进度。

4 现场设立第三方试验室的优势及作用

我国近几十年的大型水电工程建设实践积累了丰富的现场检测试验工作经验,可为大规模水封洞库工程建设提供参考借鉴。

在大型水电工程建设过程中,由于工程规模大,通常也划分为多个标段,每个标段建设自检试验室,承担本标段自检工作。同时,建设单位委托设立独立于施工标段的第三方试验室,直接对建设工程主体负责。在此情况下,一般对资质要求低的常规检测由施工单位自行完成,第三方试验室以抽检和检查的形式保证检测成果的可靠性。对于技术要求高的检测项目,以及工程建设中需要开展的专项试验研究工作,由第三方试验室统一完成,试验检测成果可直接为工程服务。

建设单位在现场委托设立第三方试验室的优势主要体现在以下几个方面:

(1)第三方试验室独立于建设单位和施工单位,可以保障建设工程质量管理工作的完备性和检测成果的客观性。

(2)第三方试验室通常由具有相应的能力和条件并经国家计量认证的单位承担,具有开展试验检测工作所需要的专业技术力量和试验检测设备,能满足现场的各项检测工作需要,使检测工作能够统一、有序地开展。

(3)第三方试验室作为工程建设的参与单位,可针对工程中的特殊问题开展深入的专项试验及研究工作,并可站在工程质量综合控制角度,共同制定对策,为整个工程建设的有序实施提供技术支持。

(4)第三方试验可从工程建设主体的基础上进行整体规划,开展诸如原材料检测、现场试验检测、检测方法研究、工程质量评价分析等工作,可有效避免各施工单位试验室的重复试验检测工作,有助于节省投资。

为了使地下水封洞库工程第三方试验室运行更加有效,同时保障检测成果的公正性,提出了以下建议:

(1)第三方试验室不宜以工程量为结算依据,而宜以现场投入的人力资源及技术力量作为主要结算依据,参考设计单位、监理单位的工程服务费结算模式,按建设工程总造价的百分比控制第三方试验室的工程技术服务费用。

(2)考虑到洞库工程中相关检测项目的特殊性,第三方试验室宜由建设单位依据工程实际需要统一规划、统一建设。

(3)目前洞库工程质量检测没有相应的指导规范,这也是导致目前洞库工程质量检测工作效率不高的重要原因。建议尽快组织编制水封洞库质量检测技术规程,规范和指导后续洞库工程施工质量检测工作。

5 结论和建议

地下水封石洞油库工程建设需求旺盛,但是其存在“一旦投用就难以维修”的显著特点,从而决定了地下水封洞库工程建设施工期是水封洞库全生命周期内可用于加强安全稳定保障的唯一窗口时段。施工过程中加强对洞库工程质量的检测与控制,是保障洞库工程综合效益发挥的重要前提,意义显著。水封洞库工程除了和其他地下工程一样需要满足洞室围岩稳定条件外,还需要满足水力密封条件,导致洞库工程检测的重点、检测指标与其他类型地下工程存在差别,洞库工程需要强调对灌浆材料、灌浆效果、水质条件、围岩条件等的检测。由于地下水封洞库工程建设涉及检测内容繁多,而且有其自身独有的诸多特点及难点,导致洞库工程质量检测难组织、难实施。

现阶段地下水封洞库建设工程质量检测以施工单位自检为主,具有检测机构独立性不够、检测力量投入不足、工程质量管理流程不畅等弊端。建议水封洞库工程建设借鉴大规模水电工程建设经验,在现场设立第三方试验室,一方面从建设工程管理的角度对整个工程质量及施工过程进行统一监管,另一方面可由第三方试验室在建设单位的管理下参与处理工程中有关质量检测的重大技术难题。第三方试验室的设立,有助于加大水封洞库工程建设中质量检测技术力量的有效投入、保证检测成果质量、规范检测工作流程、优化工程质量检测成本,为洞库工程质量保驾护航。鉴于目前地下水封洞库工程质量检测还没有相应的指导规范,建议尽快组织编制相应规程规范,指导后续地下水封洞库工程质量检测工作。