首座国家大型地下水封石洞油库工程施工创新技术

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(1.武警水电三峡工程指挥部，武汉 430050； 2.山东大学 土建与水利学院，济南 250061; 3.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 工程概况

首座国家大型地下水封石洞油库工程由9条洞罐、5条水幕巷道、529个水幕孔和6个竖井、2条施工巷道组成(见图1)。该工程设计库容为300×104m3，坐落于青岛经济开发区的花岗片麻岩内。

1.1 原位地应力区域构造环境

原位地应力直接影响地下洞库的选线与水封条件下洞室施工安全和长期稳定性。为此，在选址后的地勘阶段与施工开挖中，先后采用水压致裂法和BWSRM三维地应力局部套芯应力解除法测量，其结果见表1。

黄岛工程的区域构造环境为华北板块与扬子板块结合带：胶南—威海造山带。主要发育韧性剪切带及脆性断裂构造。断裂以NE和近EW向为主，从而奠定了本区原位地应力场。场区地震烈度为6度，设计用地震加速度值为0.05g。

图1 首座大型地下水封洞库工程组成框图Fig.1 Block diagram of the structure of China’s firstlarge-scale underground water-sealed oil cavern

表1 黄岛工程原位地应力测量结果Table 1 Measured in-situ stress at Huangdao project

1.2 工程地质条件

本区工程地质岩性有4类：①第四纪残坡积、洪积层(Q4el+dl+pl)；②早白垩世二长花岗岩(K1ηγ)；③晚元古界花岗浅麻岩(Pt3gg)；④早白垩世煌斑岩脉、岩脉(K1xδ)。其中第③类的花岗片麻岩为黄岛工程直接所处岩性。

根据勘测资料，从地表至-40 m，无法取芯试验；-40～-80 m取芯率较低，风化作用影响大；-80～-200 m颗粒重度与块体重度几近相等。岩石弹性模量平均5.2×104MPa；岩石泊松比平均为0.19；单轴抗压(干燥)强度平均为105 MPa；(饱和)抗压强度平均为13 MPa；岩石抗剪强度：黏聚力c平均为10 MPa，内摩擦角平均为73°；-200～-380 m岩石弹性模量和泊松比也与-80～-200 m的压段相近；单轴抗压强度略高于-80～-200 m压段，而抗拉强度略低之，抗剪强度相近。

黄岛工程初步地质勘察和补充地质勘察以及施工开挖所揭示的洞库围岩，洞库各级岩石所占比例见表2。

表2 黄岛工程洞库各级围岩所占比例Table 2 Proportions of the classification of Huangdao cavern’s surrounding rock

由表1，2可见，黄岛工程洞库工程地质条件属“良好”，适宜建造大跨度、高边墙和无衬砌原油储备洞库(罐)工程。

1.3 非均匀渗流场水封石洞条件

黄岛工程所在区域多年平均降水量为711.2～798.6 mm，年平均降水量为736 mm，而且1 a之内各季降水不均，每年6—9月，降水量占全年70%～76%；每年3—5月，降水量占13.5%，其余10.5%～16.5%降水量分布在10月至次年2月这5个月。

在时间上降水不均，加上黄岛工程所处空间即地质地貌和构造地质、工程地质赋存着F1，F2，F3，F4，F5，F6，F7，F8和F9等9条断层和5组结构面：①产状为60°～75°∠70°～80°；②产状为83°～88°∠75°～82°；③产状为112°∠56°；④产状为136°～143°∠74°～85°；⑤缓倾角结构面。这些为非均匀渗流场赋予了基本地质条件。

2 人工水幕技术的集成创新

鉴于黄岛工程为中国首座大型地下水封石洞储油库，故其人工水幕技术采取下列3个步骤集成创新。

2.1 国外水幕成熟技术的引进与消化

对于低渗透性的花岗片麻岩作为水封石洞储油库的围岩，国外学者[1-2]均采取水幕系统即在主洞室上部大约1/2含水层厚度的地方布置水幕巷道，并在两两洞室-水幕巷道边墙施打水幕钻孔覆盖其下方的洞罐(组)。黄岛工程9个洞室采用5个水幕巷道和529条水幕钻孔，钻孔最长105.4 m，每组钻孔深度超出洞室孔口10 m；水幕钻孔一般间距10 m，钻孔直径100 mm；陡倾角结构面的围岩采取水平水幕孔，孔内水压0.3～0.5 MPa，从而构成洞罐始终处于地下水位以下。上述技术的目的旨在满足水封原理的围岩动水压始终大于洞内静油压，从而使原油安全储存而不渗漏。

2.2 黄岛工程人工水幕系统的实施

人工水幕系统的构建旨在黄岛工程位于年平均降水量为736 mm的水文气象条件的举措，因为，此降雨量对于300×104m3原油水封储库而言，据测算，运营28 a后，可能发生疏干地下水的工况，届时，人工水幕就直接替代自然水封而能够及时补充水量与平衡水压。

黄岛工程人工水幕系统的水幕巷道与水幕钻孔建造中，最关键的技术是长水平钻孔的精准度问题，即水平水幕钻孔的倾斜偏差在钻孔全长度范围内均不得超过5%的要求。为满足此要求，重点对超长(>100 m)水平水幕孔的布置做了精心设计和精细施工。具体表现在其施工流程的优化、施工设备的优选、施工工艺的集成创新，包括测量放样、钻机固定、开孔处置、钻进控制等一系列创新技术。大量的实践表明，超长水平水幕钻孔的造孔全套技术工艺不仅满足了人工水幕技术原理的要求，而且钻孔施打精准度超过了国内外类似造孔的水平，该创新技术已获得专利。

2.3 人工水幕效果验证

黄岛工程人工水幕系用现场对水幕钻孔进行注水系列试验，包括：注入-回落试验、水幕孔试验期注水、水幕孔有效性即孔之间连通性试验、钻爆法开挖施工期水幕孔注水和各浅区联浅注水试验来检验与验证其效果。其中注水-回落试验与有效性试验为关键性试验。

(1) 通过注水-回落试验来分析判断洞罐围岩的平均渗透系数，并以水幕孔平均渗透系数8.64×10-3m/s为标准来结束该孔注水-回落试验。同时，对水幕孔分段压水以寻求渗透系数较大处进行灌浆处理。分段压水的注水压力按钻爆法开挖前水幕此处位置的天然静水压力0.3 MPa实施，注水器直至水幕有效性试验为止，期间每隔24 h记录一次注水压力和注入水量。

(2) 通过有效性试验来分析判断洞罐储存原油的围岩水动力学特性，并观测水力渗透状况来决定是否增加水幕孔以改善水幕效能。

黄岛工程的有效性试验按分区分片进行。每试验又分静压、第1次动压和第2次动压共3个阶段的水动学试验观测。最终以两水幕相邻孔的水幕压力变化来决定补孔或停止有效性试验。即相邻偶数孔的水幕压力明显上升时，表明其渗透性满足设计要求；反之，则需在其中加孔并作同样的试验直至达到设计要求为止[3]。

3 钻爆法精细施工集成创新技术

通过定量化的爆破设计和精细施工，对其炸药爆破能量释放与介质破碎、抛掷等过程进行精密控制，包括爆破有害效应的有效控制，最终实现安全可靠、绿色环保及经济合理的爆破作业，称为精细爆破。精细爆破的技术核心是定量化和精细化。

黄岛工程采用钻爆法进行360余万m3岩石爆破开挖，其精细爆破集成创新技术体现在以下4个方面。

3.1 定量化的黄岛工程爆破分析研究

基于运动学和结构力学的基本理论，采用FEM，DDA，AEM和∠S_DYNA等数值分析软件/方法，对其岩土爆破作业精确的预测和仿真，改变以往借助实体模型建立爆破方案的分析、比较和研究的传统做法。

精确的预测和仿真既可以预测爆破块度的组成与爆堆形态，又可以模拟爆破作用过程中裂纹的产生与发展以及模拟和再现爆破工程，还可以作出爆破效果的凭据及其参数的优化。

3.2 定量化的黄岛工程爆破设计

黄岛工程定量化的爆破设计包括以下3方面内容：

(1) 定量化的爆破方案建立，由开挖方式、开挖分压、开挖分层高度、掏槽方式、起爆方式和爆破规模等一系列数值优化分析，最终给出定量化的结果。

(2) 定量化的爆破参数确定，由炸药单耗、炮孔间排距、密集系数、炮孔孔径、炸药药径、炮孔堵塞长度等主爆参数和由线装药密度、炮孔间距、堵塞长度等光爆孔参数组成的黄岛工程爆破参数，采取数值分析和先进试验手段精确选定其参数，改变传统的凭经验定参数做法。

(3) 精确化的起爆网络设计。通过高精度非电起爆系统，在黄岛工程爆破中做到了精确ms级的起爆精度。

3.3 黄岛工程精细化的施工管理创新

黄岛工程精细化的施工管理包括施工前的统筹安排、施工过程控制2个方面。

(1) 施工前的统筹精细安排。施工前对组织准备、技术准备、资源准备、进度准备和环保准备均作精细安排，尤其是建立规章制度、制定施工质量控制标准等一一规整律齐。

(2) 施工过程控制。在黄岛工程钻爆法施工中，严格实施“一炮一总结”、“一梯段一预验收”和“一工段一验收”对本梯段的经验教训总结。严格执行“3定(定人、定机和定孔)”、“3证(准钻证、准装药证和准爆证)”以及“3次校钻(0.2，1.0和2.0 m)等制度，使其纳入精细爆破的理论(实际)范畴。

3.4 精细化与数值化的爆破效果评价

黄岛工程精细化与数值化的爆破效果评价包括爆破振动的数值化监测、围岩爆破松弛深度数值化测试、爆挖平整度与超欠挖检测等数值化检测为爆破效果评价提供依据。

4 精细支护施工集成创新技术

在地下水封洞库坚硬岩壁上喷射混凝土的功能有2种：一是喷层在其结构中起支护作用；二是给水封洞库提供一层防渗层。为此，黄岛工程洞库围岩的喷射混凝土既要有具备足够“支护”作用必备的力学性，还需要其具有能够长期服役的耐久性，包括抵抗收缩、渗透、原油油气侵蚀等。为此，黄岛工程地下洞库施工支护中，重点选择“地下水封原油洞库高性能喷射混凝土研究与应用”课题攻关，获得了2项专利和编制了《大型地下水封原油洞库喷射混凝土施工技术规定》(初稿)及其相关试验方法规程。

4.1 黄岛工程高性能喷射混凝土配合比设计

经课题研究，黄岛工程现场试验高性能喷射混凝土配合比见表3。施工表明，表3能满足水封洞库钻爆法开挖及其支护稳定要求。

4.2 黄岛工程喷射混凝土优化成果

衡量一种高性能喷射混凝土最直接、最简单方法，就是将黄岛工程喷射混凝土与国外当下先进的喷射混凝土的坍落度、抗压强度、回弹率和渗透性一一并列对比(见表4)。

表3 黄岛工程高性能喷射混凝土配合比Table 3 Mixture ratio of the high performance shotcrete for Huangdao project

表4 黄岛工程高性能喷射混凝土与国内外先进的喷射混凝土性能对比Table 4 Comparison between the high performance shotcrete of Huangdao project and the advanced shotcrete in China and abroad

由表4可见，黄岛工程高性能喷射混凝土在基本力学性、抗渗性诸方面经与国内外目前先进的喷射混凝土相比较，达到了综合效果较优的目标。

5 通风防毒害创新技术

黄岛工程是一座9条并列、逐洞并行，按照钻爆法施工的复杂密集洞室群工程，以(DL/T5099—1999)《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》[4]中通风规定的要求控制有害气体容许浓度。

通过数值模拟和现场试验，对黄岛平行、多层布置大型密度洞室群施工期通风优化技术进行研究，获得良好通风效果。

5.1 黄岛工程地下洞库流场特性

基于N-S方程的风流模型和K-ε紊流模型，在适宜的边界条件要求下，求得了黄岛工程地下洞库流场特性(见图2)。

实践中，若1#施工巷道单独施工，工况1风筒出口距掌子面长40 m，掌子面通风状态良好。当通风400 s后，掌子面附近一氧化碳(CO)浓度已降到规范[4]要求的浓度值以下；而工况2风筒出口距掌子面长80 m，结果在掌子面附近毒害气体却存在滞留现象，只有通风950 s后，掌子面附近的CO浓度才降到规范[4]要求的浓度以下。

5.2 二期通风洞罐C数值模拟与优化

黄岛工程洞罐C包括7—9号3个洞室，其中9号洞最长，达777 m。

经比较分析，以工况2为最佳，实际应用也采纳了该方案。工况2的具体情况为：

图2 黄岛工程地下洞库掌子面附近流场分布Fig.2 Distribution of flow field nearthe underground tunnel face of Huangdao project

(1) 选AVH780.315.4.10型3台压入式风机，布置在2#通风竖井出口处，风筒沿竖井进入施工巷道，然后分别延伸至7，8和9号主洞室掌子面附近以输送新的空气。

(2) 9号主洞室距掌子面10 m处，3个方案中，工况2在该处CO浓度排出比工况1和工况3均要迅速，即工况2在通风1 256 s，是已达到规范[4]要求，而工况1工况3分别需通风1 635 s后才能达到规范要求。

5.3 三期通风洞罐A数值模拟

黄岛工程洞罐A包括1—3号3个洞室，其中1号主洞室总长484 m。

经3个数值分析方案比较，以工况2为最佳，实施情况是：工况2当时进展是主洞室第2层两端同时爆破，风筒出口在1—2连接巷道与1号主洞室连接口处接一个风筒分叉布设，2个风筒出口分别布设在2个掌子面附近。经数据模拟分析比较，工况2在风筒出口处附近的流场较强，有利于主洞室第2层两端掌子面附近有毒害气体的排除。

计算结果表明，工况2中风流一分为二，风筒出口流速虽然比工况1小了一半，但是风筒出口延伸至掌子面附近，增强了掌子面附近的风流，有利于爆破产生的有毒害气体较早排除。

6 黄岛工程施工安全风险评价与应急救援

当下，安全、能源、资源和环境被认为人类可持续发展的4大支柱，同时，也是当代世界面临的4大难题。2005年1月在日本神户兵库召开的联合国第2届减灾大会上，发表了《兵库宣言》和《兵库行动框架》，要求各国将防灾减灾作为“国家的第一责任”和“各国政府部门工作重心”。黄岛工程正是基于上述“宣言”和“框架”，针对实际，专辟课题作集成创新攻关活动。

6.1 黄岛工程地下水封洞库施工安全风险评价

黄岛工程钻爆法施工的安全风险包括消防、地质灾害及爆破后的通风除害3项。其中消防应急救援体系较为完备。相比之下，洞库施工中的地质灾害与爆破后通风除毒害应急救援就显得十分迫切，并提到管理层议事日程上来。2000年在莫斯科发生的地铁爆炸事件和2003年上海当时在建的地铁四号线在黄浦江一侧出现的坍塌事故等地下工程一系列事件(故)，更加引起黄岛工程每个参与者的警觉与高度重视。

6.1.1 洞库施工地质灾害风险评价

黄岛工程施工安全地质灾害风险模糊综合评价的一般程序为：构造评价集合V→构造因素集合U→建立一个从构造因素集合U到V的模糊映射f，从而得到单因素评判矩阵R→确定判断矩阵和权重分配向量ω→根据权向量ω和模糊关系矩阵R，求出模糊综合评判集B，并进行综合评判。

综合评判模型为

B=ω*R=(b1，b2，…，bn) 。

(1)

式中：bi(i=1,2，…，n)表示评判指标，即综合考虑所有因素影响时，评判对象评价集中的第i个元素的隶属度；*表示冠以模糊合成运算。

评价指标风险分级标准见表5。经计算或专家预评估，以Ⅰ—Ⅴ级相关因素评价黄岛工程施工安全风险，介于Ⅱ级与Ⅰ级间，属“安全”水准。

6.1.2 洞库施工防毒害气体风险评价

黄岛工程水封洞库，以平均20～22 ℃洞温及>1 m/s的通风风速为平台，将表5中CO、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)和硫化氢(H2S)以及二氧化碳(CO2)与甲烷(CH4)共6个有毒害物质作分级(见表6)。

经类比与专家评价，黄岛工程洞内有害物质经通风后均在最高容许含量的Ⅱ—Ⅰ范围即处于安全工况环境。

6.2 应急预案与抢险救援

黄岛工程施工安全风险的对策，坚持“预防为主、综合治理、持续改进”的方针，动员工程建设参与者全员合作，全过程控制，持续改进安全管理绩效，不断提高应急能力建设水平。

黄岛工程应急能力建设作了下列7点：

(1) 进行安全风险分析，制定控制措施；

(2) 建立应急预案体系，实施有效管理；

(3) 对重大危险源、危险作业、危险物品进行有效监控和预警；

(4) 建立应急处置程序；

(5) 做好应急保障准备；

(6) 开展应急培训和演练；

(7) 适时进行检查和自评。

黄岛工程抢险救援准备了下列3点：

(1) 多功能灾害抢险救援消防车的预联系；

(2) 交通事故与地震灾害救援用的液压扩张器的预联系和应急求援的准备；

(3) 音频生命探测仪的预联系和应急救援后备(与地震灾害救援专业组织保持联系)。

黄岛工程自2010年11月18日正式开工以来的3 a多钻爆法施工过程中，在施工作业人员进场时就作了上述多个应急预案和抢险救援准备，真正做到了“凡事预则立”、“有备无患”，以日开挖万m3的施工进度向前推进，施工全过程状态良好。

表5 黄岛工程施工安全评价指标风险分级Table 5 Risk assessment indexes and risk classifications for the construction safety of Huangdao project

表6 黄岛工程洞内有毒6种物质分级Table 6 Toxic substances and their levels in the cavern of Huangdao project

7 结 语

在国内首个大型地下水封石洞储油库基本技术几近空白的情况下，经过黄岛工程全体施工人员的上述5大技术创新，在参建各方的配合下，中国“国家战略石油储备库应该建在地下”的梦想成真。这为我国战略石油储库大型地下工程建设开了先河，同时，也为后续大型地下水封储油库建设起到了借鉴与启迪示范作用。

参考文献：

[1] BÉRST P, BROUARD B. Safety of Salt Caverns Used for Underground Storage[J]. Oil & Gas Science and Technology-Revue de l’IFP,2003,58(3):361-384.

[2] TEZUKA M,SEOKA T. Latest Technology of Underground Rock Cavern Excavation in Japan[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2003,18(2/3):127-144.

[3] 杨 凯，赵 晓，张文辉，等. 大型地下石洞油气库人工水加水幕技术[J]. 长江科学院院报，2013，30(9)：89-92，100.(YANG Kai, ZHAO Xiao, ZHANG Wen-hui,etal. Technology of Artificial Water Curtain in Large Underground Oil and Gas Storage Cavern[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013,30(9):89-92,100.(in Chinese))

[4] DL/T 5099—1999，水工建筑物地下开挖工程施工技术规范[S]. 北京：中国电力出版社，1999. (DL/T 5099—1999，Technical Specification for Excavation of Underground Works on Hydraulic Structures[S]. Beijing: China Electric Power Press,1999.(in Chinese))