《大型地下水封洞库施工关键技术》—中铁隧道集团有限公司一处有限公司.ppt

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 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 连续低效孔在孔间增设新孔 非连续低效孔在相邻两孔间增设新孔 导水发育区据孔压变化增设 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 3 竖井 风仓 分配式复杂洞群体系施工通风典型的 口小肚大 施工巷道断面不足以布置多趟大直径风管 传统压入式通风难以满足施工需要 国内首次提出了水封地下洞库卫生标准 项目开创性地建立了 竖井 风仓 分配式通风模式 新鲜风流经竖井和风仓后分别向三个库区送风 有效解决了复杂洞群体系通风难题 通过对竖井风仓进行优化设置 提升轴流风机通风效率 保障了洞内作业环境质量 应用效果 洞内作业环境有害粉尘含量仅为1 8mg m 且提高轴流风机通风效率25 以上 通风效果直接制约施工进度 环保 关键点 竖井通风竖井的设置 风仓的设置 风机位置 烟台LPG洞库施工通风方案 通风压力最大阶段 通风竖井风仓位置通风机 台阶开挖时通风效果 4 水封洞库施工关键技术 4 4注浆堵水技术施工阶段渗漏水偏大 增加排水压力和费用 运营期水幕系统须大量补水 加大了运营成本 设备被封闭在洞罐内长期运行 更换时需停止运营 地下水封洞库对地下水的渗漏控制更为严格 即使地下水的渗漏量较小 对一般隧道施工没有任何影响 但可能会对地下水封洞库的密封性造成影响 必须将地下水渗漏量控制在很小的量 总库容的1 10000 要控制地下水的渗漏量 需结合地质情况采用注浆手段堵水注浆 1 堵水预注浆 2 堵水后注浆 3 固结注浆 4 接触注浆 5 回填注浆 渗水点渗水量测量 开挖后注浆堵水 开挖前预注浆堵水 4 水封洞库施工关键技术 4 5库容测量技术基于洞库库容测量方法 精确计算出洞库库容 应用三维位移数据采集设备以及专业分析建模软件 建立了洞库可视化三维空间实体模型 从而计算出某一液面高程下的洞库容积和任意方位切割剖面 得到实体容量报告 确保了洞库成型需求 形成的实体模型图 获2项发明专利一种快速查询地下水封式洞库容量的简易方法地下水封洞库的库容测量方法 4 水封洞库施工关键技术 4 6大型水封式洞库群信息化施工技术围岩稳定监测基于地下水位稳定的动态监测方法 洞内监控量测 埋设多点位移计 安装接触应力计 围岩松动圈安装与测试 水位监测孔施工 水位监测 4 水封洞库施工关键技术 4 7大型LPG地下水封洞库机械化配套技术提出了