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大型地下水封洞库施工关键技术汇报材料刘龙卫中铁隧道集团一处有限公司2017年3月全国公路工程技术与质量管理工作交流会汇报提纲•1.前言•2.地下水封洞库在我国的发展•3.水封洞库储存油气原理及构成•4.水封洞库施工关键技术•5.体会•6.取得的科技成果1.前言•石油是一种战略资源，石油和天然气战略储备是为了保障能源安全稳定供应、确保国家正常运转的重要手段之一。•1973年第一次世界石油危机以后，美国、日本、西欧一些国家都相继建立了石油和天然气战略储备。据不完全统计，石油储备时间：美国156天、日本169天、法国116天、韩国75天，而我国40天。•储存方式有：储罐、内贴壁洞库、地下水封洞库等。地下水封洞库储存油气资源具有安全可靠、经济实用、投资少、占地小、环保和生态友好、储量大并且利于战备,被称为“具有高度战略安全的储备库”。•目前世界上采用人工或自然岩洞储存油气方式占统治地位，仅用于储存天然气的地下库就有610多座，460多座是利用废旧油气田，80座利用地下水藏，65座盐溶洞库。主要分布在俄罗斯、美国、法国、加拿大、德国、英国、西班牙、比利时、挪威、韩国、日本等国家。•我国石油储备绝大部分由一系列大型钢制储罐组成。江门油库爆炸场景舟山国家石油储备地面罐区液化石油气储存球罐2.地下水封洞库在我国的发展2.1已建及在建水封洞库我国第一座地下水封洞库黄岛地下水封石洞原油库，容量为15万方，于1977年7月完成。至1989年8月共运行了289次，进、出原油204万吨，随后停用。我国第二座地下水封洞库1976年建设的浙江象山4万方柴油地下库，经1990年代修复使用至今。1980年代,我国先后进行勘察设计了黄岛二期地下水封石洞原油库、泰安成品油库,后来停建。直到1990年代中后期,我国才开始恢复建设地下水封洞库,主要是液化石油气储库。2.地下水封洞库在我国的发展2.1已建及在建水封洞库汕头1998年建成我国第一座地下水封LPG储库，20万方。宁波2002年建成我国第二座地下水封LPG储库，50万方。珠海2009年建成我国第三座地下水封LPG储库，40万方。黄岛2012年建成我国第四座座地下水封LPG储库，50万方。烟台2014年建成我国第五座座地下水封LPG储库，100万方，目前世界上总库库容、单库库容均第一。汕头LPG(操作竖井)2.地下水封洞库在我国的发展2.1已建及在建水封洞库*国家石油储备战略实施国内于2003年启动石油战略储备工程，第一期地面储罐已修建完成；第二期的4个地下水封洞库工程（黄岛、锦州、惠州、湛江）和地面储罐工程已全部开工建设；第三期的项目正在规划中，预计均为地下水封洞库。2011年10月，锦州国储300万方原油洞库开始建设，2015年年底投入运营。2013年6月，惠州国储500万方原油洞库开始建设，预计2017年年底投入运营。2013年8月，湛江国储500万方原油洞库开始建设，正在建设（征地拆迁原因）。2.地下水封洞库在我国的发展•2.2水封洞库的发展趋势与前景•石油地下水封洞库在建设规模超过100万方时，建设投资较经济。石油地下水封洞库工程一次投资较大、建设周期较长，目前只有国家作为战略储备投资修建，今后将开发国家与企业合作的模式投资修建，存储的油品也从原油向成品油发展。•油气地下水封洞库在建设规模超过20万方时，其建设、运营维护费用较经济。油气地下水封洞库工程由于一次性投资不大、运营维护费用低和高安全性，受到国内外油气企业的青睐。利用地下水封洞库储存压缩空气、CO2、H2等是各国科技工作者下一步研究的目标。•目前国家原油储备库和企业销售LPG储库在采用地下水封洞库上已经有了一定的规模，在炼油石化企业采用地下水封洞库，具有更大的优势，具有广阔的使用前景。3.水封洞库储存油气原理及构成•3.1水封洞库储存油气原理•地下水封洞库建在稳定的地下水位以下一定深度的岩石里，以确保洞库围岩中裂隙水压力始终大于洞库储存温度下油品的饱和蒸汽压力，既可防止洞库储存的油品不顺着围岩裂隙渗透出去，又能保证有少量地下水沿着裂隙流入洞库内，由于油品比水轻而又不相溶，流入洞库中的水沿着岩壁汇集到洞库底部，形成防止渗漏的水垫层，油品始终浮在水面上。地下水封洞库储存原理图3.水封洞库储存油气原理及构成•3.2水封洞库结构组成•地下水封洞库工程主要包括卸船（车）入库设施、地下结构、装船（装车）外输设施、油气回收与裂隙水（含油污水）处理设施等部分。•地下结构为其中最主要的部分，其土建部分由施工巷道、水幕系统、洞罐、竖井（操作竖井）和泵坑组成。地下水封洞库地下结构部分示意图3.水封洞库储存油气原理及构成•3.2水封洞库结构组成•（1）施工巷道——与交通隧道斜井作用类似•地面与地下洞室间需建一条或几条通道。以便在洞室施工前及施工中，将挖掘设备，施工时需要的水、电、压缩空气、通风设备及人员运下去，并将挖掘的石渣、地下水排运地面上。另外还要便于安装所需管道及相应设备。•断面、坡度是制约施工进度、安全、环保的关键。3.水封洞库储存油气原理及构成•3.2水封洞库结构组成•（2）水幕系统——确保洞库水封效果，决定项目成败•为了确保油品安全密封储存在限定的空间内，通常为了改善地下水力分布以提高储油洞库气密性要设置水幕系统，由一系列钻孔组成的水平水幕、垂直水幕和水幕巷道组成。•*当一座地下水封洞库的不同洞室储存不同油品介质时，为了防止窜油，需要在洞室间设置垂直水幕。当防止外部水体对洞库造成影响时，也需要在洞库与外部水体之间设置垂直水幕。•*常压储存的地下水封洞库，设置水幕主要是出于环保安全的需要，特别是当地下水封洞库周围的水体条件不能满足长期饱和的情况下。3.水封洞库储存油气原理及构成•3.2水封洞库结构组成•（3）洞罐•储油洞室是由储油巷道组成且经连接巷道连通的储油单元，相当于地面上的单个油罐。储油巷道是在地下岩体内开挖的水平隧道，为主要储油空间。也称为主巷道。连接巷道是将储油巷道连通的水平隧道，连通储油巷道的气相(上部连接巷道)、液相和水(下部连接巷道)，在施工期间可通往储油巷道的不同水平面。储存常压油品，在强度及稳定性较好的岩体内，可以采用直墙割圆拱截面储存常压油品，在强度及稳定性不好的岩体内，应采用曲墙圆趾圆拱截面储存有压油品，无论岩体的强度及稳定性如何，应采用三心曲墙圆拱截面3.水封洞库储存油气原理及构成•3.2水封洞库结构组成•（4）竖井（操作竖井）和泵坑•操作竖井是从地面垂直向下开挖的的圆形或方形通道，用于安装油品进出运输管道、排水管道、仪表、电缆等设施，是洞库与外界联系的唯一通道。•地面管线及仪表信号线均通过操作竖井与洞罐相连，一般一个洞罐设一个操作竖井，也可设2个甚至3个竖井。•竖井开挖成圆形，这种形状受力较好。根据进出洞罐工艺管线情况确定竖井直径，一般为3～7m。•在竖井下方洞罐底部设置泵坑。泵坑主要是收集裂隙水，并用泵将裂隙水排出洞库外。产品液下泵也放在泵坑内，以利于泵的冷却。泵坑结构断面尺寸一般与操作竖井相同，坑深一般根据泵的结构尺寸决定，通常为15～30m。4.水封洞库施工关键技术•4.1大型地下极硬岩超大断面洞室群减震爆破技术•（1）通过爆破围岩损伤特征分析，制定了基于水幕密封性的超大断面洞库爆破安全控制振速。基于水幕密封性要求的爆破安全控制振速，研发了超大断面洞库“台阶逐层开挖预裂爆破修边”的减振爆破方案，地表建筑物最大爆破震速＜1.1m/，围岩最大质点振速2.46cm/s，围岩爆破瞬间附加应力仅为0.3MPa，有效降低了爆破振动对围岩的损伤，确保了水幕密封性。•（2）依据洞库与不良地质体的空间方位特征，系统地给出了不良地质段施工处理方法，分别采用预留岩墙法支撑洞壁、采用上中下三条导洞穿过不良地质结构面连接两端主洞室和采用上下导洞穿过不良地质段等三种技术方案，获三项发明专利。*集团公司、中国中铁科研项目三层台阶开挖1856顶层导洞一层台阶二层台阶三层台阶26扩挖668220主洞室顶层中导洞开挖示意图主洞室台阶预留保护层法开挖示意图主洞室台阶竖向钻孔爆破开挖示意图三台阶开挖方法中台阶预裂开挖主洞室全貌图4.水封洞库施工关键技术•4.2水幕系统计算分析与测试技术•根据压力-时间变化曲线，建立相应的试验模型，通过对单水幕孔试验研究、多水幕孔联合研究，判别找出低效率水幕孔，增设附加水幕孔，确保水幕系统有效。•4.2.1单水幕孔试验研究。阐述了单水幕孔试验的试验设计原理，明确了采用的试验仪器，优化并分析了试验流程。研究出了单水幕孔渗透性与试验因素的关系，并根据相互关系进行现场改进，取得了较好的效果。•4.2.2多水幕孔联合试验研究。通过对地下水封洞库各水幕系统进行独立多水幕孔联合试验，提出了低效率水幕孔判断标准，并根据判断标准指出了现场低效率水幕孔的分布，针对分布情况采取相应的处理措施，完善了国内多水幕孔联合试验的理论、判断标准及低效率水幕孔的处理方式，为后续工程提供了借鉴。4.水封洞库施工关键技术•4.2水幕系统计算分析与测试技术•4.2.3从水封原理出发，项目首次提出附加水幕孔设计原则，即：•①连续低效孔在孔间增设新孔；•②非连续低效孔在相邻两孔间增设新孔；•③导水发育区据孔压变化增设；•④潜在低效孔据实而定。水幕效率试验水幕供水4.水封洞库施工关键技术•4.2水幕系统计算分析与测试技术•4.2.4地下水封洞库超深水幕孔施工工法。•地下水封洞库工程水幕孔深度较大（100m），且倾斜和孔底偏差精度要求高，施工技术难度大，偏差超标时需注浆回填，并重新打孔。目前国内外水幕孔施工多采用调整开孔上仰角、初始方位角、控制风压及钻速的方式进行水幕孔钻孔精度控制，仅能保证60m左右孔深满足要求。•在水平水幕孔施工过程中，钻头运动轨迹为抛物线，施工至一定深度后将向下偏移至设计轴线高程位置，并随着钻孔深度增加继续向下偏移，若水幕孔深度过深，则孔底偏移量将超过允许公差，难以满足深度超100m的水幕孔施工。•通过开展了超深水幕孔施工工艺攻关，提高了钻孔精度，取得了良好的经济效益，总结成工法并成功推广应用。4.水封洞库施工关键技术•4.2水幕系统计算分析与测试技术•4.2.4地下水封洞库超深水幕孔施工工法。•工法原理：利用成孔设备提供的冲击力和扭矩实现硬岩超深孔钻凿，并适应水幕巷道狭小空间作业需要；采用大刚度钻杆和扶正器组，通过减小钻头下挠量，减小钻孔误差，并在钻进过程中对即将超限孔进行纠偏，提高施工精度。4.水封洞库施工关键技术•4.2.4地下水封洞库超深水幕孔施工工法。•工法特点：•（1）施工精度高（钻机与孔口间安装可调节支撑杆，提高开孔精度；安装多个扶正器，平衡钻头及前端钻杆下挠量，并减小钻头、钻杆在孔内跳动量，保持前端钻头轴线与设计轴线吻合，减小钻孔误差，提高钻孔精度）•（2）无需增加额外特殊设备，施工成本低（采用全机械化作业，劳动力投入较少，相对常规技术一次性成孔精度高，杜绝返工浪费。•（3）适合在水幕巷道狭窄的场地进行施工，钻孔深度深大，工艺简单，操作容易，便于现场实施。•（4）采用防灭尘装置，全程杜绝粉尘，利于操作人员健康和环境保护。4.水封洞库施工关键技术•4.2.4地下水封洞库超深水幕孔施工工法。•工法关键技术：•1）选择合适的钻孔设备，为钻机提供足够冲击力和扭矩，满足钻凿硬岩超深孔所需动力，适应水幕巷道狭小空间作业；•2）选用刚度较大的钻杆，减小钻杆变形量，在开孔时通过可调支撑杆设置水平偏角和竖直仰角，平衡水幕孔钻进过程中的偏差；•3）钻机与孔口间安装支撑杆，孔口安装导向孔口管，提高开孔精度；•4）安装多个扶正器，形成扶正器组，减小钻杆钻头的跳动量，提高钻头冲击岩石方向的准确性；•5）利用后端扶正器的重力，平衡钻头与前端扶正器之间钻杆产生的下挠量，保持前端钻头轴线最大程度与设计轴线吻合，减小钻孔误差，提高钻孔精度，保证施工误差满足精度要求；•6）利用测斜仪进行过程偏差测量，偏差超限时，利用扶正器纠偏。水平偏角设置测斜仪绘制钻孔轨迹水平水幕孔钻孔竖直水幕孔钻孔施工动画4.水封洞库施工关键技术•4.