某地下水封石洞油库工程水幕孔施工技术研究

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(1.武警水电部队第七支队，武汉 430223；2.山东大学 土建与水利学院，济南 250100)

1 工程概述

根据地下水封油库的设计原理，原油洞罐建设在稳定的地下水位线以下一定的深度，利用洞室周边岩石裂隙水包裹油(或气)，实现水封效果。当洞库周围地下水的渗透压力、渗流量超过一定标准时，就会影响地下水封洞库的功能。某储存洞库设计在地下高程-20～-50 m，为了给地下洞库系统提供稳定的地下水位，满足水封条件，在洞库上方26.5 m设水幕系统，系统由水幕巷道和水幕孔组成，水幕孔间距10 m，水幕巷道轴线与主洞轴线垂直，水幕孔与主洞室轴线平行，覆盖整个洞库。水幕巷道由5条洞室组成，洞室宽5 m，高4.5 m，直墙圆拱形，总长度为2 726 m，水幕巷道底板高程为+5 m，在水幕巷道内垂直水幕巷道轴线方向每隔10 m钻布设孔径120 mm的水幕孔，孔深覆盖主洞室壁以外10 m，水幕孔高程6.5 m。水幕孔把洞罐A、洞罐B、洞罐C分为8个区，最大设计孔深105.4 m，最小设计孔深5.12 m，水幕孔总长度为44 435 m。

2 施工技术要求

(1) 水幕孔在任何点倾斜偏差均不得超过孔深5%。

(2) 在钻孔钻进过程中，应避免钻孔因钻具和钻杆的自重引起的自然往下倾斜，保证钻孔精度要求，开孔倾角应上仰1°～2°。钻孔及钻井超出偏差范围的孔应采用水泥进行封堵，并在旁边另钻一孔替代。

(3) 每个水幕孔钻进期间，每10 m要测量一次地下水流量，如水量较大影响钻进时，宜用栓塞封堵该孔，并适当调整钻孔位置。

(4) 钻孔不得钻入储库周围10 m的缓冲区，个别不满足精度要求进入缓冲区域的孔必须注浆封堵。

(5) 孔深误差不大于孔深的1%，孔底位置偏差值不得大于监理人指示的控制标准。开孔位置误差不大于10 cm。

(6) 每个水幕孔钻孔完成后，应立即进行彻底清洗，清除泥浆和碎屑。

(7) 水幕孔注入水应符合生活用水标准。

(8) 水幕孔平均渗透系数不大于8.64×10-3m/s。

3 施工方法

3.1 水幕孔造孔

3.1.1 施工工艺

施工准备→测量放线→钻孔平台修整→钻机就位→钻杆定位、定向校核→钻进→孔口段校核→中孔段校核→终孔验收→下一钻孔。

3.1.2 施工方法

3.1.2.1 施工准备

设备选型：由于水幕孔钻孔深度大，最大深度为105.4 m，且要求精度高，要求选用的钻机具有重量大、平衡性好、精度高等优点，根据类似工程经验[1]，选用英格索兰MZ165型及威尔普165数显型钻机各2台，见图1。

图1 水幕孔造孔设备 Fig.1 Equipment of water curtain hole drilling

3.1.2.2 钻机固定

(1) 水幕巷道开挖结束后，人工配合机械清理平整地面，并由25T压路机碾压密实平整。测量人员放线，复测，并在墙上做好标记，放出后视点，以保证方位角和孔位高程偏差。接通风水，电路，调试钻机。

(2) 钻机就位后，将孔位点和后视点人工连线，通过微调液压杆，使该线与钻杆轴线重合。调整好倾角及方位角，采用全站仪检查校核。

(3) 在钻机前后设置8根Φ25 mm，长度为50 cm插筋，入岩30 cm,Ф40 mm钢管扣件进行钻机加固，以便钻进过程中钻机不晃不摆。

3.1.2.3 造 孔

(1) 转速。开钻后0～10 m内钻速不大于30 rpm，掌握好钻机推进压力和风压。在钻进过程中及时记录钻进速度、回风、返渣等情况，以便及时调整钻速、推进力、风压等， 防止风压、钻速过大而造成飘孔[2]。

(2) 扶正器。钻机入岩1 m后停机，为防止孔斜过大，不符合要求，开始使用扶正器、降斜器[3]。由钻工、机长、现场技术员复核倾角、方位角、钻机是否有移动。若有偏差，则利用罗盘仪及时调整偏差，在5，10，30，40，50 m时分段进行孔精度检查，若满足精度要求继续钻进，不满足则进行封孔，重新开孔。

(3) 记录。在钻进过程中记录员详细记录钻进长度、返渣、岩石变化情况，现场技术员和机长根据记录情况对岩石变化给出相对应的钻进方案。

(4) 调整。在钻进过程中操作手不能离开操作平台，凭借经验靠手感结合返渣情况，判断岩石变化，给出相对应的钻进方案。钻进中，当发现岩层换层时，不论是软变硬还是硬变软，均要减压，减速钻进，推进力均加以适当调整。遇岩层稳定性较差地段，利用低压，低速小推进力钻进；遇裂隙水发育的富水带，则关闭高压水泵，利用孔内流水降尘，低压、低转速、高推进力钻进；遇破碎带层应低压，高钻速、高推进力钻进，如在2#水幕巷道南侧钻进过程中，B406在6 m以后遇高岭土，将风压调至1/3，钻速调为60 rpm，推进力为满负荷推进，到30 m后停机退杆测斜，孔底为1°完全符合要求[4]。

(5) 巡查。在钻进中，勤检查钻机有无移动，加固筋是否松动，如发现有移动、松动现象，及时停机，重新加固，调整角度,以满足施工要求。

3.1.2.4 验 收

(1) 在钻孔结束后，采用清洁压水气联合方式冲洗，由技术员测斜，做电视成像，分析此区域岩石结构，保证测斜率为100%，电视成像为60%。

(2) 当钻孔偏差不符合要求时，报告设计、监理方对该孔封堵注浆，重新布置孔位开孔。若该孔符合要求，验收合格后，进行下一工序作业。

3.1.3 钻孔效果检测

水幕巷道水幕孔造孔分片区进行，共计造孔529个，其中孔深主要布置在A1区，共计19个水幕孔，钻孔最大上仰角度2°，最小上仰角度1.1°，统计最大偏差是-5.06 m，最小偏差是-3.16 m，根据水幕孔造孔偏差曲线总结得出一般在钻进20 m左右时就开始下垂。具体钻孔参数统计见表1。同时对设计孔深为105.4，104.1，96.12,94.75 m 4种水幕孔进行统计，钻孔实际孔深、孔径、上仰角度以及孔底偏差见表1、表2(其中表1为设计孔深105.4 m相应的钻孔参数，表2为设计孔深104.1，96.12，94.75 m相应的钻孔参数)，水幕孔钻孔偏差-深度关系曲线见图2。

表1 设计孔深105.4 m水幕孔钻孔参数统计Table 1 Statistics of parameters for the water curtain hole drilling (hole length 105.4m)

表2 设计孔深104.1m，96.12m，94.75m 水幕孔钻孔参数统计Table 2 Statistics of parameters for the water curtain hole drilling(hole length 104.1m,96.12m, and 94.75m)

图2 水幕孔钻孔偏差-深度关系曲线Fig.2 Curves of deviation vs. length of water curtain hole drilling

3.2 注水试验

3.2.1 工艺流程

注水试验采取分区分片进行，流程如下：

水幕孔验收合格→注入-回落试验→水幕孔注水→有效性试验(检测是否增加水幕孔)→施工期水幕孔注水→下一片区注水试验。水幕孔注水水表及压力表安装见图3。

图3 水表及压力表安装Fig.3 Installation of water gauge and pressure gauge

3.2.2 注入-回落试验

对单一水幕孔在完成钻孔作业后的5 d内，进行水幕孔注入-回落试验，主要步骤：

(1) 做好孔口封堵，接上试验仪表、闸阀、供水管路。

(2) 关闭孔口栓塞，持续时间为15 min，记录孔内静压。

(3) 水幕孔充水。充水压力为0.3 MPa，当压力稳定至0.3 MPa后，持续充水15 min，之后对充水量进行连续记录，记录间隔5 min；当流量无持续变化趋势，且连续5次流量值中最大值与最小值之差小于最终值的10%，取最终值作为0.3 MPa压力下的稳定冲水量，关闭阀门，停止充水，15 min后对孔内压力进行观测，时间间隔为5 min；当压力无持续变化趋势，且连续5次压力读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，取最终值作为孔内静水压力值，本次充水结束。

(4) 水幕孔注水。打开注水阀门，对水幕孔进行注水，注水压力为该孔静水压力加上0.3 MPa，对流量进行连续记录，记录间隔为5 min，当流量无持续变化趋势，且连续5次流量值中最大值与最小值之差小于最终值的10%，取最终值作为该压力下的稳定注水量，本次注水试验结束。

(5) 回落观测。停止注水，等待水幕孔内水压自然回落，记录孔内压力变化，记录间隔时间为5 min，持续回落90 min，连续5次压力表读数中最大值与最小值之差大于最终值的10%，则继续观测记录至小于10%，若压力值回落至0 MPa，则终止观测。

(6) 注水-回落试验分析判断。根据测试数据计算该孔围岩的平均渗透系数，采用公式[5]

q=Q/L·p。

(1)

式中：q为孔段的透水率(Lu)；L为孔段长度(m)；Q为注入水量(L/min)；p为注水压力(MPa)。

经过计算得出水幕孔平均渗透系数不大于8.64×10-3m/s，则该水幕孔注水-回落试验结束。当得出水幕孔平均渗透系数大于8.64×10-3m/s时，对水幕孔分段压水找出渗透系数较大部位进行灌浆处理。

(7) 水幕孔进行注水-回落试验完成后，马上对该水幕孔注水，注水压力为施工前水幕所处位置的天然静水压(0.3 MPa)。对该水幕孔注水直至进行水幕有效性试验为止。注水期间，每间隔24 h记录一次注水压力和注入水量。

3.2.3 有效性试验

通过有效性试验观测洞库围岩水文地质特征，根据观测结果决定是否需要增加附加水幕孔来改善水幕系统效率。注水分区分片进行，A组洞室上部水幕为A区，分A1-A7等7个批次进行注水；B组洞室上部水幕为B区，分B1-B7等7个批次进行注水；C组洞室上部水幕为C区，分C1-C8等8个批次进行注水，水幕孔施工分区详见图4。观测人员进行水幕孔注水量、注水压力记录见图5。

图4 水幕系统分区注水图Fig.4 Partitioned water injection of the water curtain system

图5 观测人员进行有效性试验统计Fig.5 Photo of validity checking test

有效性试验首先选在2#水幕巷道A-3区进行，试验分3个连续阶段：

(1) 第1阶段，水幕孔水的静压分布观测。试验前，检查水幕孔及其压力表的完整和精度。关闭所有水幕孔的阀门，记录所有水幕孔的静压力值，每隔12 h记录一次压力，一直持续到水幕孔内压力趋于稳定。观测时间3 d。

(2) 第2阶段，第1个水动力状态。打开试验区偶数水幕孔阀门，关闭试验区奇数水幕孔，记录偶数水幕孔的水压力和流量，记录奇数水幕孔的水压力，直到各孔的水压力稳定。偶数水幕孔注水时，若相邻奇数水幕孔水压力上升，则证明两孔之间渗透良好，无需增加水幕孔；反之，若相邻奇数水幕孔水压力无明显上升，则证明两孔之间不渗透，则应增加水幕孔。

(3) 第3阶段，第2个水动力状态。打开奇数水幕孔阀门，关闭偶数水幕孔阀门，记录各孔的水压力和流量，直到压力稳定。奇数水幕孔注水时，若相邻偶数水幕孔水压力上升，则证明两孔之间渗透良好，无需增加水幕孔；反之，若相邻偶数水幕孔水压力无明显上升，则证明两水幕孔之间不渗透，则应增加水幕孔。

有效性试验一完成即决定是否增加水幕孔，增加水幕孔完成钻孔后，该区域应采用同样方法再进行局部有效性试验，直至水幕系统符合设计要求为止。

3.2.4 施工期水幕系统注水

(1) 所有的水幕孔分别从总水管接分支出来，每孔单独配置一套注水设备(包括栓塞、流量计、压力表、调节阀及排水阀)。

(2) 注水-回落试验完成后，打开栓塞注水阀门，向水幕孔内注水。

(3) 对注入水幕孔的水进行以下测试，其结果符合以下设计要求：①注水压力是施工前水幕所处位置的天然静水压，通过安装在供水管线上的压力调节装置来调节压力；②保持设备在整个施工期运行正常，每天记录每个孔的注水压力和流量。

注入-回落试验一完成，把供水管与栓塞相连，开始持续注水并观测，保证设备在整个施工期正常运行，每条水幕巷道安排专人进行观测记录每个孔的注入压力和流量，并对注水情况进行检查，及时收集资料。

3.2.5 注水试验效果分析

有效性注水试验共计进行了12次，经过观测数据分析计算，其中有5次需要增加水幕孔，增加水幕孔106个，具体增加水幕孔孔数见表3。

表3 新增水幕孔个数统计表Table 3 Statistics of newly added water curtain holes

4 经验与体会

(1) 结合统计资料及现场实际情况，影响水幕孔造孔精度主要原因有：①造孔设备选型很关键，根据地质条件要选用合适的钻孔设备；②钻进速度控制也是影响造孔精度原因之一；③为减小钻孔偏差，水幕孔开钻要上仰一定的角度；④钻机定位加固是影响钻孔精度直接原因；⑤增加扶正器防止在钻进过程中由于钻杆自重下垂；结合所选用钻孔设备，长水平孔钻孔精度经过现场控制，是能满足设计要求的。

(2) 从观测统计数据分析计算，影响水幕孔注水试验效果主要因素有：①人为因素，观测人员观测数据准确性的影响；②水幕孔孔内部分不良地质条件影响。

参考文献：

[1] 王 丰，刘 章. 水平定向钻孔技术的改进与应用[J].水利水电科技进展, 2013, 33(4): 54-56,77.(WANG Feng, LIU Zhang. Improvement and Application of Horizontal Directional Drilling Technology[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2013, 33(4): 54-56,77. (in Chinese))

[2] 姚宁平. 我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展[J]. 煤田地质与勘探，2008, 36(4): 78-80.(YAO Ning-ping. Development Trend of Nearly Horizontal Directional Drilling Technology in Coal Mines of China[J]. Coal Geology & Exploration, 2008, 36(4): 78-80.(in Chinese))

[3] 刘小力. 三峡船闸高边坡预应力锚索造孔施工[J]. 水利水电技术，2004, 35(7): 37-40.(LIU Xiao-li. Construction of Making Prestressed Cable Holes for the High Slopes of Three Gorges Project Ship Lock[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2004, 35(7): 37-40.(in Chinese))

[4] 韩开平，谭开文. 超长精确造孔施工工艺[J]. 管理施工, 2006, (3): 58-59.(HAN Kai-ping, TAN Kai-wen. Construction Technology of Super-long Accurate Hole[J]. Construction Management, 2006, (3): 58-59. (in Chinese))

[5] DL/T 5331—2005，水利水电工程钻孔压水试验规程[S]. (DL/T 5331—2005, Code of Water Pressure Test in Borehole for Hydropower and Water Resources Engineering[S]. (in Chinese))