地下水封洞库工程施工组织设计要点分析

2011-10-22周福友许文年周正军

三峡大学学报(自然科学版) 2011年6期

周福友许文年周正军杨平

（1.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002；2.武警水电三峡工程指挥部，武汉 430000）

地下水封洞库储油对比其他储油方式具有占地少、投资少、损耗少、污染小、运营管理费用低、安全性能高、装卸速度快等优势，已被越来越广泛地应用于石油石化产品的储存［1］.某地国家石油储备地下水封洞库工程原油洞罐区是国家“十二五”重点工程，也是国内首个大型地下原油储备洞库，具有“工程规模大、跨度大、断面大、边墙高”，施工通道布置复杂，施工干扰强烈，通风难度大，工期紧且强度大、工程施工技术复杂等特点，其施工质量的好坏将最终决定工程建成后能否长期、安全、优质运行，以满足国家石油储备需求.因此，基于地下水封洞库工程的特点，对工程的施工组织设计进行精细设计研究具有现实意义.

1 工程概况

某地国家石油储备地下水封洞库工程位于某市经济开发区规划的石化工业区内，占地面积57.11公顷，地下洞库设计储量300万m3，工程主体包括地下工程和地上辅助设施两部分.其中，地下工程是洞库工程的核心，主要由主洞室群、竖井、水幕系统及施工巷道等组成.

1.1 水文气象

洞库工程所在区域为华北暖温带季风型大陆气候，受海洋环境影响，空气湿润、气候温和、四季分明，具有春迟、夏凉、秋爽、冬长的特点.近百年气象资料统计表明:区域年平均气温为12.3℃，多年平均风速为2.8m／s，春夏两季以南风、东南风为主，冬季以北风、西北风为主，秋季南风、北风相当.由于临海，该地区雾大频繁，年平均浓雾天51.3d，年平均相对湿度74%，夏季最高.

据降雨量统计，该地区年平均降水量介于711.2～798.6mm之间，年内各季降水量分配不均匀，汛期（6～9月）占70%～76%，多集中于几次暴雨，枯水期（3～5月）占13.5%，平水期仅占5.02%；年际间降水量变化悬殊，枯水年系列持续时间较长.

1.2 工程、水文地质

本水封洞库工程区属低山丘陵地貌，洞库山体近东西走向，山脊高280.00～350.00m，山脊北侧为陡崖，南侧为陡坡，地形坡度一般为35～55°，山脊南北两侧发育近南北向及北东向冲沟，拟建洞库岩体以Ⅱ、Ⅲ级为主.

洞库区及其周围的水井、地表水的水位为39.00～124.35m.地下水位变化与地形基本一致，且呈季节性变化，地下水位与降雨补给联系紧密，水位年变幅0.5～3m；一般每年6月底左右地下水位出现最低值，到9月底达到最高.地下水化学类型为SO4·HCO3－Ca·Na型，对混凝土及混凝土中钢筋无腐蚀性，对钢结构具有弱腐蚀性.

2 洞库工程特点

地下水封洞库工程对比一般地下工程具有显著的特点，总结如下:该工程属于地下洞室群工程，工程规模大、跨度大、断面大、边墙高，洞库结构多样复杂，高边墙开挖支护难度大；工程地下交通均为隧洞式，加之地下建筑物布置密集，施工强度大，施工通道布置复杂，施工干扰问题突出；工程地下洞室群埋深大、布置密集、通道复杂、通透性差，多工作面持续平行交叉作业，施工环境要求高且施工通风难度大；施工任务重，工期紧；施工期间应保持地下水位的变化幅度，严格控制渗流；洞库表面为一级防火森林，竖井口处有农田分布，工程施工过程中还要特别注重生态环境的保护.

3 洞库工程施工组织设计要点

从该地下水封洞库工程的特点可知，该工程施工组织设计需重点解决的技术要点是:主体施工方案确定（洞库开挖施工规划）、施工进度控制、洞库通风、地下水处理、开挖和支护措施、施工管理以及施工平面布置等.

3.1 主体施工方案

该地下水封洞库工程主要由主洞室群、竖井、水幕系统、施工巷道及相应的临建设施项目等组成，工程量庞大且洞库构造复杂，针对洞库主体工程，选择合适的施工方案以协调各施工程序是工程得以顺利展开的前提条件.

本工程开挖土石方量大并且洞库施工相互影响，因此施工巷道和通风巷道根据围岩级别不同采用适当的爆破方法进行开挖，已开挖的范围应及时进行安全处理并进行支护.此外，围岩在开挖过程中应密切监测地下水位变化并采取相应的注浆防渗措施.围岩开挖程序如图1所示.竖井用以改善地下各洞室的通风排烟条件，基于工程地下施工环境的复杂性考虑，采用正井法自上而下进行施工，此施工方法便于开挖后土石渣的清理、通风排烟以及地下水的监测.

图1 围岩开挖程序

主洞室开挖规模较大，为确保开挖过程围岩稳定，按照4层分别进行施工，如图2所示.主洞室在开挖过程中需重点做好开挖过程中的探水和控制渗流工作，开挖后应根据围岩地质情况进行合理的支护.

图2 主洞室开挖分层示意图

水幕系统工程施工为地下洞库提供稳定的地下水位以满足水封条件.本工程在覆盖洞库上方高程25m设水幕系统，由水幕巷道和水幕孔组成，水幕孔间距10m，水幕巷道轴线与主洞轴线垂直，水幕孔轴线与主洞室轴线平行，水幕孔覆盖整个洞库上方，旨在保证稳定的地下水位线.

3.2 施工进度控制

该地下水封洞库工程，工作量大，工期紧，因此要进行严格的施工进度控制，以确保工程保质保量地完成.在本工程中，首先利用网络计划以正常的工期估算编制工程施工进度计划，再采用关键线路压缩法［2－5］，得到最优方案.

以工程工期为目标、以最优的资源配置和合理科学的施工组织安排为标准，经优化和研究后将工程分为施工巷道开挖支护、水幕巷道及注水孔、竖井、通风巷道和通风竖井、主洞室和施工巷道封堵等6个分部工程共计23个关键工序，工程总工期约31个月，2011年4月15日工程开工，2013年11月中旬竣工.工期要求的施工总体程序安排见表1.

表1 施工总体程序安排

工程以施工巷道和主洞室施工为主，同时协调处理好水幕巷道、通风巷道、通风竖井及主洞室进、出油竖井施工，确保工程总体协调推进.

3.3 洞库通风

该地下水封洞库工程主要依靠通风系统供给地下洞室群的施工开挖用风，包括洞罐、连接巷道、水幕巷道、操作竖井、施工巷道等的开挖用风.根据洞库施工多样性以及施工巷道的复杂性，施工用风设备采用潜孔钻、手风钻、湿喷机，按照施工方案和工作面需求并考虑风压损失、管道摩阻损失及管道漏风损失后进行合理布置.施工用风采用分阶段集中供风，并辅以移动供风.施工用风量按式（1）进行计算.根据通风方案和通风量，计算得到工程施工中主要通风设备用风需求量.

式中，∑Q为同时工作的钻孔等机具总耗风量；N为同时工作的同类型钻孔等机具的数量；q为每台机具的耗风量；K1为凿岩机同时工作时的折减系数，1～10台取1～0.85，11～30台取0.85～0.75，其他用风设备1～2台取1～0.75，本设计钻具取0.85；K2为机具损耗系数，钻具取1.15，其他取1.10；K3为管路风量损耗漏风系数，1km内取1.1，1～2km取1.15，2km以上取1.2.

3.4 地下水处理

地下水位是影响该地下水封洞库工程施工的关键因素之一.地下水的渗流会影响巷道、洞库和竖井等工程的开挖施工进度，但是水封洞库却必须位于充分的地下水位之下，利用“水封”的方式储存油（气）品.因此，严密监测洞库施工中地下水位及其渗流量变化，对围岩采取适当的注浆处理保证围岩的密封性，是工程施工的关键技术之一［6］.

3.4.1 涌水量预测

在本洞库工程中，不考虑各洞室之间的干扰和施工巷道、水幕巷道的施工影响，以及丰水和枯水季节的变化，洞长（L）均按5549m计算.预测主洞室单位长度最大涌水量（q0）在0.0818～0.138m3／d之间，最大涌水量（Q）在455.63～768.52m3／d之间；预测洞库施工巷道最大涌水量见表2.水幕巷道单位长度最大涌水量（q0）在0.0412～0.0637m3／d之间，单组最大涌水量（Q）在111.193～172.064m3／d之间.施工期间，根据预测涌水量采取相应的排水和注浆措施.

表2 预测洞库施工巷道最大涌水量

3.4.2 开挖施工中地下水处理措施

施工巷道及通风巷道洞身开挖前，首先在洞身四周打钻探孔，测量水流量，并根据水流量大小决定是否先进行预注浆.不需要注浆的部位可开始爆破施工，需注浆的部位需等注浆凝固后（最少6h）才能开始爆破施工.对于主洞库，在开挖施工过程中，重点做好开挖过程中的探水和控制渗流工作，在开挖施工过程中出现超标准渗流时滞后开挖工作面30m进行固结（堵水灌浆）施工，主洞室在开挖过程中对地下水渗流量保持持续的监测，如图3所示.

图3 主洞室在开挖过程中渗流量的控制

3.5 工程开挖

主体工程施工方案中选用爆破法对土石进行开挖.根据围岩类型和施工安全性考虑采用相应的爆破方法.

施工巷道开挖运用三臂凿岩台车和自制钻爆台车，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩采用全断面钻爆法施工，Ⅴ类围岩采用中下导洞先行再扩挖的方式进行施工.通风巷道采用自制钻爆台车，先进行洞口土石方明挖施工，再进行巷道洞挖施工，采用全断面钻爆法.

主洞室（开挖分层如图2所示）第1层采用中导洞先行与两侧扩挖跟进的方式进行施工，中导洞宽度10m，拱顶高度9m，两侧宽度均为5m，拱顶高度8 m.第2、3层开挖施工采用中部施工预裂梯段抽槽先行与两侧保护侧预装药滞后光面爆破开挖跟进的方式进行开挖.

水幕巷道开挖及水幕孔造孔应先于其下部主洞室第1层开挖，以便进行水幕孔注水并处理洞室顶拱防渗堵漏工作，各组洞罐主洞室第2层开挖前其上部水幕孔注水要全部完成.由于水幕巷道埋深较深，除层内、层间错动带外，岩性较好，大部分均为Ⅲ类以上围岩且断面较小，拟采用全断面开挖法；对于Ⅱ、Ⅲ类围岩每循环进尺2.5m，对局部Ⅳ类围岩坚持“短进尺，弱爆破”的原则，每循环进尺取1.9m.

3.6 围岩支护处理

洞库在开挖过程中应根据围岩的稳定评价结果进行支护处理.本工程中竖井开挖时，Ⅳ、Ⅴ类围岩采用“一掘一支护”的循环方式，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩采用“两掘一支护”的循环方式.水幕巷道开挖按照围岩类别进行随机锚杆支护或锚喷支护.

主洞库开挖，Ⅱ类围岩在开挖作业循环中只考虑部分临时支护施工；Ⅲ类围岩洞段滞后开挖工作面30m左右，在开挖作业循环中只考虑岩面初喷及部分锚杆支护将部分占用直线工期；Ⅳ类围岩按照紧急支护程序随洞挖及时跟进，支护施工采用先喷后锚的工序组织作业.地质条件较差洞段采取超前锚杆和型钢拱架联合支护措施.对围岩条件较差的部位，经过地质工程师判别综合考虑后对断面顶拱进行挂网喷护或安装临时钢支撑进行支护或减小开挖断面.

3.7 施工管理

本地下水封洞库工程施工过程复杂，技术难度大.基于项目的重要性考虑，全面按照项目法施工原则进行管理，利用矩阵式进行项目结构组织以达到有效利用资源的目的.预先对施工各阶段的人力、机械设备、材料物资及资金供应进行计划，确保在施工过程中应能对不适合的设备及时更换，不影响施工进度安排，以满足施工强度的要求.图4为项目管理机构图.