1.4 动态设计理念下本工程施工要点
1.4.1 动态设计概念
动态设计（dynamic design）是在动态作用下，以结构构件动力状态反应为依据的设计。有时可采用动力系数方法简化为静态设计。
本章节所述的动态设计实质上是一种“动态设计法（method of information design）”，即根据信息施工法和施工勘察反馈的资料，对地质结论、设计参数及设计方案进行再验证，若确认原设计条件有较大变化，则及时补充、修改原设计的一种设计方法。
鉴于影响大型洞室群尤其是大型水封洞室群的稳定性之因素多、个体差异大，就必须充分应用测试、反演技术，采取“反复校正、及时调控”的动态设计以期取得本工程的“安全、环保、经济、节约土地和维护经费”等优势。
1.4.1.1 大型石洞群智能动态设计[7]
大型石洞群智能动态设计是智能设计方法（intelligent design method，IDM）与动态设计方法（dynamic design method，DDM）的一种复合设计法，旨在对复杂地质条件下大跨度、高边墙、多洞室平行或交叉的石洞群多步开挖过程中的强卸荷特点，采用经验类比、数值分析、智能分析、动态分析等的综合集成。该法从地质（构造、水文与工程）条件的认识、地应力分布特征和地下水渗流特征的把握、大跨度高边墙石洞群平行或交叉的围岩变形破坏机制的理解到围岩安全稳定性评价、破坏模式识别、调控措施（开挖过程和支护方案）全局优化及施工过程中的反馈分析与动态调整的系统全过程进行研究，以验证地下洞库群修建前的初步设计方法和洞群修建过程中的动态最终优化设计（修改设计）。大型洞室群智能动态设计方法的主要思想，包括初步设计和动态反馈分析与设计两个阶段（图1.4.1.1）。
在初步设计（施工前设计）阶段，主要工作如下：
（1）通过工程地质勘察、现场勘探洞与试验洞观察与分析，认识大型洞室群区域的地质条件、断层、岩性分布、地形地貌特征等，根据相关建议标准进行工程岩体分级。
（2）通过地应力现场测试，考虑区域构造特征和现今的地形地貌，采用非线性反演方法，进行工程区三维地应力场的反演。
（3）通过一系列的室内试验（单轴压缩、三轴压缩、三轴加卸载、真三轴加卸载，声发射等）、现场勘探洞与试验洞的变形、应力、微震和弹性波等多元信息的观测，揭示大型洞室群围岩的变形破坏机制和特征，采用智能方法识别围岩的本构模型、强度准则和参数，如考虑多步开挖引起围岩损伤弱化累积的力学模型和参数的识别方法。
（4）采用洞室群开挖过程与支护方案全局优化智能方法，结合数值分析，优化开挖分层数、开挖顺序、台阶高度和关键部位精细开挖方案以及合理的支护型式和参数。
（5）通过建立的破坏模式分类方法，进行潜在的大型洞室群破坏模式识别。
（6）采用围岩分级、强度折减、能量超载等可能的方法，进行洞室群整体稳定性和安全系数评价；以破坏接近度和局部能量释放率为指标的数值分析，评价围岩的整体和局部稳定性；采用可靠性方法等对洞室群进行风险估计。
图1.4.1.1 大型地下洞群智能动态设计方法流程
（冯夏庭，2011）
（7）采用工程类比与数值模拟相结合，建立大型洞室群各层（或第一层）开挖的围岩变形管理等级。
（8）根据上述分析结果、有关设计要求等，综合建议满足功能需求和安全性要求的大型洞室群设计方案，主要包括厂房轴线方位角、洞室开挖台阶高度、洞群开挖顺序、围岩系统支护参数、关键部位精细开挖方案与围岩支护参数、围岩分层开挖变形管理等级、防渗设计等。
在施工期，逐层进行大型洞室群的动态反馈分析与设计优化，直至其开挖完成，主要工作如下：
（1）根据开挖过程中所揭露的地质条件对分析和设计所考虑的地质条件进行复核和破坏模式复核，根据需要可以动态更新地质模型。
（2）据开挖所揭示的围岩局部破坏形式与位置、变形特征复核三维地应力场分布特征。
（3）据揭露地质情况进行围岩破坏模式复核和识别。
（4）采用基于多元监测信息的岩体力学参数智能反演方法，反演和复核围岩的力学参数，并用反演所得参数评价当前开挖状态洞室的稳定性，根据稳定性评价结果进行洞室的支护优化设计；并进一步预测下一步开挖后围岩的变形破坏特征。
（5）结合工程类比、数值模拟与上几层开挖围岩变形管理等级建立经验，建立大型洞室群下一层开挖的变形管理等级。
（6）基于变形管理等级、围岩开裂、锚索应力超标、数值分析的破坏接近度和局部能量释放率等，综合判别洞室后续开挖围岩的稳定性。
（7）采用洞室群开挖过程与支护方案全局优化智能方法，根据围岩的实际地质条件和变形破坏特征等，进行动态调控措施识别，包括进一步优化下步开挖方案（开挖参数、开挖时间等）和支护设计方案（支护类型、参数和时机等）。
（8）利用长期稳定性分析方法，对大型洞室群的长期稳定性进行分析预测和评价。
1.4.1.2 本工程动态设计[8]
本工程以项目管理系统（DKPMS）和洞库动态设计辅助数字平台系统（DKDAP）为纽带，融其施工勘察、监控量测、地质超前预报、围岩稳定性判识等理论和技术，实施信息反馈设计，解决经验与实际不符、理论与实际脱节、施工前预设计的局限性，实现大型地下水封石洞油库动态设计的信息化、智能化、科学化。
动态设计的过程是正向设计与反向设计相互结合的过程，所谓正向设计是指从概念设计到详细设计，从而得到设计方案的自上而下的设计过程。而反向设计是指根据新获得的设计条件，结合原有的功能要求，对原有的设计方案进行设计修改优化的过程。
实现动态设计的关键技术主要有如下两点：
1.参数化技术
参数化设计为设计者提供了一个动态设计的环境。目前，地下工程设计和施工技术的参数化设计已经比较成熟，有大量的工程经验可供借鉴参考，这使将参数化方法引入动态设计成为可能。利用参数化技术，不仅可以实现对地下工程设计方案的动态设计修改，还可以通过修正模型定义变更关系，以一组变量的某种特定的形式或特征来表达变更关系，在设计方案的基础上参数化完成设计变更。
2.变量修正设计理论
变量修正设计理论是一种支持产品功能的设计理论，其主要特点有：①支持从上到下的参数化设计；②支持面向变量的产品设计；③支持动态修正设计。在动态设计中，参数化设计、变量综合设计、施工方案设计是三个相互交叉的过程，对概念设计产生的设计变量和设计变量约束进行记录、表达、转播，使各个阶段设计主要是在产品功能和设计者意图的基础上进行，它始终是在产品的功能约束下进行和完成的。其设计过程如图1.4.1.2所示。
图1.4.1.2 动态设计过程示意图
动态设计核心思想就是：以工程实际为出发点，以工程安全、质量为中心，以各种设计管理制度、方法、手段、技术等为平台，以初步设计（基础设计）为基础，根据工程建设过程出现的各种各样的问题，具体分析，快速反应，合理配置施工资源，深化细化设计方案，安全高效地实现工程建设目标。这也是新奥法所遵循的基本思想。
动态设计理念是本工程地下洞室群施工期开挖支护过程中，根据新奥法理论，从工程实际出发，在基础设计、施工阶段不断摸索、逐步提出和完善的，是工程建设的首要环节。
在本工程地下洞室开挖支护施工过程中，由于受洞室规模大、地质构造复杂、岩体强度变化大、地下水较高且要求保水施工等特殊因素影响，选择安全、经济、合理的洞室群开挖时序、围岩支护参数、断层及局部不良地质地段处理方案、最佳的支护时机、后注浆施工方案、施工程序等是工程设计面临的关键技术难题，洞室群开挖支护设计方案在基础设计阶段就作为工程重大关键技术问题之一备受关注。根据施工图阶段对于洞室群围岩问题的认识，设计院在进行洞室群开挖支护方案设计时提出并遵循了以下基本原则，即：①以已建工程经验和工程类比为主、岩体力学数值分析为辅，充分汲取专家建议；②发挥围岩本身的自承能力，优先选用柔性支护，以柔性支护为主、局部辅以刚性支护，以系统支护为主、局部加强支护为辅，并与随机支护相结合；③对于有地质缺陷的局部洞段以及在结构和功能上有特殊要求的洞室，采用锚杆加密、加长等型式的喷锚支护和钢筋肋拱喷护相结合的复合式支护，即特殊部位特殊支护的设计原则；④围岩支护参数根据施工开挖期所揭露的实际地质条件和围岩监测及反馈分析成果进行及时调整，即动态的支护设计原则。
本工程动态设计流程如图1.4.1.3所示。
图1.4.1.3 本工程动态设计流程
本工程的动态设计作了七个方法的创新：
（1）典型工程类比法——工艺竖井区后注浆动态设计。
（2）监控量测设计法——洞口衬砌混凝土动态设计。
（3）综合信息化法——主洞室灌浆动态设计。
（4）综合信息化法——主洞室⑨0+665～0+690后注浆动态设计。
（5）组合结构法——主洞室⑤0+400～0+465动态设计。
（6）变量化分析法——水幕系统动态设计。
（7）围岩支护动态调整法——主洞室①南端墙动态设计。
在本章节仅就（6）变量化分析法——水幕系统动态设计简介如下：
变量化分析是在参数化、变量化造型和实验数据分析的基础上进一步发展而提出的一种面向设计的快速重分析方法，在设计早期或已完成部分工作量，进行设计验证和预测产品性能，减少工作过程反复。变量化动态分析是在结构布局、关键设计参数在一定范围内，经过已完成部分实验结果分析，以选择合适的结构布局和尺寸参数，提高结构的性能。
本工程水幕系统按照设计图纸，已全部完成水幕巷道开挖和水幕系统注水孔造孔施工，第一阶段和第二阶段现场注水试验根据水幕试验及供水说明书也已经全部完成。水幕系统的现场注水试验分三个阶段进行：第一阶段，单一水幕孔注水-回落试验；第二阶段，水幕有效性试验；第三阶段，全面有效性试验。
1）单一水幕孔注水-回落试验。根据已完成区域单一水幕孔注水-回落试验数据，分析试验曲线结果，可将水幕孔水压力、流量与时间的关系曲线分为以下三类：
a.A型曲线回落压力为零，说明围岩极其破碎，稳定后水位在水幕孔以下（图1.4.1.4）。
图1.4.1.4 A型水压力、流量与时间关系曲线
图1.4.1.5 B型水压力、流量与时间关系曲线
b.B型曲线回落压力小于注水压力，但不为零。水幕孔注水阶段压力上升时间短，回落阶段，压力逐渐回落，回落压力小于注水压力，表明水幕孔围岩裂隙较发育。此种类型曲线为水封性有利曲线（图1.4.1.5）。
图1.4.1.6 C型水压力、流量与时间关系曲线
c.C型曲线水幕孔密封性良好，注水阶段压力上升时间短，速度快，注入流量小，回落压力变化很小，基本无变化，表明水幕孔孔壁不渗透。由于渗透性差，出现该种性质的水幕孔需要特别关注（图1.4.1.6）。
综合上述分析，在单一水幕孔注水-回落试验成果中，该区域内渗透性较好水幕孔73个，渗透性较差水幕孔40个。其中A1区 19个注水孔中，渗透性较好注水孔有5个，较差有14个；A2区20个水幕孔中，渗透性较好注水孔有14个，较差有6个：B1区19个注水孔中，渗透性较好注水孔有13个，较差有6个；B2区18个水幕孔中，渗透性较好注水孔有16个，较差有2个；C1区18个注水孔中，渗透性较好注水孔有14个，较差有4个；C2区19个注水孔中，渗透性较好注水孔有11个，较差有8个。综合分析，六个区域中A1区水幕孔围岩渗透性最差。
2）水幕有效性试验（单孔渗透性分析）。取具代表性的A2区分析注水孔有效性试验第二阶段第一个水动力状态、第二个水动力状态试验数据，根据奇、偶数注水孔压力与时间的关系曲线图（图1.4.1.7、图1.4.1.8）。向偶数孔A202、A204、A206、A208、A210、A212、A214、A216、A218中注水并保持压力为0.6MPa，观测发现奇数孔A207、A215、A217、A219中水压力明显上升，说明这些注水孔渗透性较好，而A201、A203、A205、A209、A211、A213中水压力基本不变，则表明其渗透性差。向奇数孔A201、A203、A205、A207、A209、A211、A213、A215、A217、A219中注水并保持压力为0.6MPa时，发现偶数孔A208、A212、A214、A216在观测时间内孔内压力明显上升，说明其渗透性较好，而A202、A204、A206、A210、A218中水压力基本不变，表明其渗透性差。
图1.4.1.7 奇数注水孔压力与时间关系曲线
图1.4.1.8 偶数注水孔压力与时间关系曲线
综合上述分析，在水幕有效性试验成果中，压力不变的注水孔有57个，压力增大的有56个，其中A1区压力不变的注水孔有17个，压力增大的有2个；A2区压力不变的注水孔有12个，压力增大的有8个；B1区压力不变的注水孔有9个，压力增大的有10个；B2区压力不变的水幕孔有11个，压力增大的有7个；C1区压力不变的注水孔有4个，压力增大的有14个；C2区压力不变的注水孔有4个，压力增大的有15个。
通过上述试验数据分析，按照水幕孔有效性判定原则如下：
a.凡在两个水力状态下连续实现水力联系的注水孔之间判定为建立了有效水力联系，不进行补充钻孔。
b.凡单侧实现水力联系，即判定其孔间建立了有效的水力联系，不进行补充钻孔。
c.凡一个水力状态显示注水孔间水力不连通，另一个水力状态无法判定期间有无水力连通的，判定为没有建立有效的水力联系，需进行补充钻孔。
d.凡两个水力状态均无法实现水力联系的，判定为没有建立有效水力联系，需进行补充钻孔。
根据上述水幕有效性判定原则，需对上述两区域局部注水孔补充钻孔，局部注水孔间距由原设计10m调整为5m，加强各注水孔间围岩裂隙水力连通性，保证水封效果（图1.4.1.9和图1.4.1.10）。
图1.4.1.9 原设计水幕孔布设图
图1.4.1.10 分析调整后水幕孔布设图
1.4.2 国外地下工程动态设计方法
1.4.2.1 引言
安全、环保、经济、合理的大型地下水封洞群设计取决于逼真的地质模型、恰当地围岩特性描述诸如原地应力场、地下水位线变动和岩石水力学等影响因素的评定。尽管如此，目前大型地下水封石洞储油库建设设计基本上仍处于主要依靠相关地下工程经验类比、基本经验计算和围岩分类系统。另外，对开挖与支护方法的现场修改设计也更多的是基于工程施工实际直观而往往缺乏足够地分析。
为了克服目前设计、施工中的缺点，必须遵循一种结构和条理清晰的设计方法。下面将对按照奥地利地下洞室土工设计准则进行设计和施工的基本程序作一简要介绍[9]。采用此方法，一步一步进行设计。施工期间对整个设计步骤的一目了然使其能根据实际情况和要求调整施工方法。在设计期间确定合适的监测和数据评估法，在施工中随着信息量的增加而对其进行修正。
1.4.2.2 设计过程
土工技术设计主要包括5个步骤，从确定地层类型开始，以开挖等级确定结束。在前两个步骤中，应采用统计或概率分析以说明关键参数值和影响因素的可变性和不确定性及其在项目沿线的分布情况。然后在整个过程中需要时继续采用概率分析，从而进行风险分析并对开挖等级分布情况有所了解，这些都是标书文件的基础。
1.地层类型的确定
要对基本的地质构造进行描述，然后确定每种地层类型相关关键参数。选择参数应集中在这类参数上面，即预计能控制岩体特性并对施工方法、时间和成本有明显影响。地层类型是指具有相似物理和水力参数的一类岩体。并不是说每一种岩性单元都必须分为一种地层类型，只要不同单元特性在可接受限制范围内都一样即可。一般将不同岩石类型互层的岩层归为一个地层类型。地层类型数量取决于项目具体地质条件和设计过程的阶段。
在对岩体参数进行评估时必须特别小心。采用通常基于围岩等级的经验关系式，在一定条件下得到的有关岩体强度和变形性的结果是完全不真实的。因此建议对结果的合理性进行检查。
2.地层特性的确定
这个步骤涉及在考虑地层类型和局部影响因素情况下评估岩体对于隧道开挖的潜在反应，这些影响因素包括不连续体相对于开挖的相对方位、地下水条件和应力状况等。这个过程确定了项目具体的地层特性。这里地层特性被定义为岩体对地下洞室开挖的反应，而没有考虑后面的开挖步骤和支护。
首先是把定线分为若干土工单元或土工段，它们都拥有相同的岩体类型、影响因素和边界条件，然后针对各段分析岩体对开挖的反应。在没有施工方法的影响下对岩体特性的了解是制定正确的开挖、支护方法的一个重要基础。
分析方法的复杂性取决于项目所处的阶段和预计岩体特性的复杂性。在项目初期和岩体非常均质的情况下，采用闭合解就足够了；而针对详细设计或在各向异性很明显的情况下就必须采用适宜的数值法，即对每段针对所有可能的破坏模式进行系统的检查。这就要求采用不同的分析方法。例如，节理岩体在低应力条件下就会显示出超挖从而导致通天烟囱型破坏的趋势。在中等应力条件下同样的岩体则可能非常稳定，而其他的破坏模式，例如，在高应力条件下的剥落或剪切情况都必须预计到。
针对地层类型、地下水条件、破坏模式或综合破坏模式以及位移特点和程度，对认定的每种特性进行描述。在准则中，列出了11种基本的特性类别。为了便于交流沟通，应将所评估的特性与准则中的特性类别对应起来。必须对每种特性采用明显的界定标准，例如，超挖量也许可以作为“不连续性造成的超挖”这一基本类别中辨别不同特性的标准。破坏带的预计深度则可作为区分“浅应力诱发破坏”和“深层应力诱发破坏”类别的标准。这个明显的标准必须在土工技术报告中列出。显然，出现综合破坏模式的情况是可能的，例如超挖结合膨胀或剪切破坏结合超挖。
3.开挖、支护方案的确定及系统特性评估
基于确定的地层特性，对不同开挖方法和支护措施进行评估，然后确定可采用方法并选择各段的施工方法和支护措施。一旦确定了每段的施工方法，就必须对预计的系统特性进行评估和描述。系统特性是岩体与所选开挖、支护方案相互作用的结果，包括位移的空间和瞬间变化情况以及其他相关现象的确定，这在施工中有助于鉴别“正常”隧道特性并评定偏差严重程度。最初假设的施工方法即为最佳的情况很少，因此需要一个优化过程。由于一个问题存在多种解决方案，因此一般必须对一种以上的施工方法进行分析。由于在各种非均质地层条件下要求频繁改变施工方法，因此要求在一个合理的整体方案中对各种方法进行整合。
图1.4.2.1 开挖、支护方案的确定及系统特性
评估系统特性必须与其要求进行比较。如果系统特性不满足要求，就必须对开挖和支护方案进行修正直到一致为止。需要强调的是：在同样的基本地层类型条件下，不同的边界条件或要求可能导致不同的支护和开挖方法（图1.4.2.1）软弱地层条件下的浅埋隧道也许可作为一个例子。当其修建在空旷区域时，地表沉降是一个小问题，开挖和支护只针对施工成本进行优化。而在建筑林立区，开挖和支护措施的设计必须要限制地表沉降。这两种情况的开挖方法和支护措施以及成本都将差别很大。
关于安全性因素、假设荷载和初期支护寿命等方面的规则条例，每个国家都各不相同。因此在不同环境条件下，针对相同地层特性也必定会出现不同的设计方法。
一旦确定了开挖方法和支护措施，就应进行风险和经济性分析以便在投标过程中对其进行适当的评估。
4.土工技术报告——基础施工计划
在上述三个步骤的基础上，定线被分为开挖和支护要求相似的几个“均匀”区段。基准施工计划示明了每一区段可采用的开挖和支护方法。包括现场可能出现方案变更或修订的极限条件和标准。
该计划是对土工技术设计的一个概括，应包括有关地质条件、相关土工技术特征、极限值（例如地表沉降和爆破振动等）和超出特性极限值时的报警标准和补救措施。
5.确定开挖等级
在设计过程的最后一个步骤，必须将土工技术设计转化成投标过程中的成本和时间估算。在开挖方法和支护措施评估的基础上确定开挖等级。在标书中，开挖等级构成补偿条款的基础。在奥地利，开挖等级以ONORM B2003—1（2001）为基础。在其他地方，应采用当地或得到认可的规则条例，沿地下结构定线预计的开挖等级分布为投标期间制定工程数量清单和标价提供了基础。
1.4.2.3 施工
即使进行了很好的土工技术和地质勘察以及不断更新设计，但在现场还是必须针对局部条件对开挖和支护进行调整以便实现经济、安全的隧道施工。随着覆盖层的增厚和地质条件复杂性的增强，地层模型中的不确定性也增大了。因此需要做大量的努力并请专家继续对地层模型进行改进，预测掌子面前方地层条件，识别可能出现的破坏模式并预计和验证系统特性。施工期间不断增多的信息使得能够更准确地判定地层特性，从而根据地层特性和要求的系统特性对施工方法进行最佳调整。
隧道施工期间出现的许多严重问题都源自所谓的未预料地质条件。这可能包括对断层和断层带及地下涌水发现太晚。为了将此损害降至最小，需进行充分、连续的现场设计工作。
成功应用动态设计法，必须满足几个技术、组织条件。在施工期间，也应采用与设计阶段类似的程序步骤。它包括设计地层类型的鉴别、相关地层特性评估和特定条件下正确施工方法的确定。通过对持续勘察结果和监测过程的评估来进一步完善这个过程。在现场，针对预计特性的监测计划必须按一定密度实施，必须迅速对监测结果进行处理、评估和判读以便及时采取风险减缓措施。最后，但是同样重要的是现场组织机构应能有效决策并快速实施所要求的措施。
尽管在施工前可能对地层特性有了基本了解，但是不可能对其内在结构进行准确的预计。因此在施工期间必须不断改进地层模型。监测与数据收集工作必须集中在与工程有关的具体问题上。地质学者和土工技术工程师在现场的一个重要任务就是对隧道掌子面前方和隧道周围具有代表性的地层条件进行预测。只有模型相对准确，才能选择合适的开挖、支护方法。第二个比较重要的任务是监测开挖后的系统特性并判定其是否与预计情况相符。
1.地质任务
在许多施工现场，地质学者的工作仅仅是对实际地质条件进行记录，这通常以工作面地质素描的形式进行，然后将其转换成纵断面图和平面图。这也许有助于防止索赔，但对于按照实际情况选择合理的施工方法来说还不够。为了满足动态设计法的要求，地质学者必须不断更新地质模型，将现场观察值包括进去。由于开挖前就必须制定施工期间的许多决策，例如，循环进尺、超挖和衬砌厚度等。因此地质学者还必须对隧道掌子面前方和隧道周围具有代表性的地层条件进行预测。为了提高预测的准确性，要求对某些参数的变化趋势进行连续观察。为了对数据进行有效管理和评估，可采用具有先进统计和概率特性的数据库系统。掌子面前方地质建模的基础是在已开挖段所记录的结均变化趋势观察值。传统的手工掌子面素描图现在越来越多地得到现代3D图形系统的支持。一个隧道掌子面的3D模型实例，包含了从图像截取的不连续体方位的测量。这样就可能对地质条件进行比较公正的评估。不同于手工素描和采用罗盘进行的不连续体方位测量，从图像所得到的信息是全面且准确的，因为图像是经过校准和按比例绘制的。根据节理面或节理轨迹可测得节理产状。评估软件也为测量层理厚度、节理面积和节理距离提供了方法。
根据一系列连续开挖掌子面图像评估，通过外插法可预测隧道周围和掌子面前方具有代表性的岩体结构和岩体质量。而将其与结构性地质评估结合可得到一个非常可靠的地质模型，该地质模型作为地层特性预计的基础，而且也是确定相应施工方法的基础。
2.土工技术任务
现场地质学者收集的信息将由土工技术工程师进行进一步的处理，形成有关施工方法、监测布局和读取频率等决策的基础，这里只列举了土工技术方面的几个任务。为了及时制定决策，所有的数据记录和评估都必须按准实时形式进行，而且所有相关数据必须能为施工所涉各方使用。为此可利用基于互联网的信息平台，使施工现场外的专家也能了解其动向。在地质模型的基础上，土工技术工程师必须通过确定地质特征对地质模型进行更新。然后对前面开挖段的地质特性（无支护情况下地层对开挖的反应）、可能出现的破坏模式、开挖及支护方式进行评估。为了验证土工技术模拟，可利用已开挖段的监测结果。接下来对系统特性（地层和施工措施的综合特性）进行预计并将其与要求进行对比，例如，适用性和极限要求（沉降和振动等）。考虑合同方面的咨询工程师将根据土工技术工程师的建议，对施工措施进行修订。当其与土工技术工程师的建议有异议时，必须对预计的系统特性进行重新评估。
土工技术工程师还必须确定详细的监测布局图和方案，其目的是为了获得所预计的特性。一旦确定了预计的系统特性并实施监测，将对观察特性和预计值进行比较。出现与正常或预计的特性偏离情况时必须对其进行评估，而且如果结果不满意，建议采取减缓措施。土工技术安全管理计划中列出了警告和报警标准以及各种减缓措施，这是由设计者和土工技术工程师在现场共同制定的。
3.位移监测数据超前分析
地质模拟最好通过监测位移分析来进一步补充。监测到的位移矢量空间方向趋势可用来确定隧道掌子面前方岩体质量的变化情况。
在一个穿越阿尔卑斯山隧道的例子中，当隧道掌子面在距断层带几十米的地方时，其位移矢量方向趋势就发生了很大变化。在此项目中，准匀质地层中的正常位移矢量方向与掘进方向形成的角度范围为4°～9°。在1100m里程处可观察到矢量方向与正常范围发生了偏离。在从完整岩层过渡到断层带时矢量方向偏离达到峰值。随着隧道在断层带的进一步开挖，位移矢量方向趋势又倾向于正常范围。当上部导坑位于断层带中时，位移矢量方向趋势偏离到正常范围的另一侧，表明断层带的后面是更坚硬的岩体。对于延伸的断层带，位移矢量方向一般又回到“正常”范围，直到出现另一个偏离，表示其影响边界已延伸到更坚硬的岩体。为此可利用此信息估计断层带延伸范围。
一般而言，断裂岩与相邻岩体间的硬度差别越大，断层带就越长，位移矢量方向与正常范围偏离也就越大。Grossauer（2001）已表明这对一定临界长度的断层带而言是有效的。对于其范围小于大约3～5个隧道直径的断层带，发现在更加坚硬的岩体之间形成了一定的成拱现象，而且断层带的位移也比延伸范围更大的断层带内的位移小。
采用立体投影显示空间位移矢量方向，可得到隧道断面以外具有一定精度的断层产状。一般来说，岩体的原始应力场和各向异性将影响位移矢量方向。因此对于各个工程项目而言，其“正常”位移矢量方向范围是有一定差异的。
4.位移预测
一旦建立起掌子面前方区域的地质-土工技术模型，就可确定支护和开挖方法，并对位移发展情况进行预测。Sellner在Sulem等人的研究结果基础上开发出一软件——Geofit，能在考虑不同开挖顺序、掘进速率和不同支护的情况下预计其位移情况。采取此软件不仅可以预测位移发展情况和最终位移程度，而且还能预测不同支护的效果。
在假设的施工顺序基础上对无临时仰拱的上部导坑位移发展进行预测（虚线）。加上临时仰拱后，位移呈现下降趋势。第三步是预计由台阶和仰拱开挖引起的额外位移情况。此方法使其能在项目的初期对各种支护类型的效果和施工顺序对位移发展的影响进行评估。拥有一定经验后，如果读数间隔时间足够短的话，那么在隧道开挖几小时后就能预计其位移发展情况。如果表明位移超出可接受范围，那么可加强支护，并立即模拟其效果。
在开挖期间，可将位移测量值与位移预计值相比较。与传统位移曲线图相比，这种软件工具的一个较大优点就是对于不稳定的掘进也可对其系统特性的正常状态进行清晰的评估。
大量应用表明，GeoFit采用的预计位移的经验公式很好地反映了地层的反作用。偏离预计位移发展方向可归因于异常特性或地层—衬砌系统遭到破坏。不过，软件的合理应用需要一定经验。
前面的例子都表明开挖掘进速率非常稳定。在这种情况下，对位移曲线图的解释非常简单，因为位移速率应随掌子面与量测断面之间距离的增大而不断降低。比较具有挑战性的是在不稳定掘进情况下对系统特性的正常性进行评估。
5.衬砌应力检查
对于城市地区的浅埋隧道，通常采用非常坚硬的衬砌以将地层位移降至最小。由于这种衬砌在低变形情况下容易发生脆性破坏，因此仅对位移进行评估不能提供一个可靠的应力状态说明。为此可采用3D光学监测结果对其应变发展情况进行评估。
拥有了合适的材料模型后，考虑随时间变化的硬化和强度发展以及收缩、温度及蠕变等影响因素，可对衬砌的实际应力水平进行评估。
衬砌应力评估不仅可以在获得监测结果后进行，而且还能在位移发展预计值的基础上进行预测。这对必须修建在具有较高初始应力的软岩隧道而言非常重要。在这种情况下刚性衬砌的损坏非常普遍。因此可建议将刚性衬砌改成可延展性衬砌。图1.4.2.2示出了在预计位移基础上的衬砌使用预计情况，从该图可以看出，采用刚性衬砌，大约一天后就会超过喷混凝土的承载能力。如果采用可延展性衬砌，衬砌应力将下降大约50%。合理利用这些可对监测数据进行处理和解释的工具能对隧道开挖过程进行连续控制，从而将“意外”减至最少。
图1.4.2.2 在预计位移基础上的衬砌使用预计情况
1.4.2.4 对本工程动态设计的启示
（1）成功地应用动态设计大型地下水封洞群的前提条件，一是要有一个合理的基本设计方案包括对付各种困难条件的措施与预案；二是要采用适当的监测系统以及时获取准确数据；三是在钻爆法开挖期间及时对获得的大量第一手数据作及时的处理、评估和判释。
（2）当下互联网使施工现场外的专家的实时介入成为可能，奥地利的隧道工程动态设计方法告诉我们，在工程保密范围外的数据均可以通过服务器获得，这就使得能在世界的任何一个地方跟踪洞群施工情况。这样，现场外的专家能在一个合理的平台上在任何时候给出建议而无须亲临现场。
（3）工程所在地层及系统特性模拟以及监测技术的进步能降低大型地下工程的风险。动态设计法改变了以往“边施工、边设计”导致一些意外与代价和延误工期情况，是一种借鉴于本工程依据施工实际采取灵活优化的设计方法。
1.4.3 本工程精致施工要点
在一定意义上，精致建筑即是精致施工。因为，在英语单词里，“建设”与“施工”均以（construction）来表示。本工程精致施工包括三方面内容：
（1）9条平行的20m宽、30m高、长度484～717m不等的主洞室精致施工。
（2）5个分布于三组罐、九洞室的5m×4.5m断面的水幕巷道及φ120、长5～6m到105m共计529个水幕孔精致施工。
（3）6个φ3m和φ6m、深100～110m不等的竖井精致施工。
上述三方面施工，均以断面8m×9m、长5819m施工巷道为纽带，全部采用钻爆法实施。由于施工揭示的地质情况与设计不同的变化，使技术设计与施工设计数值有所变更（表1.4.3.1）。另外，特别强调的是，三罐组九洞库的施工是在自然地下水位以下进行的。为避免自然地下水位因开挖出现地下水位下降时，施工期内随时采用预先的水幕（钻）孔进行人工补给以平衡原有地下水位线。
表1.4.3.1 本工程钻爆法施工前后分项工程规模比较
以上三个施工内容希冀获得“精致施工”品质，有必要作施工前的准备（图1.4.3.1）。重点准备工作如下：
（1）本工程的构造地质、水文地质和工程地质勘察各阶段的基本资料掌握到熟识。
（2）SY/T 0610—2008《地下水封洞库岩土工程勘察规范》的学习与针对本工程施工应用要点的列目到熟练应用准备。
（3）吃透本工程施工图设计及施工阶段勘察成果的设计意图和勘察深化的要点。
（4）GB 50455—2008《地下水封石洞油库设计规范》的学习与针对本工程施工贯彻要点的列目到熟练采取准备。
（5）明确地下水封石洞油库设计与施工的原则，为编制本工程施工组织设计打好基础。
（6）编制本工程施工组织设计文本并组织施工参与者共同讨论与取得实施的共识。
图1.4.3.1 本工程钻爆法施工准备内容框图
1.4.3.1 精致施工前的准备
（1）本区域构造地质、库址区水文地质和洞库区工程地质信息的掌控与应用要点。
1）本工程的区域构造地质环境，主要指以本工程洞库为中心、半径在百千米甚至上千千米的范围内地质构造诸如主要断裂带尤其是断裂活动带认真调查了解。重点搜集该区域内原位地应力场实例资料、历史地震记录等。
2）本库地区水文地质条件，主要指以本工程洞库埋深中心为中心、半径在10～100/km范围内的地面以上大气降水与地面以下地下水的变化规律与特性调查。重点搜集大气降水量及四季变化；地下水常年水位线、地下水类型、地下水“补、径、排”保持天然状态的条件；以及地下水质等。
3）本洞库区工程地质条件，主要指以本洞库复连通孔口区的中心为中心、半径在几千米至十几千米范围内围岩力学与水力学参数特性调查。重点是围岩质量特性指标、钻爆法开挖后围岩沿临空面朝面背覆深（厚）度的分区（带）、围岩在水幕包围尤其是水饱和状态下的变化监测信息、围岩在时效作用即本工程生命周期50年以上的流变特性和长期强度变化规律的了解。
（2）针对本工程上述（1）要点，在即定库址前提下，根据设计任务书或设计单位所提出的勘察任务书，对照SY/T 0610—2008《勘察阶段工作内容》，熟悉开工必备的地质信息和差距以定具体施工方法和提出施工期补充勘察计划。其重点如下：
1）明确选址范围、洞库性质、洞库规模、储存介质种类及有关工艺要求对“预可研阶段勘察”信息是否充分齐全？对区域稳定性和库址稳定性评价是否合理？对区域水文地质条件及稳定地下水位、洞库涌水是估算及洞库埋深选择是否正确？
2）明确“可研阶段勘察”内容，包括以下内容：
a.初步查明库址的地形地貌条件和物理地质现象。
b.初步查明库址区的岩性（层）、构造，岩（土）物理力学性质及不良地质现象的成因、分布范围、发展趋势和对工程的影响程度；重点查明松散、软弱层的分布。
c.初步查明岩层的产状，主要断层、破碎带和节理裂隙密集带的位置、产状、规模及其组合关系。
d.初步查明库址区的地下（地表）水位、水压、渗透系数、影响半径、水温和水化学成分及对混凝土的侵蚀性等。初步查明涌水量丰富的含水层、汇水构造、强透水带以及与地表溪沟连通的断层、破碎带和节理裂隙密集带，预测洞室掘进时突然涌水的可能性，估算最大涌水量。
e.进行围岩工程地质预分类，确定适宜建库的可用岩体的范围，提供场区地应力状态分布规律。
f.按围岩工程地质预分类结果提出适宜建库岩体范围和有关地下工程部署的建议，如洞轴线方位、洞跨、洞间距、巷道口位置等。
g.初步确定设计地下水位标高，并综合岩体工程地质条件和储存介质压力要求，提出合理洞库埋深建议。
h.初步查明主要软弱结构面的分布和组合情况，并结合岩体应力评价洞顶、边墙和洞室交叉部位岩体的稳定性，提出处理建议。
i.初步建立地下水动态观测网。
确认“可研阶段勘察”分析的重点，包括以下内容：
a.库址围岩分段预分类及可用岩体的范围。
b.库址可行性分析评价，确定库址方案。
c.地下工程部署的初步建议。
d.设计地下水位、洞库涌水量与洞库埋深分析和估算。
e.建立地质初步模型。
f.洞室稳定性初步分析评价。
g.存在问题及对下步勘察工作的建议。
3）明确“初步设计阶段勘察”内容，包括以下内容：
a.基本查明库址的地形地貌条件和物理地质现象，巷道进出口边坡的稳定条件。
b.基本查明库址区的岩性（层）、构造，岩（土）物理力学性质及不良地质现象的成因、分布范围、发展趋势和对工程的影响程度；重点查明松散、软弱层的分布。必要时应调查岩层中有害气体或放射性元素的赋存情况。
c.基本查明岩层的产状，主要断层、破碎带和节理裂隙密集带的位置、产状、规模及其组合关系。
d.基本查明库址地段的地下水位、水压、渗透系数、影响半径、水温和水化学成分及对混凝土的侵蚀性和对储存介质质量的影响等。特别是要查明涌水量丰富的含水层、汇水构造、强透水带以及与地表溪沟连通的断层、破碎带和节理裂隙密集带，预测洞室掘进时突然涌水的可能性，估算最大涌水量。
e.进行围岩工程地质分类并建立适当的地质模型。
f.按围岩工程地质分类结果提出适宜建库岩体范围和有关地下工程部署的优化建议，如洞轴线方位、洞跨、洞间距、巷道口位置等。
g.确定设计地下水位标高，并综合岩体工程地质条件和储存介质压力要求，提出合理洞库埋深建议。
h.查明主要软弱结构面的分布和组合情况，并结合岩体应力评价洞顶、边墙和洞室交叉部位岩体的稳定性，提出处理建议。
i.建立地下水动态观测网。
4）确认“初步设计阶段勘察”分析的重点，包括以下内容：
a.库址围岩分段分类及范围。
b.地下工程部署优化建议。
c.设计地下水位、洞库涌水量与洞库埋深分析和估算。
d.完善地质模型。
e.洞室稳定性分析评价。
f.巷道口稳定性及洞室轴线布置。
g.存在问题及对下步勘察工作的建议。
5）熟悉“施工图设计及施工阶段勘察”的任务与目的。
a.任务。
（a）随巷道、竖井、洞库的开挖，进行围岩地质编录，校核并确定围岩分类。
（b）按围岩地质编录结果编制巷道、竖井、洞库的地质展示图和洞库顶、底板基岩地质图以及洞库围岩富水程度图等图件。
（c）配合围岩分类或为测定爆破松动圈、检查喷锚质量和注浆效果等进行岩体声波测试。
（d）为了确定围岩应力状态，判别或预报顶板压力，洞室稳定性分析和衬砌支护设计计算，应进行岩体表面应力测量。
（e）采用先进的地质预报系统进行超前地质预报。
（f）实测洞库涌水量，预测洞库投产后地下水位恢复动态，为评价“水封条件”提供依据。
（g）继续进行地下水动态观测和资料整理分析工作。
（h）随着巷洞开挖，尚应进行下列工作：
a）对水封洞库的重要地下工程部位或新揭露的地质现象，补充必要的钻探工作量，钻孔深度应达设计洞库底板以下5m（当为斜孔时，应钻穿目的层以下2～5m）。
b）对新发现的岩性应采取岩样，进行岩矿鉴定和岩石物理力学性质试验。
c）根据水封洞库的施工特点，利用施工巷道或洞库第一层开挖所揭露的围岩，提出本阶段的补充勘察资料。
（i）应编制以下综合工程地质基本图件：
a）巷道、竖井、洞库的地质展示图，应标出围岩的岩性（层）界线、风化程度、断层和软弱夹层的性质规模及分布状况。
b）洞库围岩富水程度图，应标出含水裂隙带分布与宽度、出水点位置及出流状态等。
c）围岩结构面组合形态分布图，应标出掉块、塌方、片帮等发生处的结构面组合性状与规模，并简要说明其发生原因，必要时附素描图或照片。
d）底图比例尺应采用1∶100，成图比例尺采用1∶200。
（j）随着开挖工作的进行，不断分析研究地质规律，为洞、巷工作面前方一定范围内提供超前地质预报。对工程地质条件的可能变化段或工程重要部位，为各次爆破开挖提供地质预报。其内容应包括绘有岩性（层）、构造、结构面组合形态等的图件，并以简要文字说明可能发生的开挖障碍、施工注意事项等。
a）对危岩成因进行分析及处理，地质人员应分析危岩产生的原因，判断其稳定状态，并相应提出排除或加固的建议。
b）配合围岩分类或为测定爆破松动圈、检查喷锚质量和注浆效果等进行岩体声波测试。
Ⅰ.配合围岩分类的岩体声波测试，宜在地质编录基础上在围岩表面进行，以取得岩体弹性波速指标。
Ⅱ.爆破松动圈、检查喷锚质量和注浆效果等的声波测试，应在设计、施工提出要求时进行，其测试工作均应在测试孔中进行。
c）根据施工图设计及施工阶段勘察成果，协同设计、施工人员逐段研究具体的工程处理措施，对各处理段应作大比例尺 （1∶50～1∶20）的平面或剖面图，在图上标明岩性（层）、构造、各种结构面的组合形态和具体处理方法，并简要说明处理的原因及处理后效果等。
d）检验地下工程部署的合理性，在施工中根据所揭示的水文地质、工程地质规律，应不断地复核地下工程部署的合理性，当发现规模较大的隐伏构造或由于地下工程部署不合理而严重影响围岩稳定时，经充分研究应提出工程处理或调整的建议。
e）应按下列要求实测洞库涌水量：
Ⅰ.可用容积法逐一测定各出水点的水量，然后累计求得总涌水量或逐段测定排水量与施工用水量，求得洞库涌水量，即洞库某段涌水量等于施工排水量与施工用水量之差。
Ⅱ.实测洞库涌水量工作除在施工中逐段进行外，在整个洞库竣工后尚应统一测定一次并进行水质分析，测定时间宜选择在丰水季节。
f）在施工中不断整理分析地下水动态资料，以便为投产后的水位恢复预测提供资料，并根据对地下水动态规律的新认识，提出观测网的补充或调整的建议。
g）当遇到新的工程地质问题而影响施工时，应根据地质问题的复杂性利用各种施工开挖工作面观察和搜集地质情况，必要时可进行专门性工程地质问题勘察。根据勘察结果可建议修改施工方案，必要时可建议把全断面开挖改为导洞或分部开挖。及时进行地质编录和预报工作，并提出相应处理措施建议。
h）勘察资料整理与分析的重点如下：
Ⅰ.总结库区水文地质、工程地质条件与规律，并对施工前地面岩土工程勘察成果做出复核。
Ⅱ.分析施工中出现的岩体失稳原因、处理措施与效果，同时对各类围岩的支护措施、施工方案和施工注意事项等提出建议。
Ⅲ.结合工程地质条件对地下工程部署提出工程处理或调整的建议并作出评价。
Ⅳ.对洞库投产后的地下水动态或岩体稳定性监测工作等提出建议。
Ⅴ.估算洞库、巷道涌水量，为施工排水设计提供依据，为洞库投产后的排水设计提供预测值。
Ⅵ.提出针对不同性质、类型的含水裂隙的注浆封堵措施的建议。
i）综合工程地质测绘应包括下列内容：
Ⅰ.地貌形态和成因类型。
Ⅱ.地层岩性、产状、厚度、风化程度。
Ⅲ.断裂和主要节理、裂隙的性质、产状、充填、胶结、贯通及组合关系。
Ⅳ.不良地质作用的类型、规模和分布。
在i）内容中，岩石结构面发育程度与岩石风化两项尤为重要。
j）根据结构面的量测及统计结果，可按表1.4.3.2确定结构面发育程度分级。
表1.4.3.2 结构面发育程度分级
k）岩体风化程度及分类标准见表1.4.3.3。
表1.4.3.3 岩体风化程度分带
续表
注 波速比Kv为风化岩与新鲜岩压缩波（纵波）速度之比。
l）水文地质测绘应以对泉的调查作为重点，其主要内容如下：
Ⅰ.泉的位置、标高及与当地侵蚀基准面的相对高差，均标在图上。
Ⅱ.泉出露的岩层及上下岩层的岩性和构造，重要的泉应作裂隙率的统计。
Ⅲ.做泉的剖面图与素描图，描述或拍照泉四周的地形地貌景观，划分泉的成因类型，描述泉的出露特点，测量泉的流量（宜用容积法、三角堰法或流速法进行实测，不应利用目估法）、气溢、水溢、物理性质、水温、气温等。
Ⅳ.对泉水作简易水质分析并记录与泉水有关的物理地质现象，可通过调查取得枯水期与丰水期泉的涌水量资料。泉水动态类型可按表1.4.3.4进行划分，泉水溶解性总固体[10]分类可按表1.4.3.5进行，水化学类型可按布氏分类法进行。
表1.4.3.4 泉水动态类型划分
表1.4.3.5 泉水溶解性总固体分类
m）室内试验内容如下：
Ⅰ.岩石物理力学性质试验。
Ⅱ.岩石声波试验。
Ⅲ.岩矿鉴定。
Ⅳ.水质分析。
n）现场测试内容包括：
Ⅰ.钻孔弹性波测试。
Ⅱ.声波测井或地震测井。
Ⅲ.超声成像测井或孔内数字成像。
Ⅳ.钻孔地震CT或钻孔电磁波CT测试。
Ⅴ.孔内地温测试。
Ⅵ.钻孔应力测定。
b.目的。施工图设计及施工阶段勘察应达到如下目的：
（a）根据开挖获得的勘察资料校核施工前向设计、施工提供的勘察成果，深入认识和总结库区地质规律并积累经验。
（b）配合设计、施工及时解决对施工安全、工程质量有影响的水文地质、工程地质问题。
（3）针对本工程设计对施工的要求，熟悉GB 50455—2008《地下水封石洞油库设计规范》，重点掌握以下规定。
1）水封洞库的地质、水文条件应符合下列规定：
a.岩体的岩质应坚硬，完整性和稳定性应好，不应有张性断裂分布，岩石矿物成分不应影响储存油品质量。
b.应具有相对稳定的地下水位，地下岩体渗透系数应小于10-5m/d。
c.封堵后的洞库涌水量每100万m3库容不宜大于100m3/d。
2）水封洞库不应在下列地区内选址：
a.发震断裂或地震基本烈度9度及以上的地震区。
b.水源保护区。
c.国家级自然保护区。
3）水封洞库地上设施与周围居住区、工矿企业、交通线等的安全距离不得小于表1.4.3.6的规定，表中未列设施与周围建筑物和构筑物的安全距离应按现行国家标准GB 50074《石油库设计规范》的有关规定执行。
表1.4.3.6 水封洞库地上设施与周围居住区、工矿企业、交通线等的安全距离
4）施工勘察应包括下列内容：
a.编制巷道、竖井、洞室的地质展示图和洞室顶、壁、底板基岩地质图以及洞室围岩含水实况展示图等。
b.测定岩体爆破松动圈及岩体应力。
c.进行超前地质预报。
d.实测洞库涌水量，预测洞库投产后地下水位恢复情况。
e.对复杂地质问题应进行工程地质论证，提出施工方案建议，必要时进行补充勘察。
f.编写施工勘察报告。
5）水封洞库地上设施之间的最小防火距离应符合表1.4.3.7的规定。
表1.4.3.7 水封洞库地上设施之间的最小防火距离 单位：m
6）道路的设置应符合下列规定：
a.水封洞库地面上的主要道路宜为郊区型，宽度不应小于7m。
b.地上油罐组的道路设置应符合现行国家标准GB 50074《石油库设计规范》的有关规定。
c.地上竖井操作区之间应设置道路；道路的宽度不应小于7m，转弯半径不应小于12m，并应与其他道路相通。受地形限制时可设置有回车场的尽头式道路。
d.应设置通向地下水监测孔的人行通道。
7）洞室设计应符合下列规定：
a.当岩体处于低地应力区时，洞室的设计轴线方向应与岩体主要结构面走向成大角度相交；当岩体处于高地应力区时，洞轴线与近水平最大主应力方向宜平行或小角度相交。
b.洞室断面形状应根据岩体质量、地应力大小及施工方法确定。岩体自稳能力强时宜采用直墙圆拱式断面，岩体自稳能力差或地应力值较高时宜选用马蹄形或椭圆形断面。
c.洞室的断面宽度宜为15～25m，高度不宜大于30m，相邻洞室的净间距宜为洞室宽度的1～2倍。
d.洞室拱顶距微风化层顶面垂直距离不应小于20m。
e.洞室拱顶距设计稳定地下水位垂直距离应按下式计算且不宜小于20m。
式中：Hw为设计稳定地下水位至洞室拱顶的垂直距离，m；P为洞室内的气相设计压力，MPa。
f.洞室分层掘进高度应根据施工机具等条件确定。
8）施工巷道设计应符合下列规定：
a.施工巷道洞口应设置在标高低、岩体完整性好的位置。
b.施工巷道的数量应根据洞罐的数量和施工工期确定。
c.巷道的断面应满足施工机具双向通行、施工人员单侧通行，以及通风、给排水、电力和其他设施占用空间的要求。断面形状宜采用直墙拱形断面，底板宜铺设钢筋混凝土路面。
d.施工巷道的转弯半径和纵向坡度应满足施工机具工作的要求。最大纵坡不宜大于13%。
e.巷道口附近宜设置施工需要的场地。
f.地下库区施工完成后，施工巷道口应封闭。
9）连接巷道设计应符合下列规定：
a.连接巷道应保证相邻洞室内油品的流动通畅，最上方连接巷道的顶面标高应与洞室顶面标高一致。
b.连接巷道和施工巷道宜合并设置。
c.连接巷道断面形状宜采用直墙拱形，断面大小及数量可根据实际需要确定；连接巷道用作施工巷道时，应满足施工巷道的要求。
10）洞罐上方宜设置水平水幕系统，必要时，在相邻洞罐之间或洞罐外侧应设置垂直水幕系统。水幕系统布置应符合下列规定：
a.应满足洞库设计稳定地下水位的要求。
b.水平水幕系统中，水幕巷道尽端超出洞室外壁不应小于20m，水幕孔超出洞室外壁不应小于10m。垂直水幕系统中，水幕孔的孔深应超出洞室底面10m。
c.水幕巷道底面至洞室顶面的垂直距离不宜小于20m。
d.水幕巷道断面形状宜采用直墙拱形，断面大小应满足施工要求，跨度及高度不宜小于4m。
e.水幕孔的间距宜为10～20m，水幕孔直径宜为76～100mm。
11）竖井设计应符合下列规定：
a.竖井宜靠近洞室的端头或边墙布置，地面竖井口宜设置在操作便利、地面标高较低的位置，竖井断面宜取圆形，直径应满足所安装的管道及施工的要求。
b.竖井毛洞的尺寸设计应包括支护所占用的空间。
12）泵坑设计应符合下列规定：
a.泵坑应设置在竖井正下方洞室的底板上。
b.泵坑的尺寸应满足设备安装及操作的要求。
c.泵坑应分成两个槽，应分别设置潜油泵和潜水泵。
d.泵坑四周应设计高度不小于0.5m的挡水墙。
13）操作巷道设计应符合下列规定：
a.操作巷道底板标高宜设置在稳定地下水位上方。
b.操作巷道纵向宜设坡度，坡度应向外，坡度不宜小于5‰。
c.操作巷道净宽不应小于5m，净高不应小于7m。
d.操作巷道口应设置密封防护门。
e.操作巷道内应采取防水和通风等措施。
f.操作巷道内竖井的上方应设置固定的起吊设施。
14）支护设计应符合下列规定：
a.Ⅰ级围岩，洞室的跨度不大于10m时不宜支护，大于10m时，在不危及施工安全的情况下可不支护，遇有局部不稳定块体时，应采用喷射混凝土及锚杆加固；Ⅱ级围岩，洞室的跨度不大于5m时不宜支护，大于5m时宜采用喷混凝土支护，遇有局部不稳定块体时，应采用锚杆加固。
b.Ⅲ、Ⅳ级围岩，可采用锚喷、挂网或钢架等联合支护，对Ⅴ、Ⅵ级围岩的支护应根据围岩的具体情况确定。
c.锚喷支护宜按工程类比法设计，并应根据监控量测的结果修正，对于洞室应辅助以理论计算。
d.预可行性研究阶段的锚喷支护设计，可按附录B选择支护类型及其参数。其他阶段的支护设计，应根据各阶段的地质勘察结果修正围岩级别、调整支护类型和参数。
e.施工巷道口应根据地质情况采用加固措施。
f.竖井的井壁在中风化围岩以上部分应采用钢筋混凝土及锚杆重点支护；在中风化围岩及以下部分应采用加强锚杆喷射混凝土支护。
g.操作巷道顶、壁应采用喷射混凝土及锚杆支护，在操作巷道口围岩风化的部位，应加强支护。
15）喷射混凝土支护设计应符合下列规定：
a.喷射混凝土的强度等级不应低于C20。喷层与围岩的黏结强度，Ⅰ、Ⅱ级围岩不宜低于1.0MPa，Ⅲ级围岩不宜低于0.8MPa。
b.喷射混凝土的抗渗等级不应小于S6。喷射混凝土宜掺入速凝剂、减水剂、膨胀剂或复合型外加剂、钢纤维与合成纤维等材料，其品种及掺量应通过试验确定。
c.喷射混凝土的厚度可按附录B初选，并应按监控量测结果修正，厚度不应小于50mm，最大厚度不宜大于200mm。
16）掘进时，塑性变形较大及高地应力的围岩和产生岩爆的围岩，宜采用喷钢纤维混凝土支护，喷钢纤维混凝土支护应符合下列规定：
a.普通碳素钢纤维材料的抗拉强度设计值不宜低于380MPa。
b.喷钢纤维混凝土28d龄期力学性能指标，宜符合下列规定：
（a）重度宜为23kN/m3。
（b）抗压强度设计不宜小于32MPa。
（c）抗折强度设计不宜小于3MPa。
（d）抗拉强度设计不宜小于2MPa。
c.钢纤维直径宜为0.3～0.5mm，长度宜为20～25mm，掺量宜为混合料重的3%～6%。
d.喷钢纤维混凝土厚度应按喷射混凝土厚度选取，钢纤维混凝土表面应喷普通混凝土，普通混凝土厚度不宜小于30mm。
17）锚杆设计应符合下列规定：
a.对存在局部掉块的情况，锚杆的承载能力极限状态设计应符合下列规定：
a）拱腰以上的锚杆对不稳定块体的抗力，按下列公式计算：
水泥砂浆锚杆：
预应力锚杆：
式中：S为荷载效应组合的设计值；R为锚杆抗力的设计值；rG为不稳定块体的作用分项系数，取1.2；Gk为不稳定块体自重标准值，N；n为锚杆根数；Ax为单根锚杆的截面积，mm2；fy为单根锚杆的抗拉强度设计值，MPa；σcon为预应力锚杆的设计控制抗拉力设计值，MPa。
b）拱腰以下边墙上的锚杆对不稳定块体的抗力，按下列公式计算：
水泥砂浆锚杆：
预应力锚杆：
式中：G1k、G2k分别为不稳定块体平行、垂直作用滑动面的分力的标准值，N；As为单根锚杆的截面积，mm2；A为岩块滑动面的面积，mm2；n为锚杆根数；C为岩块滑动面上的黏结强度，MPa；fgv为锚杆的设计抗剪强度，MPa；f为滑动面上的摩擦系数；Pt、Pn分别为预应力锚束或锚杆作用于不稳定块体上的总压力在抗滑动方向及垂直于滑动方向上的分力，N；rG1、rG2为不稳定块体的作用分项系数，分别取1.2。
b.拱腰以上锚杆的布置方向宜有利于锚杆的受力，拱腰以下的锚杆宜逆着不稳定块体滑动方向布置。
c.对于裂隙较发育的围岩，锚杆在横断面上应垂直于主结构面布置，当主结构面不明显时，可与洞周边轮廓线垂直；在围岩表面上宜按梅花形布置；锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2，Ⅳ、Ⅴ级围岩中的锚杆间距宜为0.5～1m，并不得大于1.25m。
18）岩体破碎、裂隙发育的围岩，宜采用锚喷挂网支护，锚喷挂网支护设计应符合下列规定：
a.钢筋网的布置宜符合下列规定：
（a）钢筋网的纵、环向钢筋直径宜为6～12mm，间距宜为150～200mm。
（b）钢筋网与锚杆的连接宜采用焊接法，钢筋网的交叉点应连接牢固，宜采用隔点焊接，隔点应绑扎。
b.钢筋网喷混凝土保护层厚度不宜小于50mm。
19）防水应符合下列规定：
a.渗水部位应采用喷射混凝土或注浆进行处理。
b.处理后的日涌水量，每100万m3库容不宜大于100m3。
c.应选择抗地下水及储存油品侵蚀的注浆材料。
20）在工程掘进前，预计涌水量大的地段和断层破碎带，宜采用预注浆；掘进后有较大渗漏水时，应采用后注浆。注浆应符合下列规定：
a.预注浆钻孔，应根据掘进面前方岩层裂隙状态、地下水情况、设备能力、浆液有效扩散半径、钻孔偏斜率和对注浆效果的要求等，综合分析后确定注浆孔数、布孔方式及钻孔角度。
b.预注浆的段长，应根据工程地质、水文地质条件、钻孔设备及工期要求确定，宜为10～50m，但掘进时应保留止水岩垫的厚度。
c.后注浆应在断层破碎带、裂隙密集带、围岩与岩脉接触带或水量较大处布孔，注浆加固深度宜为3～5m；大面积渗漏，布孔宜密，钻孔宜浅；裂隙渗漏，布孔宜疏，钻孔宜深。
d.后注浆钻孔深入围岩不应小于1m，孔径不宜小于40mm，孔距可根据渗漏水的情况确定。
e.预注浆或后注浆的压力，应大于静水压力0.5～1.5MPa。
21）密封塞厚度的设计，应符合下列规定：
a.密封塞在荷载组合作用下不应产生与围岩之间的相对移动和泄漏。
b.密封塞厚度设计值应满足混凝土与围岩界面处的剪切应力和混凝土抗压承载力验算、泄漏阻抗路径、容许的压力梯度变化值的要求。
c.有条件时，宜根据现场试验数据设计。
22）密封塞的构造设计应符合下列规定：
a.密封塞的定位应根据当地的地质和水文条件确定，不应布置在风化、断层、强渗透和不利节理倾向的地带上。密封塞键槽处应合理选取爆破技术，并应减小对岩体的扰动。
b.密封塞宜采用素混凝土结构，并宜在上下表面对称配置双层双向限裂钢筋，裂缝宽度不宜大于0.2mm。
c.密封塞所用混凝土强度等级宜为C20～C35。上下表面的钢筋直径不应小于14mm，间距不宜大于200mn，混凝土保护层厚度不宜大于50mm。
d.管道和套管穿过密封塞时，应靠近密封塞中心，穿过部位应增加补强钢筋，配筋应采用有限元数值模型进行应力验算。
e.密封塞混凝土内部宜埋设水冷散热管道。
f.密封塞键槽嵌入围岩的深度不宜小于1000mm。
g.密封塞键槽的周边围岩应进行锚杆支护及注浆密封。
23）竖井密封塞应与穿过的管道或套管进行稳固、密封连接。
24）下列部位应支护：
a.密封塞周边的键槽。
b.密封塞中心起每侧10m范围内的施工巷道或竖井。
c.竖井外侧壁沿洞室轴线不小于5m范围内的洞室拱顶。
25）密封塞浇筑后边缘的混凝土应进行后注浆密封。
26）竖井密封塞上部应设置不小于10m的防渗填层。
27）洞罐与施工巷道之间的密封塞应设置人孔，在施工巷道充水前应将人孔封闭。
28）密封塞以外的施工巷道和竖井施工、安装完成后，宜用淡水充注至不低于设计稳定地下水位标高。
29）地下水监测应符合下列规定：
a.地下洞罐的四周应设置地下水位及水质监测孔，每边不应少于2个，地下水异常变化的部位应加密。
b.地下水监测孔深度应低于洞室底面10m。
30）其他监测应符合下列规定：
a.在施工中应对围岩变形及围岩应力进行监测，在生产中宜对围岩稳定继续监测。
b.当设置有水幕时应对水幕的压力或水位进行监测。
31）水封洞库库区应设置独立消防给水系统。消防给水系统应符合现行国家标准GB 50074《石油库设计规范》的有关规定。消防用水量应经计算确定，且不应小于45L/s。火灾延续供水时间应按3h计算。
32）操作巷道内和每座竖井口附近应布置消火栓，消火栓之间的距离不应大于60m。
33）消防水泵应采用双动力源。
34）水封洞库水源工程供水量的确定，应符合下列规定：
a.洞库的生产用水量和生活用水量应按最大的小时用水量计算。
b.洞库的生产用水量应根据生产过程和用水设备确定。
c.洞库的生活用水量宜按25～35L/（人·班）、8h用水时间和2.5～3.0的时间变化系数计算。洗浴用水量宜按40～60L/（人·班）和1h用水时间计算。
d.消防、生产及生活用水采用同一水源时，水源工程的供水量应按最大消防用水量的1.2倍计算确定。采用消防水池时，应按消防水池的补充水量、生产用水量及生活用水量总和的1.2倍计算确定。
e.消防与生产采用同一水源、生活用水采用另一水源时，消防与生产用水的水源工程的用水量应按最大消防用水量的1.2倍计算确定。采用消防水池时，应按消防水池的补充水量与生产用水量总和的1.2倍计算确定。生活用水水源工程的供水量应按生活用水量的1.2倍计算确定。
f.消防用水采用单独水源、生产和生活用水合用另一水源时，消防用水水源工程的供水量应按最大消防用水量的1.2倍计算确定。设消防水池时消防用水水源工程的供水量应按消防水池补充水量的1.2倍计算确定。生产与生活用水水源工程的供水量，应按生产用水量和生活用水量之和的1.2倍计算确定。
35）水封洞库的含油与不含油污水，应采用分流制排放。含油污水应采用管道排放。未被油品污染的地面雨水和生产废水应在排出水封洞库围墙前设置水封装置。
36）含油污水管道应在下列位置设置水封井：
a.建筑物、构筑物的排水管出口处。
b.支管与干管连接处。
c.干管上每隔300m处。
37）水封洞库处理后的污水自流排放管道在通过水封洞库围墙处应设置水封井。
38）水封井的水封高度不应小于0.25m。水封井应设置沉泥段，沉泥段自最低的管底算起，其深度不应小于0.25m。
39）雨水排放宜采用明沟系统。
40）污水处理宜依托邻近污水处理设施。
41）污水应经处理达到排放标准。
42）含油污水处理设施应设置污水调节池，其容积可按洞库裂隙水5d的排出量进行计算。
43）污水处理后宜回用。
44）含油污水的构筑物和设备宜封闭设置。
45）污水排放口应设置取样点和检测水质、测量水量的设施。
46）库区内应设置电视监视系统，监视系统应能覆盖竖井操作区、操作巷道及地上生产区。
47）库区内应设置火灾报警系统。地上生产区及操作巷道内应设置火灾报警设施。
48）水封洞库应设置中心控制室，并应采用微机监控管理系统对整个库区的生产进行集中操作、控制和管理。
49）水封洞库的控制、通信等电子信息系统设备的防雷击电磁脉冲设计，应符合下列规定：
a.信息系统设备所在的建筑物应按第三类防雷建筑物进行防直击雷设计。
b.进入建筑物和进入信息设备安装房间的所有金属导电物，在各防雷区界面处应做等电位连接，并宜采取屏蔽措施。
c.低压配电母线和不间断电源装置电源进线侧，应分别安装电涌保护器。
d.当通信线、数据线、控制电缆等采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应做等电位连接。
e.在多雷区，仪表及控制系统应设置防雷保护设施。
50）防静电接地装置的接地电阻，不宜大于100Ω。
51）水封洞库防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地及信息系统的接地等，宜采用共用接地系统，其接地电阻不应大于4Ω。
52）工作区的劳动卫生条件应利用有组织的自然通风改善。当自然通风不能满足要求时，应采用机械通风。
53）竖井操作区通风应符合下列规定：
a.当竖井上部为封闭建筑物时，除应采用有组织的自然通风外，尚应设置机械通风，换气次数不得小于10次/h。计算换气量时，房间高度小于6m时应按实际高度计算，房间高度大于6m时应按6m计算；
b.建筑物通风应按下部区域排出总排风量的2/3、上部区域排出总排风量的1/3设计，机械通风装置的吸风口应靠近漏气设备或设置在窝气地面0.3m以下。
54）在爆炸危险区域内，风机应选用防爆型，并应采用直接传动或联轴传动。机械通风系统应采用不燃烧材料制作。风管、风机及其安装方式应采取导静电措施。
55）在设置有可燃气体浓度自动检测报警装置的房间内，其报警装置应与机械通风设备联动，并应设置手动开启装置。
56）操作巷道内，每座竖井口处应设置固定式通风设施，换气次数不应小于10次/h，出风管口应设置在操作巷道外，出风管口与洞口水平距离不应小于20m，且应高出洞口，并应采取防止油气倒灌的措施。
57）水封洞库排放的大气污染物无组织排放的烃类应符合现行国家标准GB 20950《储油库大气污染物排放标准》的有关规定；锅炉烟气污染物的排放应符合现行国家标准GB 13271《锅炉大气污染物排放标准》的有关规定。
58）水封洞库设计应符合现行国家标准GBJ 87《工业企业噪声控制设计规范》的有关规定，噪声辐射源到达库区界墙外的噪声应符合现行国家标准GB 12348《工业企业厂界噪声标准》的有关规定。
59）水封洞库生活污水、生产污水及事故废水在排放前应经过处理，污水排放应符合现行国家标准GB 8978《污水综合排放标准》的有关规定。
60）水封洞库产生的各种固体废弃物应进行无害化处理。
61）水封洞库建设应对影响到的自然保护区、文物保护区采取预防和保护措施。
62）水封洞库进油时排出的油气应进行处理。
63）库区的作业环境设计应符合现行国家标准GBZ 1《工业企业设计卫生标准》和GBZ 2《工作场所有害因素职业接触限值》的有关规定。
64）在操作巷道及中心控制室应配备便携式有毒有害气体检测仪和空气呼吸器等防护用具。
65）库区内易发生事故的区域和部位应设置安全标志，安全标志应符合现行国家标准GB 2894《安全标志》的有关规定。
66）水封洞库设计应进行综合能耗分析。
67）水封洞库设计应采用节能设备，严禁使用国家明令淘汰的高能耗设备，宜利用太阳能、风能及水能。
68）水封洞库储满油后，待洞罐内油品的温度、压力恒定时，应关闭通气管的阀门密闭储存。
69）在技术经济合理的情况下应采取减少裂隙水的渗出量的措施。含油裂隙水经处理达标后宜回用。
（4）本工程施工组织设计要点[11]。由地下水封洞库工程的特点可知，本工程施工组织设计需重点解决的技术要点是：主体施工方案确定（洞库开挖施工规划）、施工进度控制、洞库通风、地下水处理、开挖和支护措施、施工管理以及施工平面布置等。
1）主体施工方案。本地下水封洞库工程主要由主洞室群、竖井、水幕系统、施工巷道及相应的临建设施项目等组成，工程量庞大且洞库构造复杂，针对洞库主体工程，选择合适的施工方案以协调各施工程序是工程得以顺利展开的前提条件。
本工程开挖土石方量大并且洞库施工相互影响，因此施工巷道和通风巷道根据围岩级别不同采用适当的爆破方法进行开挖，已开挖的范围应及时进行安全处理并进行支护。此外，围岩在开挖过程中应密切监测地下水位变化并采取相应的注浆防渗措施，围岩开挖程序如图1.4.3.2所示，竖井用以改善地下各洞室的通风排烟条件，基于工程地下施工环境的复杂性考虑，采用正井法自上而下进行施工，此施工方法便于开挖后土石渣的清理、通风排烟以及地下水的监测。
图1.4.3.2 围岩开挖程序
图1.4.3.3 主洞室开挖分层示意图
主洞室开挖规模较大，为确保开挖过程围岩稳定，按照4层分别进行施工，如图1.4.3.3所示，主洞室在开挖过程中需重点做好开挖过程中的探水和控制渗流工作，开挖后应根据围岩地质情况进行合理的支护。
水幕系统工程施工为地下洞库提供稳定的地下水位以满足水封条件，本工程在覆盖洞库上方高程25m设水幕系统，由水幕巷道和水幕孔组成，水幕孔间距10m，水幕巷道轴线与主洞轴线垂直，水幕孔轴线与主洞室轴线平行，水幕孔覆盖整个洞库上方，旨在保证稳定的地下水位线。
2）施工进度控制。该地下水封洞库工程，工作量大，工期紧，因此要进行严格的施工进度控制，以确保工程保质保量地完成。在本工程中，首先利用网络计划以正常的工期估算编制工程施工进度计划，再采用关键线路压缩法，得到最优方案。
以工程工期为目标、以最优的资源配置和合理科学的施工组织安排为标准，经优化和研究后将工程分为施工巷道开挖支护、水幕巷道及注水孔、竖井、通风巷道和通风竖井、主洞室和施工巷道封堵等6个分部工程共计23个关键工序，工程总工期约31个月，2011年4月15日工程开工，2013年11月中旬竣工。工期要求的施工总体程序安排见表1.4.3.8。
表1.4.3.8 施工总体程序安排
工程以施工巷道和主洞室施工为主，同时协调处理好水幕巷道、通风巷道、通风竖井及主洞室进、出油竖井施工，确保工程总体协调推进。
3）洞库通风。该地下水封洞库工程主要依靠通风系统供给地下洞室群的施工开挖用风，包括洞罐、连接巷道、水幕巷道、操作竖井、施工巷道等的开挖用风。根据洞库施工多样性以及施工巷道的复杂性，施工用风设备采用潜孔钻、手风钻、湿喷机，按照施工方案和工作面需求并考虑风压损失、管道摩阻损失及管道漏风损失后进行合理布置，施工用风采用分阶段集中供风，并辅以移动供风，施工用风量按式（1.4.3.10）进行计算。根据通风方案和通风量，计算得到工程施工中主要通风设备用风需求量。
式中：∑Q为同时工作的钻孔等机具总耗风量；N为同时工作的同类型钻孔等机具的数量；q为每台机具的耗风量；K1为凿岩机同时工作时的折减系数，1～10台取1～0.85，11～30台取0.85～0.75，其他用风设备1～2台取1～0.75，本设计钻具取0.85；K2为机具损耗系数，钻具取1.15，其他取1.10；K3为管路风量损耗漏风系数，1km内取1.1，1～2km取1.15，2km以上取1.2。
4）地下水处理。地下水位是影响该地下水封洞库工程施工的关键因素之一。地下水的渗流会影响巷道、洞库和竖井等工程的开挖施工进度，但是水封洞库却必须位于充分的地下水位之下，利用“水封”的方式储存油（气）品。因此，严密监测洞库施工中地下水位及其渗流量变化，对围岩采取适当的注浆处理保证围岩的密封性，是工程施工的关键技术之一。
a.涌水量预测。在本洞库工程中，不考虑各洞室之间的干扰和施工巷道、水幕巷道的施工影响，以及丰水和枯水季节的变化，洞长（L）均按5549m计算。预测主洞室单位长度最大涌水量（q0）在0.0818～0.138m3/d之间，最大涌水量（Q）在455.63～768.52m3/d之间；预测洞库施工巷道最大涌水量见表1.4.3.9，水幕巷道单位长度最大涌水量（q0）在0.0412～0.0637m3/d之间，单组最大涌水量（Q）在111.193～172.064m3/d之间，施工期间，根据预测涌水量采取相应的排水和注浆措施。
表1.4.3.9 预测洞库施工巷道最大涌水量
b.开挖施工中地下水处理措施。施工巷道及通风巷道洞身开挖前，首先在洞身四周打钻探孔，测量水流量，并根据水流量大小决定是否先进行预注浆。不需要注浆的部位可开始爆破施工，需注浆的部位需等注浆凝固后（最少6h）才能开始爆破施工。对于主洞库，在开挖施工过程中，重点做好开挖过程中的探水和控制渗流工作，在开挖施工过程中出现超标准渗流时滞后开挖工作面30m进行固结（堵水灌浆）施工，主洞室在开挖过程中对地下水渗流量保持持续的监测，如图1.4.3.4所示。
图1.4.3.4 主洞室在开挖过程中渗流量的控制
5）工程开挖。主体工程施工方案中选用钻爆法对土石进行开挖。根据围岩类型和施工安全性采用相应的爆破方法。
施工巷道开挖运用三臂凿岩台车和自制钻爆台车，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩采用全断面钻爆法施工，Ⅴ类围岩采用中下导洞先行再扩挖的方式进行施工。通风巷道采用自制钻爆台车，先进行洞口土石方明挖施工，再进行巷道洞挖施工，采用全断面钻爆法。
主洞室（开挖分层如图1.4.3.3所示）第1层采用中导洞先行与两侧扩挖跟进的方式进行施工，中导洞宽度10m，拱顶高度9m，两侧宽度均为5m，拱顶高度8m，第2、3层开挖施工采用中部施工预裂梯段抽槽先行与两侧保护侧预装药滞后光面爆破开挖跟进的方式进行开挖。
水幕巷道开挖及水幕孔造孔应先于其下部主洞室第1层开挖，以便进行水幕孔注水并处理洞室顶拱防渗堵漏工作，各组洞罐主洞室第2层开挖前其上部水幕孔注水要全部完成。由于水幕巷道埋深较深，除层内、层间错动带外，岩性较好，大部分均为Ⅲ类以上围岩且断面较小，拟采用全断面开挖法；对于Ⅱ、Ⅲ类围岩每循环进尺2.5m，对局部Ⅳ类围岩坚持“短进尺，弱爆破”的原则，每循环进尺取1.9m。
6）围岩支护处理。洞库在开挖过程中应根据围岩的稳定评价结果进行支护处理。本工程中竖井开挖时，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用“一掘一支护”的循环方式，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩采用“两掘一支护”的循环方式。水幕巷道开挖按照围岩类别进行随机锚杆支护或锚喷支护。
主洞库开挖，Ⅱ类围岩在开挖作业循环中只考虑部分临时支护施工；Ⅲ类围岩洞段滞后开挖工作面30m左右，在开挖作业循环中只考虑岩面初喷及部分锚杆支护将部分占用直线工期；Ⅳ类围岩按照紧急支护程序随洞挖及时跟进，支护施工采用先喷后锚的工序组织作业。地质条件较差洞段采取超前锚杆和型钢拱架联合支护措施。对围岩条件较差的部位，经过地质工程师判别综合考虑后对断面顶拱进行挂网喷护或安装临时钢支撑进行支护或减小开挖断面。
7）施工管理。本地下水封洞库工程施工过程复杂，技术难度大，基于项目的重要性考虑，全面按照项目法施工原则进行管理，利用矩阵式进行项目结构组织以达到有效利用资源的目的，预先对施工各阶段的人力、机械设备、材料物资及资金供应进行计划，确保在施工过程中应能对不适合的设备及时更换，不影响施工进度安排，以满足施工强度的要求，图1.4.3.5为项目管理机构图。
图1.4.3.5 项目现场施工管理组织机构框图
8）施工平面布置。本地下水封洞库采用多层面作业，施工干扰大，施工平面布置的合理性是后续施工工序顺利展开的保障。本工程中按因地制宜、紧凑实用、交通运输畅通、施工方便、减少干扰、节约用地、调度灵活等原则进行施工图平面布置。
a.道路布置。道路布置时根据洞库施工要求，有利于机械化强度施工，结合施工分区进行布置以减少干扰，修建环形道路以保证交通通畅，满足坡度、照明排水等条件以及主洞室开挖高峰时段的运输要求。
b.施工用水、用电。水源从市政供水系统接入，水管按行程最短、效率最高的原则进行布置。工程施工用电主要是施工照明、排水等用电，在排水作业中考虑工程用电量的需求，自设变电站以及配备柴油发电机组备用电源。
c.制浆站和混凝土搅拌站。本地下水封洞库为地下工程，为解决施工过程中存在的漏水、渗流等情况以及隧洞混凝土衬砌、施工巷道及竖井封堵，需要采取相应的灌浆措施，本工程钻孔灌浆主要包括回填灌浆、固结灌浆（含堵水灌浆）、接触灌浆、排水孔施工等。考虑到本工程的钻孔灌浆工作面、工程量比较分散的特点，制浆站随灌浆部位变化进行移设。
本工程混凝土施工项目主要包括施工巷道、主洞室、水幕巷道、通风巷道Ⅳ、Ⅴ类围岩的洞身混凝土衬砌，竖井衬砌混凝土，施工巷道、连接巷道路面混凝土浇筑，施工巷道、主洞室找平混凝土，竖井、施工巷道封塞混凝土等，考虑到钻孔灌浆工作面、工程量比较分散的特点，全部采用商品混凝土，不在施工现场另建混凝土拌和系统。
1.4.3.2 精致施工
本工程水封洞库由洞罐组、水幕系统为主体工程，辅以施工巷道及竖井等组成（图1.4.3.6）。
图1.4.3.6 本工程地下水封洞库组成框图
在动态设计理念下，本工程的精致施工流程与方法如图1.4.3.7所示。
图1.4.3.2所表述的主要施工特征如下：
（1）以洞库围岩分级为纲。
（2）以施工中的地质判识信息为手段。
（3）以规范、专家系统和工程经验类比等为决策方法。
1.精细爆破为主导的精致施工
所谓精细爆破［3P（Precise，Punctilious and Perfect）Blasting］，指通过定量化的爆破设计和精细化的爆破施工、自动化的爆破监测与可视化的爆破管理以炸药爆炸产生的能量释放使岩石等介质破碎、抛掷等过程精密控制，最终达到预期的爆破效果，并实现爆破有害致密的控制，使爆破作业完全可靠、绿色环保和经济合理。具体而言，就是爆破设计、施工、监测与管理做到规范化、程序化和制度化，综合利用预裂爆破、光面爆破技术，采取“薄层开挖、随层支护”的流程让爆破开挖的围岩半孔率：Ⅰ类围岩100%；Ⅱ类围岩95%以上；Ⅲ类围岩90%以上；Ⅳ类围岩80%以上；Ⅴ类围岩60%以上。不平整度精确控制在10cm以内。
图1.4.3.7 本工程精致施工流程与方法框图
精细爆破概括起来就是爆破作业“定量设计、精细施工、实时监控、科学管理”。
（1）精细爆破为主导的定量设计创新技术，体现在下列诸创新点：
1）基于Holmberg-Persson（1978）爆破冲击波引起的质点峰值振动速度控制原理建立起轮廓爆破设计法：A计算钻孔周围岩石中的质点峰值振动速度分布；B确定不同爆破质点峰值振动速度值对应的爆破损伤影响程度；C预测爆破损伤影响范围。
2）基于Hustrulid（1999）轮廓爆破理论深化、借助爆破前后的声波对比检测或/及压水试验确定爆破影响深度后，建立类似于开挖轮廓线与主爆区之间的“需谨慎作业的爆破区（cautious blasting zone）”即洞室预留保护层厚度。
（2）精细爆破为主导的精细施工创新技术，体现在下列诸创新点：
1）基于3S技术（RS——遥感、GIS——地理信息系统和GPS——全球定位系统），使爆破工程测量放线、钻孔定位与精度、装药堵塞等工序的可靠性极大提高，使大型地下水封石洞储油库钻爆法施工高效、顺利实施。
2）基于钻孔电视、岩石CT（计算机断层成像）技术，使爆破信息的“总体一致、细节突出”即爆破震动的低频信号可比性与高频信号的清晰度大为提高，为爆破效果与爆破损伤效应的检测与量化评价创造了条件。
3）基于现场爆破不良地质条件、抵抗线大小与方向等的变化，利用反馈信息作爆破施工优化设计，并精心装药、堵塞、联网和起爆作业调控，为大型地下水封石洞储油库爆破施工克服了困难，促进了“日控万方”并“零事故”的记录。
（3）精细爆破为主导的实时监控创新技术，体现在下列诸创新点：
1）基于Mierosoft Windows操作系统、应用Delphi开发工具及C/S架构体系，建立了一套专业程度高且通用性强、标准化好的大型地下水封石洞储油库占爆法开挖的安全监控数值系统。
2）基于ArrGIS Engine和SQL SERVER 2000，在NET平台上，开发出石油化工与水电地下工程相结合的监测空间数据库系统，实现了对监测的相关地理、地质信息、工程设计信息及施工动态反馈信息以GIS空间数据建模和可视化技术与智能分析相结合，达到大型地下水封石洞储油库的施工开挖始终处于安全监测可视并场景化状态。
3）基于常规安全监控数学模型的分析评价，结合花岗片麻岩构造地质、水文地质和工程地质特点，创新地提出了“WJHD 300”实时监控模型，并在因子选取方法、因果关系和预测分析方法上独具匠心。
（4）精细爆破为主导的科学管理创新技术，体现在下列诸创新点：
1）基于F.W.泰罗（Frederick Winslow Taylor，1856—1915）《科学管理原理》，制定科学的爆破工程分及作业方法；科学地选择和培训施工作业的工人；实行有差别的计件工资制；将“计划职能”即管理职能与“执行职能”即劳动职能分开；实行“职能工长制”，以及在管理上实行例外原则即施工企业的高级管理人员把处理一般现场钻爆法事务的权限下放给下级管理人员，自己只保留对“例外事项”的决策权和监督权。
2）基于科学管理的目标是最大限度地提高工作效率，制定爆破作业与爆破安全的管理与奖惩制度。
综上所述，以精细爆破为主导的精致施工所彰显的技术创新，如图1.4.3.8所示。
图1.4.3.8 精细爆破理论为主导的本工程精致施工框图
2.岩石水力学为主导的水幕系统施工
本工程水幕系统的施工，其核心创新技术旨在岩石水力学性质、岩石力学性质与本区初始地应力场三者博弈的掌控（图1.4.3.9）。
本区初始地应力场是岩石水力学性质与岩石力学性质的共同博弈的主体，也是岩石视为一工程材料时，区别于金属、混凝土、木材与土工合成材料的主要特点。
图1.4.3.9 水封洞库围岩性状分析框图
正由于地下水封洞库围岩赋存有初始地应力，故围岩具有自稳能力和钻爆法开挖后一定的自支撑能力。为此，采用新奥法（NATM）22条原则，就能有效地解决开挖-支护问题。极个别情况（Q<0.01）下，也可采用挪威法（NMT）辅以喷钢纤混凝土。
本工程钻爆法开挖，是在地下水位以下水幕作用状态的一种施工，它既不同于水利水电地下工程施工，也不同于金属矿山地下采空场场的施工，后两者均尽量避开地下水。
另外，本工程不同于水利水电地下工程与金属矿山地下采空场施工支护型式，即水利水电地下电站工程围岩需钢筋混凝土永久衬砌；金属矿山采空场一般只要施工期稳定，人员设备能安全通过为原则，很少支护和不衬砌。为此，本工程的施工特点如下：
（1）洞库始终处于稳定的地下水位线以下设计深度进行钻爆法开挖和运营，即洞室开挖前，地下水通过围岩节理裂隙等渗透到岩层的深部并完全充满岩层空隙（图1.4.3.10）。
当石洞储油库钻爆法开挖形成后，围岩中的裂隙水就向被挖空的洞室流动并充满洞室。在洞室中注入原油后，原油周围会存在一定的压力差，因而在任一原油油面上，水压力都大于原油油压力，使原油不能从裂隙中漏走。同时，利用原油比水轻以及油水相混的性质，流入洞室内的水沿洞壁汇集到洞底部形成“水垫层”。“水垫层”按设计给出一定厚度并固定时，叫“固定水垫层法”水封储油。
图1.4.3.10 本工程地下水封面洞储油库原理示意图
1—裂隙岩石；2—地下水位；3—地下水降落漏斗；4—库存所储原油；5—水垫层；6—原油注入管；7—抽取原油的潜液泵；8—抽取地下水的潜液泵
当水垫层液位上升到设计值高限时，自动启动排水系统进行排水；当水垫层液位降至设计低限值时，则自动停止排水，循环往复以此来保持水垫层的固定设计厚度。
鉴于上述，本工程施工前提必须具备下列四条：
1）库址的地质岩体应在构造上满足区域稳定性。
2）石洞库群的工程地质岩体应满足完整性。
3）石洞库群的水文地质围岩应具有水封条件的保证性。
4）本工程还应具备水资源的保证性，即保证充足的供水水源以满足水幕系统的要求。
（2）水封洞库围岩的流变特性决定了钻爆法施工必须采用预裂加光面爆破法并精致施工。
围岩的流变特性，一般指外部条件作用下应力和应变随时间缓慢变化的过程与现象。
作为本工程花岗片麻岩，其四类岩性中煌斑岩及闪长岩的流变性较明显。室内单轴压缩蠕变试验表明，混合花岗岩的长期强度低于瞬时抗压强度[12]。该岩石在较低应力水平下，蠕变变形较小；高于某一应力水平时，加速蠕变至破坏。研究结果表明，其长期强度是瞬时强度的0.8～0.9倍。由于岩石的蠕变是指岩石在恒定应力条件下，变形随时间逐渐增长的力学现象，它是岩石流变中的一种，一般软弱岩石比坚硬岩石的流变现象明显，而坚硬岩石又往往在低应力水平条件下流变较小，但到一定的应力（高应力）水平后，其流变性就明显了。混合花岗岩的高应力水平是70.56～79.38MPa之后蠕变明显。
另外，同为坚硬的花岗岩，水对岩石的流变性能的影响是非常显著的，孙钧等[13]进行的完整岩石试件在饱水情况下岩石的流变试验，均发现有水的情况下，岩石的流变速率显著增加，含水量对岩石的极限蠕变变形量的影响极为显著，干燥试件和饱和试件两者可以相差56倍；含水量还将影响岩石到达稳定蠕变阶段的时间，饱和试件进入稳定蠕变阶段的时间要比干燥试件长很多。
为此，本工程除了在现场与室内补充进行流变试验外（图1.4.3.11），在钻爆法施工中，采取预裂爆破和光面爆破尽量降低成形的围岩应力水平和缩短进入稳定蠕变阶段的时间势在必然。
图1.4.3.11为轴向应变及侧向应变随时间的变化曲线（由于后期试验曲线变化稳定，因此以前1000h的情况作为对比）。轴向变形在荷载到达稳定值后，历经较短的一个初始蠕变阶段后，变形速率降低直至进入稳定阶段。
图1.4.3.11 应变随时间的变化曲线
从图1.4.3.11（b）中可知，有无渗流作用时存在明显区别。无渗流岩样的侧向变形基本处于稳定状态，波动范围不大，而有渗流岩样的侧向应变则随时间的推移一直以稳定的速率发展下去，变形没有停止的迹象。这种现象表明了渗透压作用对裂隙面侧向变形的巨大影响。同时，可以发现，以蒸馏水为渗流溶液的变形曲线与以酸性硫酸钠为渗流溶液的变形曲线相差不大，表明裂隙面上的化学反应对岩样整体变形行为影响不大。
从图1.4.3.11可知，无论是单裂隙面渗流情况还是无渗流情况的曲线，其轴向应变很快进入稳定蠕变阶段，渗流情况下的侧向变形却一直增长。从岩石力学的角度分析，侧向变形的增长表现体积发生了扩容。扩容通常理解为岩石内部微裂纹的发展及损伤程度的加剧。当扩容接近一定值后，岩石将发生破坏。
（3）人工水幕精致施工。本工程的人工水幕精致施工包括水幕巷道与水平水幕钻孔精致施工两部分。
1）水幕巷道施工创新技术。水幕巷道开挖断面较小，施工工期较紧，为加快施工进度，在施工工艺和施工机具上进行了优化，在采取了技术、管理综合措施后，在水幕巷道施工的关键线路上，实现了月综合开挖、支护120m进尺，确保了水幕系统及时投运。
a.针对小型断面在钻爆开挖措施上进行优化。由于开挖断面较小，机械化造孔设备不便展开，针对手持式凿岩机特点，采用立体扇形掏槽爆破方式配合周边结构面光面爆破一次成型技术，提高每一个循环的开挖爆破效率。经过爆破设计对钻孔布置和爆破网络的优化，Ⅱ、Ⅲ类围岩每个开挖循环进尺达到了3.0m以上，钻孔利用率达到了98%以上。b.针对小型断面优化钻爆台车，合理配置设备压缩循环时间。针对小型断面钻爆台车高度较低影响出渣设备运行的情况，优化传统的台车加工方式，自制了伸缩式台车，在造孔作业时降低台车高度、增加宽度，以适应造孔需要；出渣时提升台车高度、缩小宽度，以适应台车运输及出渣设备运行。极大程度地减少了台车在洞内的运输距离，提升了运输的便捷性，缩短了占用的工序循环时间。
合理选配体型小、功率大的反铲，以及灵活方便的小型装载机，配合10t的小型载重汽车出渣，并且沿水幕巷道合理布置了装渣侧洞，极大地提高了出渣效率，缩短了出渣占用的工序循环时间。
c.强化了工序循环管理措施提高时间利用率。配备了高功率、大流量的通排风设备，增加了通风作业时长，确保了洞内作业环境，减少了污浊空气对施工的干扰。采用工序时间定额的管理措施，提升了作业人员的工作主动性和积极性，实现了各个工序的无缝连接。
2）水平水幕钻孔创新技术。由于水幕钻孔深度大，最大深度为105.4m，近水平布置，为保证水幕的渗流压力，要求孔口和孔底的高度差小于5m。同时由于总体工程安排，水幕钻孔需要在相应洞室开挖前完成，工期较紧，库区岩石主要为花岗岩，硬度大、强度高，要求钻孔机具功率大。
在实际施工中通过合理优化施工工艺，优化改造造孔机具，配置灵活的辅助设备提高了造孔精度和施工效率。
a.针对钻孔和岩石情况优化造孔机具。根据岩石特性和水幕巷道的断面，选用英格索兰MZ165型锚索钻机，配备了高锰钢材质φ89钻杆以适应大扭矩的需要，选择了黑金刚φ115钻头以适应花岗岩地层的特性。
为提高钻机定位施工精度和效率，改造了MZ165型锚索钻机，增加了钻机的侧向、后向支撑液压装置，确保了钻机各个方向的稳固性。配备了数显调平装置，可以即时测量钻机的三维状态，确保钻机开钻精度，缩短了钻机就位的时间。
为了随时了解转进的速度和转进进尺，增配了钻速和孔深数显装置，在钻进过程中可以随时根据转进情况对转速进行调整，以确保在遇到特殊地质段及时降低钻速，控制钻进速度，保证钻孔效率。
同时为了保证在钻进过程排渣正常，施工工作面环境满足正常施工要求，改进了除尘和排渣设施和钻进工艺，采用高压水间隙式排渣等方式，保证了高效施工。
b.钻孔施工工艺改进。
（a）转速控制。开钻后0～10m内钻速不大于30r/min，掌握好钻机推进压力，风压。在钻进过程中及时记录钻进速度，回风，返渣等情况，并以之为依据及时调整钻速、推进力、风压等，防止风压，钻速过大而造成飘孔。
（b）优化扶正器使用。为防止孔斜发生过大，不符合要求，钻机入岩1m后开始使用扶正器、降斜器，并根据现场实际开发了随钻的钻杆定心装置，大幅度提高了作业效率和造孔质量。由钻工、机长、现场技术员复核倾角、方位角、钻机是否有移动，若有偏差，则利用数显罗盘仪及时调整偏差，在5m、10m、30m、40m、50m时分段进行孔精度检查，若满足精度要求继续钻进，不满足则进行封孔，重新开孔。
（c）加强钻进过程控制及时调整钻进方案。在钻进过程中操作手在操作平台，根据钻机数显屏幕提供的各种数据，结合经验、钻进手感及返渣情况，判断岩石变化，做出相对应的钻进方案。钻进中，当发现岩层换层时，不论是软变硬还是硬变软，均要减压，减速钻进，推进力均加以适当调整，遇岩层稳定性较差地段，利用低压、低速、小推进力钻进；遇裂隙水发育的富水带，则关闭高压水泵，利用孔内流水降尘，低压、低钻速、高推进力钻进，遇破碎带层应低压、高钻速、高推进力钻进。
（d）加强巡查。在钻进中，勤检查钻机有无移动，加固筋是否松动，如发现有移动，松动现象，及时停机，重新加固，调整角度。以满足施工要求。
c.水幕钻孔实施效果。水幕共计造孔529个，根据水幕钻孔偏差曲线，总结得出一般在钻进20m左右时就开始下垂的规律，采取以上的优化措施，水幕钻孔偏差能满足要求，水幕钻孔的施工效率能满足施工进度的要求，单台钻机综合钻进速度达到90m/d。
水幕孔钻孔偏差-深度关系曲线如图1.4.3.12所示。
图1.4.3.12 水幕孔钻孔偏差-深度关系曲线
3.以三维可视化为主导的安全施工
由于本工程系由9个大跨度、高边墙主洞室分成3组洞罐平行并列，加上主洞之上有5个水幕巷道529条水幕钻孔、6个竖井和一条长达5819m，横截面9m×8m的施工巷道连接，可谓“百孔千‘窗’”“纵横交错”，在数学力学上是一个典型的“复连通区域”。所有这些孔洞的产生均用钻孔爆破法施工，显而易见，在“平面多工序、立体多层次”的施工流程中，施工人员与机械和工艺等信息众多，施工工序与进程繁复，动静变化、前方后方、监测仪表网络重重，洞内洞外、水、土、岩、混凝土、锚杆、钢筋等材料济济……总之，“中国第一”的大型地下水封石洞储油库建设施工项目与流程林林总总，采用传统的二维静态施工理念是难以奏效的。为此，本工程开发出“全生命周期一体化数字系统平台（简称DKDAP）”以调控施工全过程并取得安全、健康的建造本工程“零死亡”的奇迹。
（1）DKDAP概述。DKDAP以基于知识的管理与控制（KMC）为核心，将洞库不同阶段的静态和动态数据和信息在数字化技术层面上进行融合加工，开发有数量众多、针对性强的人工智能及专家系统和分析模型作为安全评估和风险识别的工具，为洞库建设过程和运行控制提供实时决策支持。
DKDAP采用数据库、数据融合加工分析模型库、专家评估与风险识别模型库、动态信息采集系统、用户交互界面5级架构。数据库在充分研究洞库结构的基础上，深入挖掘工程结构数据之间的内在联系，抽象并整合出工程特征参数和动态信息特征，完全取消图形存储，消耗存储空间极小，数据查询响应极快；数据融合加工分析模型库对数据库存储的特征数据进行各种应用加工，为计算分析、专家评估与风险识别模型库以及用户界面提供特征数据、派生数据以及图形数据；专家评估与风险识别模型库利用数据库内的静、动态数据和信息，实时进行施工安全评估与风险识别、施工进度监控，及时提出施工安全预警及进度预警；动态信息采集系统采用人工和自动化方式收集施工过程中的各种实时信息，包括地下水水位、围岩变形、洞室断面收敛、洞室空气质量、水幕水压试验数据、班组生产数据等；用户交互界面采用WEB网页，结合当前最新的网络图形技术，不仅无须在用户计算机上安装程序，同时又可以利用用户计算机的GPU并行快速显示图形。
（2）动态施工控制（DC）。动态施工模块包括洞室工作面施工计划、断面开挖与支护工法、安全监测、开挖安全控制与进度预警等部分。
DC的洞室工作面开挖计划部分根据洞室结构、沿线岩体质量、临近工作面影响因素等，以资源均衡配置为原则，拟定工作面开挖计划，供施工设计工程师参考。对于确定的工作面，评估施工强度，制定日工作计划，并据此编制周计划、月计划以用于施工进度动态控制。任何根据班组生产记录动态调整计划。
断面开挖与支护工法部分根据实际采用的工法和安全监测信息，分析评估有效性以及对临近工作面的影响或受临近工作面的影响等，提出工法改进建议。
安全监测部分实时获得洞室围岩、支护等反馈信息，是动态调整的基础。这部分包括已安装传感器的管理、数据采集、安全风险识别等。
开挖安全控制与进度预警部分根据当前实际进度，结合3D断层模型和地质模型、工作面施工计划，动态监控开挖遭遇断层的时间和评估施工进度的符合性，及时提出开挖安全预警和进度预警。
（3）动态安全控制（DS）。动态安全控制模块是洞库施工期动态安全风险控制系统，包括空气质量监控、爆破影响区管理、人机动态监控、非稳定区域识别等。
空气质量监控部分监控洞室群各节点的空气压力和污染负荷，结合人工智能模型，对每一炮产生的污染物进行跟踪分析，预测洞室群内空气质量，并以不同颜色在预警图形上对各洞段进行标记，为通风设施运行提供依据，也可以自动控制通风设备的启闭。
爆破影响区管理包括爆破影响范围界定、避炮区域识别与引导、中控室监控与爆破硬件互锁等，旨在强化爆破过程控制。
人机动态监控为施工人员和机械设备的位置监控，采用主动闭锁的方式，只要爆破影响区内有施工人员或机械设备，爆破指令主动闭塞，不能下达。而在无主控室爆破指令情况下，现场爆破开关按钮不起作用，以达到爆破安全控制的目的。
非稳定区域识别部分采用人工智能模型对监测信息进行分析评估，识别洞室非稳定围岩区域、非稳定支护区域，并在预警图形上进行标识，提请注意。
DS采用WiFi局域网为地下洞室提供全方位通讯，包括语音通信、数据传输以及视频监控，避免使用公共网络带来的工程数据安全隐患。其中人机定位采用WiFi指纹技术，洞内可实现3～5m的定位精度，并实现洞内和洞外统一定位。目前正在开发基于Android手机平台和iPhone手机平台的定位系统。