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挪威岩洞和隧道的规划与利用
Einar Broch1
(Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway)
摘 要：本文介绍了挪威的岩洞和隧道的广泛应用情况。洞穴用于各种存储目的，例如存储食物，饮用水，石油和其他液态烃，预压缩的气体和空气以及工业废物。洞穴还用于工业和市政设施，如水电洞穴，自来水和污水处理厂。第三，挪威洞穴主要还有两种使用目的，在战争时期用作民防庇护所，在和平时期用作娱乐休闲活动场地（例如体育馆和游泳池）。本文的目的是讨论开发多种多样地下空间的原因，展示不同类型隧道应用的典型设计方案，并介绍挪威隧道经验中的参考示例。
关键词：地下空间；挪威；评论；历史；洞穴；隧道
1 引 言
在过去的几十年中，岩体的开挖技术发展迅速。同时我们的城市也有了快速增长，以及维护我们环境质量的需求意识也在增强。这导致地下空间使用的数量几乎成倍增加。在过去的40-50年中，拥有地下地铁的城市数量从大约30个增加到了100个以上，这一事实清楚地证明了这一点。因此，地下旅行是世界各地许多人的日常体验。
对于公众而言，将地下空间用于交通隧道以外的其他用途并不为人所知。因此，本演示文稿将首先尝试说明在岩石中挖掘的洞穴如何在城市化地区用于多种其他用途，例如：
- 储存食物，水，石油，加压气体，工业废料和其他几种产品。
- 工业设备，例如动力装置，工厂，电信中心。
- 市政设施，例如饮用水和污水处理厂，以及停车场。
- 娱乐和休闲场所，例如体育馆，游泳池，艺术中心，剧院等。
- 战争保护–防空洞。
在随后的部分中，将描述不同用途的示例。由于所有例子都来自挪威。重要的是要让读者知道，这个国家的基岩是以前寒武纪和古生代片麻岩和花岗岩所主。还有一个需要注意的区别是，许多国家的岩石中的风化带比挪威的深，因为挪威的岩石表面曾遭受晚期冰河侵蚀，而其他国家的岩石可能没有。
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本文是对《地下空间应用：日益紧迫的任务》特刊的邀请讨论贡献.
地址：Department of Geology and Mineral Resources Engineering, Norwegian University of Science and Technology,
Sem Saelig;lands vei 1, NO-7091 Trondheim, Norway.
在评估挪威的经验时，应牢记的另一个重要因素是，在过去的50年中，挪威进行了大量的隧道和岩石开挖。一些数字可以说明这一点：
- 挪威目前只有200座地下发电站和4000公里的隧道供水力发电行业使用。
- 铁路隧道约有750条，最长为14公里，公路隧道约有1200条，最长为24.5公里。
- Gjoslash;vik奥林匹克山大会堂是世界上最大的公共洞穴，全长61 m，可容纳5500
人。
在竞争激烈的市场中，这导致了非常经济高效的构造方法。尽管隧道工人的薪水很高，但挪威承包商可能正在生产世界上最便宜的隧道和岩洞。显然，这有利于实现多种目的的地下解决方案。
1982年，挪威隧道学会（Norsk Forening for Fjellsprengningsteknikk – NFF）出版了第一本描述挪威隧道技术的国际英语文章。在过去的10-15年中，每年都会出版新出版物，并在每年的世界隧道大会上发表。出版物为A4格式，约100页。主要主题每年不同。该出版物的标题为“挪威隧道的健康，安全与环境”的第24号出版物于2015年出版。第25号出版物的标题为“挪威岩洞”，将于2016年出版。所有出版物均可从以下网址下载：www.tunnel.no
2 储存洞穴
洞穴被用来存储：
- 石油和其他液态烃
- 加压气体和空气
- 水
- 食物
冰箱温度下的谷物和蔬菜。
深度冷冻温度下的鱼、肉、冰激凌等。
- 工业废料
- 其他：煤炭，沙子，档案馆，艺术品，葡萄酒，啤酒等。
本文只讨论了洞穴中储存的几个选定方面，但人类几个世纪以来一直将地下用于储存目的。良好的保护和持续的气候是重要因素。今天，一些额外的因素可能有利于这一选择。例如，可能需要把大型油库和其他碳氢化合物产品从视线中移开。在建成区也可能只是缺乏土地。但最重要的因素当然是储存成本。
近几十年来，大型岩洞的开挖技术不断改进，相应的成本也随之降低。在Scandinavia进行的岩石洞室与混凝土或钢制储液罐储存液体的成本比较表明，当储存体积超过大约5000 m3时，洞室提供了最便宜的解决方案。成本曲线还表明，当体积从10000 m3增加到100000 m3时，每m3洞室的成本降低了50%（Broch and Oslash;degaard，1983）。
2.1.石油和其他液态烃
在无衬砌岩洞中储存大量的石油是当今世界上公认的技术，因此本文不作介绍。感兴趣的读者很容易找到相关文献。只需简单提及一下，合理优质岩石中的油洞通常跨度为17–20 m，高度为25–30 m，长度为200至500 m。通常有两个到五个平行的洞穴。为了防止石油和气体通过岩体泄漏，通常在洞穴上方和周围建立所谓的水幕。
2.2.加压气体和空气
基本上有两种经济地存储大量天然气的方法：通过压缩气体或冷却气体—最终将温度降至－160至170℃，在此温度下，天然气会转化为液化天然气LNG。
迄今为止，LNG在岩洞中的存储尚未成功。在商业应用成为可能之前，必须进行一些非常具有挑战性的研究。我们需要了解有关岩体在承受这些极端温度时的状态的基本知识。这样的研究只能部分地在实验室中进行，即使那样也困难重重。只有在现场进行了合理规模的测试后，才能获得可靠的设计参数。此外，还需要对LNG洞穴内和周围的传热有更好的了解。在压缩状态下存储气体已经进行了一段时间，但到目前为止仅在压力高达约10 bar的情况下进行。如果要将天然气存储在岩洞中，则需要100–200 bar的压力才能提供经济的解决方案。
在挪威，40多年来，人们一直使用所谓的气垫来代替几个地下电站的调压井和调压塔。容积超过100,000 m3且压力为78bar的无衬砌洞穴可以成功运行，而不会通过岩体造成任何空气损失。十分之三的气垫装有水帘或水伞（Goodall et al., 1988）。压缩空气洞穴也是所谓的CAES概念（压缩空气能量存储）的重要组成部分，用于产生高峰时段的电能（Goodall et al., 1990）。
2.3.饮用水
除了在洞穴中储存油气之外，最重要的储存应用是饮用水。图1显示了Trondheim一个未衬砌的岩洞储罐的布置。通过开挖两个宽12 m，高10 m，长
85 m和长110 m的洞穴，可达到22,000 m3的储罐容量。而且，维修区位于地下，
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图1 Trondheim的Steinan岩洞坦克。总容量22,000m3。虚线表示地形 （A-B）和地质（B-D）限制或有利位置（Broch and Oslash;degaard，1983） |
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图2 图片显示了Steinan岩洞池的入口以及内部的水管，混凝土坝墙和喷射混凝土岩墙（E. Broch摄） |
但由于操作是远程控制的，因此不在日常使用（见图2）。
可能有利于饮用水罐地下解决方案的其他因素包括：
- 高度安全，还可以防止战争危害，破坏和污染。
- 恒定和低水温。
- 双室解决方案的价格低廉或没有价格上涨。
- 开挖的岩体可以用于其他目的。
- 极低的维护成本。
2.4.食品冷藏库
有利的温度条件是选择地下替代方案的原因之一。另一个原因可能是洞穴周围的岩体可以提供良好的隔热效果。在许多情况下，“墙”可以被认为是无限厚的。因此，岩洞在一段时间内一直被用作冷藏室，例如，水果和蔬菜已在正常的冰箱温度（2–5℃）下存储，冷冻食品（如鱼，肉和冰淇淋）已被存储 在所谓的低温冷冻室温度-25℃至-30℃下。
在Scandinavia半岛，深冷库的能源消耗为75％，而冷库的能源消耗仅为类似地面商店的25％，峰值能源需求以及机械安装的能力更加有利。较深的冷冻库将需要50％的容量，而冷冻库仅需要类似表面储存器容量的20％（Broch et al., 1994）。
大大降低的保险费率也有利于冷藏库的地下解决方案。这是由于以下事实：存储洞穴周围的岩体包含一个大的冷库。万一冷却机械发生故障，这将作为备用。经验表明，由于冷却机械故障了几周，地下深冷库中温度仅升高了2–3℃。
2.5.工业废料
在奥达（Odda），主要的锌生产商Boliden / Norzink公司已受到挪威环保部门的指示，将生产中的残留物存放在安全无污染的地方。附近的陡峭山峰被认为是建造岩洞的理想场所，该岩洞可存储年产量为50–60,000 m3的残渣。正在挖掘一系列平行的洞穴，大约每1–2年会挖掘一个洞穴。第一个完成于1985年（Aarvoll et al., 1986）。三十年后的2015年，使用了18号洞穴。毫无疑问，作者的想法是，地下废物存储是为子孙后代保护环境的最佳方法之一。
3 工业设施的洞穴
洞穴中从事工业活动或其他与工业有关的活动可以大致分为以下几类：洞穴中从事工业活动或其他与工业有关的活动可以大致分为以下几类：
- 水力，火力或核能发电站
- 工厂
- 电信中心
当为工业设施设计洞穴时，占地面积通常比体积更重要。因此，其形状可能不同于通常设计用于大容量存储（油，气，水）的洞穴。规划者可能会首选低，宽且通常相对较短的洞穴。唯一的例外是现代化的水力发电站，其水轮机/发电机的垂直轴可能需要高度为40–60 m的洞穴。
3.1.水电项目厂房
挪威的地形和地质条件有利于水力发电的发展。尽管岩石种类繁多，但以高度变质的岩石为主。从工程的角度来看，它们通常可以被分类为典型的硬岩。
挪威每年140 TWh电能的总产量中，有99％以上来自水力发电。图3显示了挪威水电站的装机容量。有趣的是，自1950年以来，地下发电站占主导地位（Broch，1983）。实际上，在全球600-700个地下发电站中，几乎有三分之一，即 200个位于挪威。挪威电力工业是“地下工业”的另一个证明是，如今挪威有4000公里的隧道。如图3中的虚线所示，在1960年至1990年期间，每年平均开挖100公里的隧道。
通过所有这些隧道和地下厂房的设计，施工和运营，获得了宝贵的经验。这一经验对隧道技术的总体发展，尤其是对地下工程的使用具有重要意义。在不同质量的岩体中挖掘的许多地下发电站在很大程度上是我们今天在世界各地发现的各种使用岩石洞穴的先驱（Edvardsson and Broch, 2002）。图4显示了1950年代初期的地下发电站示例。在这种情况下，在岩石洞穴内建造了混凝土建筑。发电站实际上有假窗户，让人感觉是在地上而不是地下。
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图3 挪威水电生产能力的发展和1950-2010年期间挖掘的隧道的累积长度 |
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图4 1952年投入使用的Aura地下水电站（E. Broch摄） |
后来，人们对在地下工作和居住变得更有信心，发电站用裸露的岩壁建造，经常被照亮以展现岩石的美。图5显示了1970年左右投入使用的两个这样的发电站。
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图5 Aring;na-Sira（左）和Tafjord K-5（右）地下发电站（E. Broch摄） |
多年来，水
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