LPG地下水封洞庫(kù)工程建設(shè)技術(shù)探討

郭 得 福

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 264000)

1 概述

1950年，美國(guó)第一個(gè)建成了LPG地下水封洞庫(kù)，隨后歐洲、日本等國(guó)也陸續(xù)開始建設(shè)LPG地下水封洞庫(kù)。韓國(guó)總結(jié)了美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，完善了人工水幕技術(shù)，自1983年起的三十多年間，先后建設(shè)了庫(kù)容為29.6萬(wàn)m3，55萬(wàn)m3，42萬(wàn)m3，27萬(wàn)m3，48萬(wàn)m3等的地下水封洞庫(kù)[1]，成為世界名列前茅的LPG地下水封洞庫(kù)國(guó)家。

在國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)從1997年起，先后建成了汕頭、珠海、寧波一期、黃島、煙臺(tái)一期等5座LPG地下水封洞庫(kù)，正在建設(shè)煙臺(tái)二期、寧波二期等2座地下水封式洞庫(kù)。先后建設(shè)的7座洞庫(kù)的相關(guān)參數(shù)見表1。我公司參與了其中5座洞庫(kù)的建設(shè)。前4座洞庫(kù)均直接采用了國(guó)外技術(shù)。在消化吸收國(guó)外技術(shù)后，從第5座煙臺(tái)一期洞庫(kù)開始了國(guó)內(nèi)自主修建。從表1中可見，主洞室的斷面越來(lái)越大，總庫(kù)容也越來(lái)越大。近些年，國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員一直在不斷研究學(xué)習(xí)國(guó)外的建設(shè)技術(shù)。如文獻(xiàn)[1]對(duì)洞庫(kù)斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[2]對(duì)洞庫(kù)的庫(kù)址選擇進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4]對(duì)水幕系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步研究；文獻(xiàn)[6]對(duì)水幕系統(tǒng)水力試驗(yàn)及水幕孔施工進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[10]對(duì)洞庫(kù)密封塞施工技術(shù)進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)工程技術(shù)人員多處于消化吸收國(guó)外技術(shù)階段，未見到技術(shù)提高方面的研究。

表1 國(guó)內(nèi)建設(shè)的LPG地下水封洞庫(kù)參數(shù)表

從目前洞庫(kù)的建設(shè)規(guī)模看，我國(guó)已超過韓國(guó)成為世界LPG地下水封洞庫(kù)儲(chǔ)存的大國(guó)。由于建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，我國(guó)的修建技術(shù)在國(guó)外的基礎(chǔ)上又有一定的提高。本文在參照國(guó)外成熟LPG地下水封洞庫(kù)修建技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過參與多個(gè)工程實(shí)踐，提出了一些國(guó)內(nèi)自主修建時(shí)需要注重的技術(shù)，為今后國(guó)內(nèi)自主修建洞庫(kù)提供一些參考。

2 需要注重和提高的技術(shù)

2.1 維持天然地下水位非常重要

水幕供水的壓力，宜為施工前水幕所處位置的天然靜水壓力。從洞庫(kù)內(nèi)的油品儲(chǔ)存要求考慮，計(jì)算出的水幕供水壓力一般會(huì)低于天然靜水壓力，尤其在地形起伏較大的山區(qū)，兩者的差值就會(huì)較大。

洞庫(kù)施工期間，如水幕供水壓力低于天然靜水壓力，則主洞開挖過程中揭露的出水點(diǎn)就可能偏少，主洞內(nèi)注漿堵水的效果也會(huì)大打折扣，就會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)期洞庫(kù)內(nèi)的實(shí)際排水量大于竣工驗(yàn)收階段。

在洞庫(kù)運(yùn)營(yíng)期，長(zhǎng)時(shí)間的地下水位低于天然水位狀態(tài)，就可能會(huì)出現(xiàn)洞庫(kù)附近地面植被遭到破壞，在山區(qū)地帶造成的影響可能更大。在洞庫(kù)附近形成的地表水漏斗，會(huì)使周邊的水向洞庫(kù)區(qū)域補(bǔ)充，就有可能補(bǔ)充達(dá)不到洞庫(kù)水封要求的水質(zhì)。

要做好水幕供水維持天然地下水位[2]，首先要做好施工期用水量的充足供應(yīng)。臨近城市的項(xiàng)目要最好從市政供水獲得足夠的水量；在山區(qū)的項(xiàng)目要從遠(yuǎn)離庫(kù)區(qū)保護(hù)范圍外引水獲得充足的水量。其次在洞庫(kù)選址時(shí)也要考慮維持天然地下水位的問題。相比山區(qū)，地勢(shì)平坦的庫(kù)址其氣密要求的地下水位與天然地下水位更接近，按照天然地下水位供水的難度增加較小，故選擇相對(duì)平坦的庫(kù)址更為有利[3]。地下水位與洞庫(kù)的關(guān)系示意圖見圖1。

2.2 水幕超前覆蓋要嚴(yán)格執(zhí)行

按照設(shè)計(jì)、施工規(guī)范及建標(biāo)，水幕超前主洞室開挖面至少保證20 m。但在施工過程中，由于各種耽誤，要嚴(yán)格做到水幕超前覆蓋，對(duì)應(yīng)的主洞室頂層開挖就有可能暫停，會(huì)對(duì)主洞室頂層開挖有一定的影響。

水幕超前覆蓋，并按照天然水位水壓力供水，可以及早發(fā)現(xiàn)開挖面前方出現(xiàn)的滲漏水，以便采取超前注漿的方式堵水(超前注漿堵水總體的效果要優(yōu)于開挖后注漿)。部分項(xiàng)目由于沒有規(guī)范的做好水封超前覆蓋，導(dǎo)致開挖后的滲漏水點(diǎn)多，采用后注漿堵水效果較差，且工程量較大。

水幕至主洞室頂層的高差一般是20 m，按照圍巖主結(jié)構(gòu)面豎向均在45°范圍內(nèi)計(jì)算，則水幕超前的距離應(yīng)為20 m。對(duì)于具體的某個(gè)項(xiàng)目，水幕超前的具體尺寸，宜根據(jù)主結(jié)構(gòu)面的角度計(jì)算得出[4]。

2.3 超前探孔及超前注漿堵水是減少滲漏水的關(guān)鍵

主洞室頂層開挖前先在開挖面用紅外線探水，再針對(duì)性的施作超前探水孔，超前探水孔的位置、數(shù)量根據(jù)紅外探水情況進(jìn)行調(diào)整[5]。根據(jù)超前探水的情況，進(jìn)行超前堵水，原則上只要超前探水孔出水，就需要進(jìn)行超前注漿堵水。注漿孔的數(shù)量、位置可根據(jù)探孔出水情況分為探孔頂水注漿、局部扇形注漿、全斷面帷幕注漿。在注漿后，宜再結(jié)合紅外探水情況施作超前探孔，在確認(rèn)探孔內(nèi)無(wú)水時(shí)方能進(jìn)行開挖。

在超前注漿堵水后，開挖后仍可能出現(xiàn)少量的滲漏水，這是需要后注漿補(bǔ)充注漿堵水，由于出水點(diǎn)不多且水量較小，后注漿實(shí)施難度較小。

2.4 附加水幕鉆孔要盡早施作

主洞室頂層開挖完成后，對(duì)所有水幕孔進(jìn)行整體的效率試驗(yàn)，根據(jù)效率試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)補(bǔ)充增加一些水幕孔，這些補(bǔ)充的水幕孔即為附加水幕孔[6]，附加水幕孔均設(shè)在低效的水文地質(zhì)巖體中，這些部位多存在較大的節(jié)理。

附加水幕孔供水后，主洞室頂層已開挖段不可避免的會(huì)出現(xiàn)滲漏水。有些附加孔通過節(jié)理裂隙直接通到主洞室頂層，出現(xiàn)附加孔供水全部直接流入主洞室內(nèi)的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在幾個(gè)洞庫(kù)中均出現(xiàn)過，出現(xiàn)的概率較大。從主洞室頂層開挖完成，到水幕效率試驗(yàn)，再到附加孔的施作及供水，這個(gè)時(shí)間至少要1.5個(gè)月，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，一般主洞室開始了2層開挖，甚至3層的開挖。每層開挖的高度一般在6 m～10 m之間，兩層的高度一般在14 m～20 m間，3層的高度一般在20 m～30 m間，可見附加水幕孔供水的時(shí)間越晚，從主洞室內(nèi)注漿堵水的高度就會(huì)加大。

對(duì)在開挖后出現(xiàn)的滲漏水，只能采用后注漿方法堵水注漿。采用深鉆孔進(jìn)行注漿的效果一般較好，鉆深孔就需要相應(yīng)的鉆機(jī)，一般為三臂鑿巖臺(tái)車、自行式淺孔鉆機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備都體積較大，重量較重，只能滿足在頂層開挖的高度內(nèi)鉆后注漿孔。如進(jìn)入主洞室2層、3層等高度時(shí)，要對(duì)頂部的滲漏水進(jìn)行注漿堵水，就需要搭設(shè)作業(yè)臺(tái)架，一般都會(huì)影響主洞室的開挖，且臺(tái)架上只能用輕型的鉆機(jī)。為不影響主洞室開挖，有些項(xiàng)目在主洞室開挖全部完成后，再搭設(shè)作業(yè)臺(tái)架進(jìn)行注漿，出現(xiàn)注漿鉆孔等作業(yè)困難，且堵水效果差的問題。

為在頂層或2層高度內(nèi)進(jìn)行注漿堵水，附加孔宜盡早供水，相應(yīng)的水幕效率試驗(yàn)也宜盡早開展。在主洞室開挖一定區(qū)域后，可先進(jìn)行該區(qū)域的水幕效率試驗(yàn)。通過分區(qū)域的效率試驗(yàn)，可分區(qū)域及早施作附加鉆孔。

2.5 主洞室開挖要配備先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備

主洞室開挖的工程量較大，開挖的效率直接影響總工期，開挖方法主要取決于投入的施工設(shè)備。在目前機(jī)械取代傳統(tǒng)人海戰(zhàn)術(shù)的大背景下，投入國(guó)際先進(jìn)的三臂鑿巖臺(tái)車、噴射混凝土臺(tái)車、高空作業(yè)平臺(tái)車等設(shè)備是鉆爆工程安全、高效施工的主流[7]，作為站在國(guó)際前沿技術(shù)的洞庫(kù)項(xiàng)目，投入與之地位匹配的專用機(jī)械設(shè)備，確保項(xiàng)目的安全、質(zhì)量、進(jìn)度受控[8]。

2.6 主洞室局部不良巖體的開挖

主洞室總體的圍巖結(jié)構(gòu)較好，但局部不可避免的存在一些不良巖體。對(duì)于遇到的較大范圍的不良巖體，要優(yōu)化洞庫(kù)總體的平面布置，如施工巷道繞道、水幕巷道繞道、主洞室一端減短等。但對(duì)于主洞室內(nèi)出現(xiàn)的較小的不良巖體，可以采用預(yù)留巖體、變截面、小導(dǎo)洞連通等方案優(yōu)化原設(shè)計(jì)。主洞室內(nèi)遇到不良巖體的處理方法示意圖見圖2～圖4。豎井的位置，要結(jié)合地面的條件和地質(zhì)情況，如與主洞室連接處巖體不良，也宜采用小導(dǎo)洞連通。

2.7 密封塞優(yōu)化與檢驗(yàn)

密封塞是洞庫(kù)最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)物，是洞庫(kù)密封成敗的關(guān)鍵。密封塞為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。封塞施工前應(yīng)進(jìn)行巖體穩(wěn)定性分析，并對(duì)外部荷載及封塞厚度合理性進(jìn)行論證。封塞施作的具體位置，要根據(jù)地質(zhì)素描等地質(zhì)資料確定，要選擇巖體完整、前后無(wú)明顯滲漏水、避開貫穿封塞的巖體結(jié)構(gòu)面。封塞鍵槽按照原設(shè)計(jì)開挖后，要根據(jù)開挖的實(shí)際形狀及巖體結(jié)構(gòu)面情況，優(yōu)化鍵槽的開挖形狀，并根據(jù)實(shí)際的開挖形狀優(yōu)化封塞的結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)。某項(xiàng)目密封塞設(shè)計(jì)與實(shí)際開挖輪廓線對(duì)比見圖5。

密封塞前后的滲漏水點(diǎn)、密集的結(jié)構(gòu)面等部位，要進(jìn)行注漿封堵或固結(jié)。在密封塞施作后，仍要進(jìn)行頂部的回填注漿、周邊接觸注漿等[9]。在密封塞全部完成往施工巷道注水時(shí)，要不間斷的觀測(cè)水位情況，發(fā)現(xiàn)施工巷道內(nèi)的水位、主洞室內(nèi)水位異常時(shí)，要停止注水并采取措施，這是密封塞密封性的重要檢測(cè)手段。

2.8 水幕巷道設(shè)計(jì)要為水幕供水管線快速拆除創(chuàng)造條件

在LPG洞庫(kù)中，水幕供水管線的拆除時(shí)間一般不超過48 h[10]，這是對(duì)水幕密封效果的保證措施之一。但是在國(guó)儲(chǔ)石油洞庫(kù)中，由于水幕孔的數(shù)量較多，要做到48 h內(nèi)拆除難度較大。在水幕巷道設(shè)計(jì)時(shí)，宜考慮后續(xù)供水管線拆除的問題。可將整個(gè)水幕系統(tǒng)分區(qū)域設(shè)計(jì)，每個(gè)區(qū)域的入口處均高于內(nèi)部巷道約1.5 m以上，如此可實(shí)現(xiàn)每個(gè)區(qū)域獨(dú)立注水，確保在一個(gè)區(qū)域內(nèi)能做到管線拆除及注水淹沒水幕孔的時(shí)間不超過48 h。為加快管線拆除的速度，使機(jī)械設(shè)備能進(jìn)入水幕巷道輔助拆除，宜對(duì)水幕巷道底板進(jìn)行處理，為節(jié)約投資和加快處理進(jìn)度，宜用洗凈的塊石鋪墊處理，達(dá)到車輛通行能力即可。

2.9 主洞室分層開挖的高度要有利于堵水注漿

主洞室第一層(頂層)開挖后，方能進(jìn)行水幕效率試驗(yàn)，根據(jù)水幕效率試驗(yàn)的結(jié)果施作附加水幕鉆孔。附加水幕孔供水后，主洞室內(nèi)一般都會(huì)出現(xiàn)新的滲漏水點(diǎn)，有時(shí)滲漏水水量較大，必須采用注漿堵水。注漿堵水需要鉆機(jī)等設(shè)備，如此時(shí)開挖的高度過大，就需要搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)，搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力；如在14 m左右，可以采用鑿巖臺(tái)車+高空平臺(tái)車就能作業(yè)，無(wú)需搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)。所以，建議主洞室第一層+第二層的開挖總高度控制在14 m左右。

3 結(jié)語(yǔ)

LPG地下水封洞庫(kù)建設(shè)在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)的技術(shù)人員多在研究消化國(guó)外的技術(shù)。隨著國(guó)內(nèi)LPG地下水封洞庫(kù)工程的建設(shè)規(guī)模超過國(guó)外，完全照搬國(guó)外的技術(shù)已不再適應(yīng)，需要我們通過參與工程建設(shè)總結(jié)、分析出需要注重和提高的技術(shù)。本文為作者從實(shí)踐中總結(jié)出的，較國(guó)外建設(shè)技術(shù)需要注重和提高的技術(shù)，觀點(diǎn)難免偏頗，請(qǐng)大家批評(píng)指正。

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