地下水封石油洞库水幕系统施工技术

分析

地下水封石油洞库水幕系统施工技术

管泽英

(中铁隧道局集团有限公司工程技术部，广东南沙511400)

摘要：地下水封石油洞库的密闭性主要通过地下水来控制，通过水幕系统进行补充，水幕系统的作用很重 要。结合惠州国储石油洞库介绍了水幕系统的的施工工艺，并对水幕孔的施工、水幕试验、水幕巷道的清底等 关键技术进行了详细的阐述。水幕系统最终技术状态良好，其施工技术有借鉴意义。

关键词：地下水封石油洞库；水幕系统；钻孔；清底

DOI：10. 13219/j. gjgyat. 2018. 02. 013

中图分类号：TE972. 2 文献标识码：B文章编号= 1672-3953(2018)02-0049-04

地下水封石油洞库是在稳定的地下水位以下一 定深度的天然岩体中，人工开挖的以岩体和岩体中 的裂隙水共同构成储油空间的一种地下工程，由储 油洞、施工巷道、竖井(操作井）、泵坑、水幕系统等组 成。为保证稳定的地下水位，洞库顶部的地下水压 力必须大于储存压力，使水的压力梯度达到气体不 能穿过岩层裂隙外溢。在地下水封洞库周围水体条 件不能满足长期饱和的情况下，为确保岩体和裂隙 水共同构成一个相当于压力容器的洞罐，需要设置 水幕系统来改善岩体的水力分布条件，使洞库围岩 长期处于水饱和状态，裂隙水可以得到及时补充，也 是环境保护安全的需要[12]。

1 水幕系统的设计

水幕一般由水幕巷道、水平水幕、竖直水幕组成。

水幕系统的布置应满足稳定地下水压力及地下 水覆盖范围、补充地下水渗流量的要求;水幕巷道断 面尺寸应满足水幕系统施工机械作业空间和施工组 织需要，并应满足系统测试、施工进度等的要求[1_2]。

水幕巷道截面形状宜采用拱型直墙截面，应满 足小型凿岩、运输设备以及施工人员的通行，以及通 风、排水、电力及其它设施所占用的空间和施工水幕 孔的要求，跨度及高度不宜小于4 m。

水平水幕系统中，水幕巷道尽端应超出洞室外 壁不小于20 m，水幕孔应超出洞室外壁不小于10 m。垂直水幕系统中，水幕孔的孔深应超出洞室底 面 10 m0

收稿日期：2018-01-09

作者简介:管泽英（1966—），女，高级工程师，主要从事隧道技术 管理工作。29732397Q@qq.com

水幕孔的间距宜为10〜20 m，水幕孔直径宜为

76〜100 mm。

2 水幕系统施工方案

2.1 工程概况

惠州国储地下水封洞库项目，库区平面面积约

3. 6 km2，项目建设规模为500 X104m3。洞顶上方

20 m处设水平水幕系统，由注水巷道和注水孔组

成，注水孔间距10 m，覆盖整个洞库上方。

2.2 工程特点

(1) 地下水位及渗流控制严格。为确保地下水 封洞库正常运行，水幕系统在主洞室开挖完成前形

成，进行全过程充水，在开挖过程中要注意杜绝出现

较多的渗漏水，避免地下水位严重下降而影响洞库

的气密性，或由于渗漏水量较多而增加洞库投产期

排水及水处理的费用。

(2) 施工作业空间受限，水幕孔钻孔精度要求 高，水幕系统施工难度大。水幕巷道开挖断面较小，

开挖施工进度总体较慢。对同一段水幕巷道，必须

在该段全部开挖完成后才能进行水幕钻孔，水幕超

前主洞室覆盖难度较大。水幕钻孔孔深较大，钻孔

过程中钻机钻杆受重力作用下沉较多，且地下洞库

库区存在部分与之小角度相交结构面断层等不良地

质结构，水幕孔钻孔的精度及偏差不易控制。

2.3 施工方案

水幕巷道单个开挖作业面配置一台多功能台

架、12把手风钻，采用人工手风钻钻孔、多功能作业

台架辅助人工装药、全断面光爆的施工措施进行开

挖施工；出渣作业采用1台侧卸式装载机配合1辆

25 t自卸汽车进行;锚杆采用人工手风钻钻孔，作业台架辅助安装；喷砼采用湿喷混凝土机械手作业。水幕钻孔采用小型坑道钻机钻孔，洞外安设高风压 空压机提供动力，钻机配置取芯钻具和孔内成像仪。

为了加快施工进度，尽早建立水幕运营系统，为主洞库开挖提供水幕覆盖，水幕巷道断面（宽X高）5.0 m X4.5 m变更为（宽 X高）7.0 m X6. 0 m，常 规设备可人洞进行施工，提高了工程进度;水幕开挖 与钻孔覆盖可根据施工进度进行分区、协调进行，即先开挖巷道的一部分，然后进行水幕钻孔覆盖，多工 序交叉或同时作业。

水幕系统供水采用自来水直接供应，在1洞施 工巷道口附近建立供水水池。水幕孔孔口安装压力 表、流量表、截止阀和逆止阀等，用以监测注水压力、注水量和防止孔内水倒流。水幕建成后，要及时对 水幕进行监测及各种水试验，以指导主洞库的开挖。按照设计完成所有水幕施工后要及时进行水幕效率 试验，根据效率试验情况确定增加的水幕附加钻孔，附加孔供水试验完成后，再次进行水幕效率试验，并 确定水幕的水位、地质监测孔的位置。

3 水幕钻孔施工幕孔位置，钻机钻头对准已标识水幕孔孔口右下方 位置，便于进行偏角与上仰角调整。进行超深水幕 孔施工时因钻杆自重与离心力作用、水幕巷道底部 凹凸不平时钻机受力易发生偏移，需保证钻机安装 时底部稳定。

3.4 钻杆角度调整

3.4.1 开孔角度设定

在钻进过程中，钻孔因钻杆自重，钻进时孔道会 自然向下倾斜，开孔需上仰一定角度。为保证开孔 向上偏差不超过允许值(5 %)，按照理论计算及试钻 结果，开孔最大仰角不大于3°。

钻具在回转过程中，因离心力的作用，使钻杆向 旋转方向（向右)倾斜，结合测斜试验结果，开孔方位 角向左偏移2〜3°。

3.4.2 偏角调整

在采用全站仪两点法控制时，首先采用牵引线 将水幕钻孔标识点与对应后视点连接作为钻孔定位 校核轴线，然后分别在钻机前部、中部、尾部确定钻 机横向中点位置做出标识。牵引线与水幕巷道同 宽，为7 m，利用三角形特性计算出钻机平面角偏移 2〜3°时钻机尾部一侧牵引线末端需水平偏移2. 5

3.1 测量定位

采用全站仪按照设计孔口坐标确定水幕孔设计 开孔点进行标识，在对应水幕巷道另一侧边墙放出 该水幕孔孔位后视点做出标识（便于后期采用全站 仪两点定位法进行方位角调整），如图1所示。

> 10 〇〇〇少巷道边墙！

f ?

i i轴线i之

cil 1^1 1

10 000 j.注：*水幕钻孔设计点位；

〇后视点位

图1 水幕孔测量定位示意图（单位：mm)

3.2 准备工作

选取岩质具有代表性地段作为试验段进行试钻 工作。钻孔前做好场地平整、设备检查/检修、设备 试运行等工作。

通过试钻获取钻孔参数，包括正常钻进钻头向 下偏移量、开孔角度及钻孔使用钻速、风压、钻进过 程中的纠偏等。

3.3 钻机就位

采用机械(装载机)辅助将钻机移动至待施工水〜3.5cm0

定位轴线位置确定后开始调整钻机，采用铅垂 线分别校核钻机已标示出的3个点位位置，确保定 位轴线在钻机上投影与钻机中心重合。

3.4.3 钻机前臂安装支撑杆

在超深水幕孔钻孔过程中形成的向下偏差主要 由钻孔过深时钻杆自重过大致使钻头下垂导致，在 钻孔至一定深度后钻头位置将向下偏移至设计孔轴 线同一高程处，并随着钻孔深度加深继续向下偏移。为在钻孔过程中对向下偏移量进行控制，在钻机前 臂安装丝杆式高度可调支撑杆进行支撑、纠偏。

3.4.4 上仰角调整

通过调整支撑杆高度调整钻机上仰角度至2〜3°。钻机大致对好孔位后，将地质罗盘的一个角面 与方向保持一致，先旋转罗盘底部的旋钮直至竖直 刻度盘倾角为设计角度，通过调整支撑杆高度使罗 盘指针至长形水准器气泡居中，此时的倾角即为钻 机设计仰角。

3.5 开孔、安装防灭尘与导向装置

采用较大一级钻具低压开孔30 cm后安装导向 孔口管与防灭尘装置，换用0110 mm钻头继续加压

钻进至终孔。在此过程中注意必须对开孔进行复 测，复测合格后方可继续施工。

3.6

钻机尾部増加配重

在水幕孔钻进施工过程中需上调支撑杆高度控 制钻杆向下偏移量，在此过程中支撑杆相当于一根 杠杆，在上调支撑杆高度时若钻机尾部无配重被抬 起则无法起到控制钻杆向下偏移的作用，故在开孔 后需在钻机尾部增加配重保持钻机尾部稳定。根据 项目超深水幕钻孔施工经验测算配重一般为100〜

150 kg 。

3.7

冲击钻进[3]

3.7.1 钻进速度、风压控制

水幕孔施工过程中钻进速度对钻孔精度影响较 大，若岩质硬度不均匀、风压过高、钻速过快钻头易 发生较大偏移，根据试钻获得钻孔参数确定硬质花 岗岩水幕孔施工钻进速度不大于4 m /h ，钻孔压力 使用中低风压匀速钻进。3.7.2 钻孔及洗孔

采用中低压勻速钻进，每钻进10 m 统计一次 出水量并做好统计记录。钻孔达到设计深度时，进 行压水洗孔，清洗次数不少于3次，清洗时间不少于 15 min 。

3.7.3 钻孔安装纠偏器

根据已施工水幕钻孔试验结果，在开孔上仰角 为2〜3°情况下，水幕孔施工至约30 m 深度时孔位 向下偏移至与设计孔轴线同一高程位置。随着钻孔 深度继续加深、钻杆自重逐渐加大，水幕孔向下偏移 量逐渐增加，水幕孔施工至约80 m 深度时钻孔向 下偏移已达到允许公差5%，继续施工则钻孔向下 偏差继续增大。

钻孔较深时调整孔口支撑杆高度只能调整孔口 钻杆仰角，对钻头影响不大，需在钻杆上增加两个纠 偏器控制钻头向下偏移；孔深达到15 m 时钻头到 达钻孔轨迹最高点位置，则分别在钻进5 m 、15 m 时各安装一个环形纠偏器。

3.8

成孔检查、安装栓塞

(1)

成孔检查：水幕孔中抽检20%采用测斜仪 进行偏差测量，在孔长的孔底进行读数，超出公差的

孔进行回填封堵，并在附近再开一孔替代。

(2) 安装栓塞：单一水幕孔钻孔完成并清洗后， 立即安装孔口栓塞，以免地下水流失，栓塞安装深度 根据孔口渗水裂隙深度而定并不得低于50 cm 。

3.9 存在问题及分析

进行水幕孔钻孔施工过程中，因岩质不均、钻杆 自重等系统性误差影响导致超深水幕孔终孔孔底向

下偏差超过允许公差(5%)。为妥善解决该问题，通 过各项技术论证与现场试验，最终采取在开孔角度、 钻进速度可控的情况下，采取在钻机前臂安装丝杆 式高度可调支撑杆进行支撑、纠偏，并分别在钻进5 m 、15 m 时各安装一个环形纠偏器，取得较好效果。

4

水幕孔试验

水幕孔试验包括三个部分:水幕单孔注人一回

落、水幕系统有效性以及水幕孔内成像试验。

4.1

水幕单孔注入一回落试验

单孔注人一回落试验，主要目的为测定水幕孔 的静水压、渗透系数等，具体操作步骤为：安装孔口

栓塞—向水幕孔内注水—静止2 h 以上测定静水压 —再次持续注水，水压大于静水压十〇. 3 MPa —观 察测定渗漏量—停止注水，并观察该孔压力变化并 记录数据。

4.2

水幕系统有效性试验

水幕系统有效性试验主要是检测水幕形成后的 有效性，对某些围岩较好，水幕孔连通性较差的区域 进行附加孔设计，确保水帷幕的形成，保证洞内石油 气的不泄露。

具体操作步骤如下:关闭奇数水幕孔进水阀门， 打开偶数孔阀门—持续观察所有奇偶数孔的压力变 化情况—关闭偶数水幕孔进水阀门，打开奇数孔阀 门—持续观察所有奇偶数孔的压力变化情况—数据 处理与分析。

试验期间应对库区区域内的洞内渗水、地下水 位进行记录，联合水幕巷道内通过水幕孔奇偶数孔 开关所得的数据进行分析，确保水幕孔两两相连通。 若不相同则进行附加孔设计。

4.3

水幕孔内成像试验

孔内成像主要为主洞开挖提供较为准确的地质

信息，惠州项目对所有主洞正上方的水幕孔均进行

了孔内成像，并将成像柱状图发给了相关方，通过对

柱状图的分析，用于指导主洞开挖时的预注浆工作。

5

水幕清底施工

(1)检查处理金属头：在石渣、漂浮物清洗之前，

对水幕巷道内所有外露金属钢筋头、金属网等进行

气焊割除或封闭处理。(2) 巷道排水：对巷道内积水进行分区抽排，分 区排水之前应砌筑好分区围堰，抽排水根据该区域渗 水量选用合适抽水机，并在清洗前1 h 内抽完积水。

(3)

挖机配合对巷道内虚渣进行初步清洗，此时 出渣车可进人水幕巷道，巷道内石渣、强风化物等由 装载机装至出渣车辆。挖机在清洗时必须安排指挥 人员进行指挥，防止挖机对水幕供水管道破坏，人工

利用风镐、铁锹等工具配合挖机对死角区域进行清理。

(4) 挖机配合初步清洗之后，进行二次清洗，此 时出渣车辆因巷道基底高低不平不能进人，需停留 在洞口，再次清洗的虚渣由装载机倒运出巷道至出 渣车辆，人工与挖掘机平行作业，对底部水侵蚀后的

强（全）风化岩进行清除。(5) 人工再次利用铁锹、风镐、扫把、清水等，对 挖机清洗不到的死角、之前未清洗干净的石粉、强风 化物进行清洗，可装车的物质由装载机倒运至出渣 车运输至弃渣场、不能装车的小型颗粒物由人工利 用扫把、清水冲至临时集水坑，并由污水泵抽排至洞 外水处理设备进行净化处理。

(6)

由人工利用高压水对水幕巷道拱顶、边

墙、基底岩石表面进行冲洗，主要为底板沉积物、之

前未清理干净的强（全）风化岩、拱部及边墙上的灰

尘、油渍等，冲洗后的浑浊水汇集到临时泵坑，再利 用污水泵抽排至洞外水处理设备进行净化处理。

(7)水幕巷道内不应存在外露金属头，拱部及边 墙清洗后不应存在油污、粉尘等;底板清洗后不应存

在可漂浮的垃圾、泥质沉积物、强（全）风化岩，扰动 后水不变浑浊，可清晰观察到底板。若不符合设计 要求，需返工再次清洗，直至清洗彻底。清洗完成

后，对成果进行保护防止出现二次污染和淤积。6

结束语

通过采用M -80A 钻机、中风压空压机，多条水 幕一巷道同时作业，有效的完成超深水平水幕一孔

施工，提高了超深水幕一孔施工精度，最小误差 3%，钻孔成孔质量较高，合格率达100%。参考文献

[1] 杨峰.惠州地下水封储油洞库群围岩稳定性分析与评

价[D ].北京：中国地质大学，2011

[2] 康向阳.广东惠州地下水封石洞油库水封条件研究[D ].

北京：中国地质大学，2010

[3] 张立新，武文洋，韩珍珠.地下水封石油储存洞库水幕孔

施工技术探讨[J ].价值工程，2016(17) :116-118

Construction Techniques for the Water Curtain System in Sealing Cave

Depots of Petroleum with Underground Water

GUAN Zeying

(The Engineering Technology Department of the Tunnel Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Nansha 511400,China)

Abstract ： The sealing performance in sealing cave depots of petroleum with underground water is chiefly controlled with under­ground water, with water curtain systems used to supplement, in which case water curtain systems have an important role to play. With the state-owned cave depot of petroleum in Huizhou as a practical example,introduced in the present paper are the construction processes for water curtain systems» with the key construction techniques such as the construction of the water curtain holes,the water curtain tests,the bottom-clearing of the water curtain shafts and the like dealt with in detail. The final technical state of the water curtain system is found to be very good. The construction techniques adopted for the project may serve as a useful reference for other similar projects.

Key words ： seal cave depots of petroleum with underground water；water curtain system；bore holes ；bottom-clearing

(下接第 61 ^ )During the whole processing and installation courses of the steel ring,a high-precision total electronic station

is used to measure and control the diameter ，flatness，linearity and elevation. As the installation accuracy fully meets the re­quirements»the position and state of the steel ring in the rear shield machine» after being installed» is found to be in full agree­ment with the requirements of the route. The total electronic station is used from beginning to the end in the whole process? which takes the place of the traditional manual time-consuming and tiring measurement and control, with much precious con­struction time saved.

Key words ： steel ring of the shield ；large-diametered and ultra-thin；total electronic station；measurement and control