1、大型地下水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù)匯報材料,劉龍衛(wèi) 中鐵隧道集團一處有限公司 2017年3月,全國公路工程技術(shù)與質(zhì)量管理工作交流會,匯報提綱,1.前言 2.地下水封洞庫在我國的發(fā)展 3.水封洞庫儲存油氣原理及構(gòu)成 4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù) 5.體會 6.取得的科技成果,1.前言,石油是一種戰(zhàn)略資源，石油和天然氣戰(zhàn)略儲備是為了保障能源安全穩(wěn)定供應(yīng)、確保國家正常運轉(zhuǎn)的重要手段之一。 1973年第一次世界石油危機以后，美國、日本、西歐一些國家都相繼建立了石油和天然氣戰(zhàn)略儲備。 據(jù)不完全統(tǒng)計，石油儲備時間：美國156天、日本169天、法國116天、韓國75天，而我國40天。 儲存方式有：儲罐、內(nèi)貼壁洞庫、地

2、下水封洞庫等。地下水封洞庫儲存油氣資源具有安全可靠、經(jīng)濟實用、投資少、占地小、環(huán)保和生態(tài)友好、儲量大并且利于戰(zhàn)備,被稱為“具有高度戰(zhàn)略安全的儲備庫”。 目前世界上采用人工或自然巖洞儲存油氣方式占統(tǒng)治地位，僅用于儲存天然氣的地下庫就有610多座，460多座是利用廢舊油氣田，80座利用地下水藏，65座鹽溶洞庫。主要分布在俄羅斯、美國、法國、加拿大、德國、英國、西班牙、比利時、挪威、韓國、日本等國家。 我國石油儲備絕大部分由一系列大型鋼制儲罐組成。,江門油庫爆炸場景,舟山國家石油儲備地面罐區(qū),液化石油氣儲存球罐,2.地下水封洞庫在我國的發(fā)展,2.1已建及在建水封洞庫 我國第一座地下水封洞庫黃島地下水

3、封石洞原油庫，容量為15萬方，于1977年7月完成。至1989年8月共運行了289次，進、出原油204萬噸，隨后停用。 我國第二座地下水封洞庫1976年建設(shè)的浙江象山4萬方柴油地下庫，經(jīng)1990年代修復使用至今。 1980年代,我國先后進行勘察設(shè)計了黃島二期地下水封石洞原油庫、泰安成品油庫,后來停建。 直到1990年代中后期,我國才開始恢復建設(shè)地下水封洞庫,主要是液化石油氣儲庫。,2.地下水封洞庫在我國的發(fā)展,2.1已建及在建水封洞庫 汕頭 1998年建成我國第一座地下水封LPG儲庫，20萬方。 寧波 2002年建成我國第二座地下水封LPG儲庫，50萬方。 珠海 2009年建成我國第三座地下水

4、封LPG儲庫，40萬方。 黃島 2012年建成我國第四座座地下水封LPG儲庫，50萬方。 煙臺 2014年建成我國第五座座地下水封LPG儲庫，100萬方，目前世界上總庫庫容、單庫庫容均第一。,汕頭LPG (操作豎井),2.地下水封洞庫在我國的發(fā)展,2.1已建及在建水封洞庫 *國家石油儲備戰(zhàn)略實施 國內(nèi)于2003年啟動石油戰(zhàn)略儲備工程，第一期地面儲罐已修建完成；第二期的4個地下水封洞庫工程（黃島、錦州、惠州、湛江）和地面儲罐工程已全部開工建設(shè)；第三期的項目正在規(guī)劃中，預計均為地下水封洞庫。 2011年10月，錦州國儲 300萬方原油洞庫開始建設(shè)，2015年年底投入運營。 2013年6月，惠州國儲

5、500萬方原油洞庫開始建設(shè)，預計2017年年底投入運營。 2013年8月，湛江國儲500萬方原油洞庫開始建設(shè)，正在建設(shè)（征地拆遷原因）。,2.地下水封洞庫在我國的發(fā)展,2.2水封洞庫的發(fā)展趨勢與前景 石油地下水封洞庫在建設(shè)規(guī)模超過100萬方時，建設(shè)投資較經(jīng)濟。石油地下水封洞庫工程一次投資較大、建設(shè)周期較長，目前只有國家作為戰(zhàn)略儲備投資修建，今后將開發(fā)國家與企業(yè)合作的模式投資修建，存儲的油品也從原油向成品油發(fā)展。 油氣地下水封洞庫在建設(shè)規(guī)模超過20萬方時，其建設(shè)、運營維護費用較經(jīng)濟。油氣地下水封洞庫工程由于一次性投資不大、運營維護費用低和高安全性，受到國內(nèi)外油氣企業(yè)的青睞。利用地下水封洞庫儲存壓

6、縮空氣、CO2、H2 等是各國科技工作者下一步研究的目標。 目前國家原油儲備庫和企業(yè)銷售LPG儲庫在采用地下水封洞庫上已經(jīng)有了一定的規(guī)模，在煉油石化企業(yè)采用地下水封洞庫，具有更大的優(yōu)勢，具有廣闊的使用前景。,3.水封洞庫儲存油氣原理及構(gòu)成,3.1水封洞庫儲存油氣原理 地下水封洞庫建在穩(wěn)定的地下水位以下一定深度的巖石里，以確保洞庫圍巖中裂隙水壓力始終大于洞庫儲存溫度下油品的飽和蒸汽壓力，既可防止洞庫儲存的油品不順著圍巖裂隙滲透出去，又能保證有少量地下水沿著裂隙流入洞庫內(nèi)，由于油品比水輕而又不相溶，流入洞庫中的水沿著巖壁匯集到洞庫底部，形成防止?jié)B漏的水墊層，油品始終浮在水面上。,地下水封洞庫儲存原

7、理圖,3.水封洞庫儲存油氣原理及構(gòu)成,3.2水封洞庫結(jié)構(gòu)組成 地下水封洞庫工程主要包括卸船（車）入庫設(shè)施、地下結(jié)構(gòu)、裝船（裝車）外輸設(shè)施、油氣回收與裂隙水（含油污水）處理設(shè)施等部分。 地下結(jié)構(gòu)為其中最主要的部分，其土建部分由施工巷道、水幕系統(tǒng)、洞罐、豎井（操作豎井）和泵坑組成。,地下水封洞庫地下結(jié)構(gòu)部分示意圖,3.水封洞庫儲存油氣原理及構(gòu)成,3.2水封洞庫結(jié)構(gòu)組成 （1）施工巷道與交通隧道斜井作用類似 地面與地下洞室間需建一條或幾條通道。以便在洞室施工前及施工中，將挖掘設(shè)備，施工時需要的水、電、壓縮空氣、通風設(shè)備及人員運下去，并將挖掘的石渣、地下水排運地面上。另外還要便于安裝所需管道及相應(yīng)設(shè)備

8、。 斷面、坡度是制約施工進度、安全、環(huán)保的關(guān)鍵。,3.水封洞庫儲存油氣原理及構(gòu)成,3.2水封洞庫結(jié)構(gòu)組成 （2）水幕系統(tǒng)確保洞庫水封效果，決定項目成敗 為了確保油品安全密封儲存在限定的空間內(nèi)，通常為了改善地下水力分布以提高儲油洞庫氣密性要設(shè)置水幕系統(tǒng)，由一系列鉆孔組成的水平水幕、垂直水幕和水幕巷道組成。 *當一座地下水封洞庫的不同洞室儲存不同油品介質(zhì)時，為了防止竄油，需要在洞室間設(shè)置垂直水幕。當防止外部水體對洞庫造成影響時，也需要在洞庫與外部水體之間設(shè)置垂直水幕。 *常壓儲存的地下水封洞庫，設(shè)置水幕主要是出于環(huán)保安全的需要，特別是當?shù)叵滤舛磶熘車乃w條件不能滿足長期飽和的情況下。,3.水封

9、洞庫儲存油氣原理及構(gòu)成,3.2水封洞庫結(jié)構(gòu)組成 （3）洞罐 儲油洞室是由儲油巷道組成且經(jīng)連接巷道連通的儲油單元，相當于地面上的單個油罐。儲油巷道是在地下巖體內(nèi)開挖的水平隧道，為主要儲油空間。也稱為主巷道。連接巷道是將儲油巷道連通的水平隧道，連通儲油巷道的氣相(上部連接巷道)、液相和水(下部連接巷道)，在施工期間可通往儲油巷道的不同水平面。,儲存常壓油品，在強度及穩(wěn)定性較好的巖體內(nèi)， 可以采用直墻割圓拱截面,儲存常壓油品，在強度及穩(wěn)定性不好的巖體內(nèi)， 應(yīng)采用曲墻圓趾圓拱截面,儲存有壓油品，無論巖體的強度及穩(wěn)定性如何， 應(yīng)采用三心曲墻圓拱截面,3.水封洞庫儲存油氣原理及構(gòu)成,3.2水封洞庫結(jié)構(gòu)組成

10、 （4）豎井（操作豎井）和泵坑 操作豎井是從地面垂直向下開挖的的圓形或方形通道，用于安裝油品進出運輸管道、排水管道、儀表、電纜等設(shè)施，是洞庫與外界聯(lián)系的唯一通道。 地面管線及儀表信號線均通過操作豎井與洞罐相連，一般一個洞罐設(shè)一個操作豎井，也可設(shè)2個甚至3個豎井。 豎井開挖成圓形，這種形狀受力較好。根據(jù)進出洞罐工藝管線情況確定豎井直徑，一般為37m。 在豎井下方洞罐底部設(shè)置泵坑。泵坑主要是收集裂隙水，并用泵將裂隙水排出洞庫外。產(chǎn)品液下泵也放在泵坑內(nèi)，以利于泵的冷卻。泵坑結(jié)構(gòu)斷面尺寸一般與操作豎井相同，坑深一般根據(jù)泵的結(jié)構(gòu)尺寸決定，通常為1530m。,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.1大型地下極硬巖

11、超大斷面洞室群減震爆破技術(shù) （1）通過爆破圍巖損傷特征分析，制定了基于水幕密封性的超大斷面洞庫爆破安全控制振速。基于水幕密封性要求的爆破安全控制振速，研發(fā)了超大斷面洞庫“臺階逐層開挖預裂爆破修邊”的減振爆破方案，地表建筑物最大爆破震速1.1m/，圍巖最大質(zhì)點振速2.46cm/s，圍巖爆破瞬間附加應(yīng)力僅為0.3MPa，有效降低了爆破振動對圍巖的損傷，確保了水幕密封性。 （2）依據(jù)洞庫與不良地質(zhì)體的空間方位特征，系統(tǒng)地給出了不良地質(zhì)段施工處理方法，分別采用預留巖墻法支撐洞壁、采用上中下三條導洞穿過不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)面連接兩端主洞室和采用上下導洞穿過不良地質(zhì)段等三種技術(shù)方案，獲三項發(fā)明專利。,*集團公司、

12、中國中鐵科研項目,三層臺階開挖,主洞室頂層中導洞開挖示意圖,主洞室臺階預留保護層法開挖示意圖,主洞室臺階豎向鉆孔爆破開挖示意圖,三臺階開挖方法,中臺階預裂開挖,主洞室全貌圖,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.2水幕系統(tǒng)計算分析與測試技術(shù) 根據(jù)壓力-時間變化曲線，建立相應(yīng)的試驗模型，通過對單水幕孔試驗研究、多水幕孔聯(lián)合研究，判別找出低效率水幕孔，增設(shè)附加水幕孔，確保水幕系統(tǒng)有效。 4.2.1單水幕孔試驗研究。闡述了單水幕孔試驗的試驗設(shè)計原理，明確了采用的試驗儀器，優(yōu)化并分析了試驗流程。研究出了單水幕孔滲透性與試驗因素的關(guān)系，并根據(jù)相互關(guān)系進行現(xiàn)場改進，取得了較好的效果。 4.2.2多水幕孔聯(lián)合試驗研

13、究。通過對地下水封洞庫各水幕系統(tǒng)進行獨立多水幕孔聯(lián)合試驗，提出了低效率水幕孔判斷標準，并根據(jù)判斷標準指出了現(xiàn)場低效率水幕孔的分布，針對分布情況采取相應(yīng)的處理措施，完善了國內(nèi)多水幕孔聯(lián)合試驗的理論、判斷標準及低效率水幕孔的處理方式，為后續(xù)工程提供了借鑒。,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.2水幕系統(tǒng)計算分析與測試技術(shù) 4.2.3從水封原理出發(fā)，項目首次提出附加水幕孔設(shè)計原則，即： 連續(xù)低效孔在孔間增設(shè)新孔； 非連續(xù)低效孔在相鄰兩孔間增設(shè)新孔； 導水發(fā)育區(qū)據(jù)孔壓變化增設(shè)； 潛在低效孔據(jù)實而定。,水幕效率試驗,水幕供水,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.2水幕系統(tǒng)計算分析與測試技術(shù) 4.2.4地下水封洞庫超

14、深水幕孔施工工法。 地下水封洞庫工程水幕孔深度較大（100m），且傾斜和孔底偏差精度要求高，施工技術(shù)難度大，偏差超標時需注漿回填，并重新打孔。目前國內(nèi)外水幕孔施工多采用調(diào)整開孔上仰角、初始方位角、控制風壓及鉆速的方式進行水幕孔鉆孔精度控制，僅能保證60m左右孔深滿足要求。 在水平水幕孔施工過程中，鉆頭運動軌跡為拋物線，施工至一定深度后將向下偏移至設(shè)計軸線高程位置，并隨著鉆孔深度增加繼續(xù)向下偏移，若水幕孔深度過深，則孔底偏移量將超過允許公差，難以滿足深度超100m的水幕孔施工。 通過開展了超深水幕孔施工工藝攻關(guān)，提高了鉆孔精度，取得了良好的經(jīng)濟效益，總結(jié)成工法并成功推廣應(yīng)用。,4.水封洞庫施工關(guān)

15、鍵技術(shù),4.2水幕系統(tǒng)計算分析與測試技術(shù) 4.2.4地下水封洞庫超深水幕孔施工工法。 工法原理：利用成孔設(shè)備提供的沖擊力和扭矩實現(xiàn)硬巖超深孔鉆鑿，并適應(yīng)水幕巷道狹小空間作業(yè)需要；采用大剛度鉆桿和扶正器組，通過減小鉆頭下?lián)狭?，減小鉆孔誤差，并在鉆進過程中對即將超限孔進行糾偏，提高施工精度。,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.2.4地下水封洞庫超深水幕孔施工工法。 工法特點： （1）施工精度高（ 鉆機與孔口間安裝可調(diào)節(jié)支撐桿，提高開孔精度；安裝多個扶正器，平衡鉆頭及前端鉆桿下?lián)狭?，并減小鉆頭、鉆桿在孔內(nèi)跳動量，保持前端鉆頭軸線與設(shè)計軸線吻合，減小鉆孔誤差，提高鉆孔精度） （2）無需增加額外特殊設(shè)備，施

16、工成本低（采用全機械化作業(yè)，勞動力投入較少，相對常規(guī)技術(shù)一次性成孔精度高，杜絕返工浪費。 （3）適合在水幕巷道狹窄的場地進行施工，鉆孔深度深大，工藝簡單，操作容易，便于現(xiàn)場實施。 （4）采用防滅塵裝置，全程杜絕粉塵，利于操作人員健康和環(huán)境保護。,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.2.4地下水封洞庫超深水幕孔施工工法。 工法關(guān)鍵技術(shù)： 1）選擇合適的鉆孔設(shè)備，為鉆機提供足夠沖擊力和扭矩，滿足鉆鑿硬巖超深孔所需動力，適應(yīng)水幕巷道狹小空間作業(yè)； 2）選用剛度較大的鉆桿，減小鉆桿變形量，在開孔時通過可調(diào)支撐桿設(shè)置水平偏角和豎直仰角，平衡水幕孔鉆進過程中的偏差； 3）鉆機與孔口間安裝支撐桿，孔口安裝導向孔口

17、管，提高開孔精度； 4）安裝多個扶正器，形成扶正器組，減小鉆桿鉆頭的跳動量，提高鉆頭沖擊巖石方向的準確性； 5）利用后端扶正器的重力，平衡鉆頭與前端扶正器之間鉆桿產(chǎn)生的下?lián)狭浚３智岸算@頭軸線最大程度與設(shè)計軸線吻合，減小鉆孔誤差，提高鉆孔精度，保證施工誤差滿足精度要求； 6）利用測斜儀進行過程偏差測量，偏差超限時，利用扶正器糾偏。,水平偏角設(shè)置,測斜儀繪制鉆孔軌跡,水平水幕孔鉆孔,豎直水幕孔鉆孔,施工動畫,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.3“豎井+風倉”分配式復雜洞群體系施工通風 典型的“口小肚大”，施工巷道斷面不足以布置多趟大直徑風管，傳統(tǒng)壓入式通風難以滿足施工需要。 國內(nèi)首次提出了水封地下洞

18、庫衛(wèi)生標準，項目開創(chuàng)性地建立了“豎井風倉”分配式通風模式，新鮮風流經(jīng)豎井和風倉后分別向三個庫區(qū)送風，有效解決了復雜洞群體系通風難題。通過對豎井風倉進行優(yōu)化設(shè)置，提升軸流風機通風效率，保障了洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境質(zhì)量。 應(yīng)用效果：洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境有害粉塵含量僅為1.8mg/m，且提高軸流風機通風效率25%以上。 通風效果直接制約施工進度、環(huán)保，關(guān)鍵點：豎井通風豎井的設(shè)置、風倉的設(shè)置、風機位置。,煙臺LPG洞庫施工通風方案 （通風壓力最大階段）,通風豎井風倉位置通風機,臺階開挖時通風效果,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.4注漿堵水技術(shù) 施工階段滲漏水偏大，增加排水壓力和費用，運營期水幕系統(tǒng)須大量補水，加大了運營成

19、本。（設(shè)備被封閉在洞罐內(nèi)長期運行，更換時需停止運營） 地下水封洞庫對地下水的滲漏控制更為嚴格，即使地下水的滲漏量較小，對一般隧道施工沒有任何影響，但可能會對地下水封洞庫的密封性造成影響，必須將地下水滲漏量控制在很小的量（總庫容的1/10000）。 要控制地下水的滲漏量，需結(jié)合地質(zhì)情況采用注漿手段堵水注漿。 (1)堵水預注漿；(2)堵水后注漿；(3)固結(jié)注漿； (4)接觸注漿；(5)回填注漿。,滲水點滲水量測量,開挖后注漿堵水,開挖前預注漿堵水,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.5庫容測量技術(shù) 基于洞庫庫容測量方法，精確計算出洞庫庫容，應(yīng)用三維位移數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及專業(yè)分析建模軟件，建立了洞庫可視化三維空間實體模型，從而計算出某一液面高程下的洞庫容積和任意方位切割剖面，得到實體容量報告,確保了洞庫成型需求。,形成的實體模型圖,獲2項發(fā)明專利 一種快速查詢地下水封式洞庫容量的簡易方法 地下水封洞庫的庫容測量方法,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.6大型水封式洞庫群信息化施工技術(shù) 圍巖穩(wěn)定監(jiān)測 基于地下水位穩(wěn)定的動態(tài)監(jiān)測方法,洞內(nèi)監(jiān)控量測,埋設(shè)多點位移計,安裝接觸應(yīng)力計,圍巖松動圈安裝與測試,水位監(jiān)測孔施工,水位監(jiān)測,4.水封洞庫施工關(guān)鍵技術(shù),4.7大型LPG地下水封洞庫機械化配套技