LPG地下水封洞庫工程建設技術探討

郭 得 福

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 264000)

1 概述

1950年，美國第一個建成了LPG地下水封洞庫，隨后歐洲、日本等國也陸續開始建設LPG地下水封洞庫。韓國總結了美國、歐洲、日本等國的建設經驗，完善了人工水幕技術，自1983年起的三十多年間，先后建設了庫容為29.6萬m3，55萬m3，42萬m3，27萬m3，48萬m3等的地下水封洞庫[1]，成為世界名列前茅的LPG地下水封洞庫國家。

在國外技術的基礎上，國內從1997年起，先后建成了汕頭、珠海、寧波一期、黃島、煙臺一期等5座LPG地下水封洞庫，正在建設煙臺二期、寧波二期等2座地下水封式洞庫。先后建設的7座洞庫的相關參數見表1。我公司參與了其中5座洞庫的建設。前4座洞庫均直接采用了國外技術。在消化吸收國外技術后，從第5座煙臺一期洞庫開始了國內自主修建。從表1中可見，主洞室的斷面越來越大，總庫容也越來越大。近些年，國內工程技術人員一直在不斷研究學習國外的建設技術。如文獻[1]對洞庫斷面結構設計進行研究；文獻[2]對洞庫的庫址選擇進行研究；文獻[4]對水幕系統設計初步研究；文獻[6]對水幕系統水力試驗及水幕孔施工進行研究；文獻[10]對洞庫密封塞施工技術進行研究。國內工程技術人員多處于消化吸收國外技術階段，未見到技術提高方面的研究。

表1 國內建設的LPG地下水封洞庫參數表

從目前洞庫的建設規模看，我國已超過韓國成為世界LPG地下水封洞庫儲存的大國。由于建設規模的擴大，我國的修建技術在國外的基礎上又有一定的提高。本文在參照國外成熟LPG地下水封洞庫修建技術的基礎上，通過參與多個工程實踐，提出了一些國內自主修建時需要注重的技術，為今后國內自主修建洞庫提供一些參考。

2 需要注重和提高的技術

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。從洞庫內的油品儲存要求考慮，計算出的水幕供水壓力一般會低于天然靜水壓力，尤其在地形起伏較大的山區，兩者的差值就會較大。

洞庫施工期間，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就可能偏少，主洞內注漿堵水的效果也會大打折扣，就會導致運營期洞庫內的實際排水量大于竣工驗收階段。

在洞庫運營期，長時間的地下水位低于天然水位狀態，就可能會出現洞庫附近地面植被遭到破壞，在山區地帶造成的影響可能更大。在洞庫附近形成的地表水漏斗，會使周邊的水向洞庫區域補充，就有可能補充達不到洞庫水封要求的水質。

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。臨近城市的項目要最好從市政供水獲得足夠的水量；在山區的項目要從遠離庫區保護范圍外引水獲得充足的水量。其次在洞庫選址時也要考慮維持天然地下水位的問題。相比山區，地勢平坦的庫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，故選擇相對平坦的庫址更為有利[3]。地下水位與洞庫的關系示意圖見圖1。

2.2 水幕超前覆蓋要嚴格執行

按照設計、施工規范及建標，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，要嚴格做到水幕超前覆蓋，對應的主洞室頂層開挖就有可能暫停，會對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，可以及早發現開挖面前方出現的滲漏水，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于開挖后注漿)。部分項目由于沒有規范的做好水封超前覆蓋，導致開挖后的滲漏水點多，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，按照圍巖主結構面豎向均在45°范圍內計算，則水幕超前的距離應為20 m。對于具體的某個項目，水幕超前的具體尺寸，宜根據主結構面的角度計算得出[4]。

2.3 超前探孔及超前注漿堵水是減少滲漏水的關鍵

主洞室頂層開挖前先在開挖面用紅外線探水，再針對性的施作超前探水孔，超前探水孔的位置、數量根據紅外探水情況進行調整[5]。根據超前探水的情況，進行超前堵水，原則上只要超前探水孔出水，就需要進行超前注漿堵水。注漿孔的數量、位置可根據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，宜再結合紅外探水情況施作超前探孔，在確認探孔內無水時方能進行開挖。

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

2.4 附加水幕鉆孔要盡早施作

主洞室頂層開挖完成后，對所有水幕孔進行整體的效率試驗，根據效率試驗的結果會補充增加一些水幕孔，這些補充的水幕孔即為附加水幕孔[6]，附加水幕孔均設在低效的水文地質巖體中，這些部位多存在較大的節理。

附加水幕孔供水后，主洞室頂層已開挖段不可避免的會出現滲漏水。有些附加孔通過節理裂隙直接通到主洞室頂層，出現附加孔供水全部直接流入主洞室內的現象。這種現象在幾個洞庫中均出現過，出現的概率較大。從主洞室頂層開挖完成，到水幕效率試驗，再到附加孔的施作及供水，這個時間至少要1.5個月，有時長達幾個月。在這個時間內，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間越晚，從主洞室內注漿堵水的高度就會加大。

對在開挖后出現的滲漏水，只能采用后注漿方法堵水注漿。采用深鉆孔進行注漿的效果一般較好，鉆深孔就需要相應的鉆機，一般為三臂鑿巖臺車、自行式淺孔鉆機等設備，這些設備都體積較大，重量較重，只能滿足在頂層開挖的高度內鉆后注漿孔。如進入主洞室2層、3層等高度時，要對頂部的滲漏水進行注漿堵水，就需要搭設作業臺架，一般都會影響主洞室的開挖，且臺架上只能用輕型的鉆機。為不影響主洞室開挖，有些項目在主洞室開挖全部完成后，再搭設作業臺架進行注漿，出現注漿鉆孔等作業困難，且堵水效果差的問題。

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

2.5 主洞室開挖要配備先進的機械設備

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備。在目前機械取代傳統人海戰術的大背景下，投入國際先進的三臂鑿巖臺車、噴射混凝土臺車、高空作業平臺車等設備是鉆爆工程安全、高效施工的主流[7]，作為站在國際前沿技術的洞庫項目，投入與之地位匹配的專用機械設備，確保項目的安全、質量、進度受控[8]。

2.6 主洞室局部不良巖體的開挖

主洞室總體的圍巖結構較好，但局部不可避免的存在一些不良巖體。對于遇到的較大范圍的不良巖體，要優化洞庫總體的平面布置，如施工巷道繞道、水幕巷道繞道、主洞室一端減短等。但對于主洞室內出現的較小的不良巖體，可以采用預留巖體、變截面、小導洞連通等方案優化原設計。主洞室內遇到不良巖體的處理方法示意圖見圖2～圖4。豎井的位置，要結合地面的條件和地質情況，如與主洞室連接處巖體不良，也宜采用小導洞連通。

2.7 密封塞優化與檢驗

密封塞是洞庫最關鍵的結構物，是洞庫密封成敗的關鍵。密封塞為鋼筋混凝土結構。封塞施工前應進行巖體穩定性分析，并對外部荷載及封塞厚度合理性進行論證。封塞施作的具體位置，要根據地質素描等地質資料確定，要選擇巖體完整、前后無明顯滲漏水、避開貫穿封塞的巖體結構面。封塞鍵槽按照原設計開挖后，要根據開挖的實際形狀及巖體結構面情況，優化鍵槽的開挖形狀，并根據實際的開挖形狀優化封塞的結構尺寸等參數。某項目密封塞設計與實際開挖輪廓線對比見圖5。

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

2.8 水幕巷道設計要為水幕供水管線快速拆除創造條件

在LPG洞庫中，水幕供水管線的拆除時間一般不超過48 h[10]，這是對水幕密封效果的保證措施之一。但是在國儲石油洞庫中，由于水幕孔的數量較多，要做到48 h內拆除難度較大。在水幕巷道設計時，宜考慮后續供水管線拆除的問題。可將整個水幕系統分區域設計，每個區域的入口處均高于內部巷道約1.5 m以上，如此可實現每個區域獨立注水，確保在一個區域內能做到管線拆除及注水淹沒水幕孔的時間不超過48 h。為加快管線拆除的速度，使機械設備能進入水幕巷道輔助拆除，宜對水幕巷道底板進行處理，為節約投資和加快處理進度，宜用洗凈的塊石鋪墊處理，達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，方能進行水幕效率試驗，根據水幕效率試驗的結果施作附加水幕鉆孔。附加水幕孔供水后，主洞室內一般都會出現新的滲漏水點，有時滲漏水水量較大，必須采用注漿堵水。注漿堵水需要鉆機等設備，如此時開挖的高度過大，就需要搭設作業平臺，搭設作業平臺費時、費力；如在14 m左右，可以采用鑿巖臺車+高空平臺車就能作業，無需搭設作業平臺。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 結語

LPG地下水封洞庫建設在國內尚處于起步階段，國內的技術人員多在研究消化國外的技術。隨著國內LPG地下水封洞庫工程的建設規模超過國外，完全照搬國外的技術已不再適應，需要我們通過參與工程建設總結、分析出需要注重和提高的技術。本文為作者從實踐中總結出的，較國外建設技術需要注重和提高的技術，觀點難免偏頗，請大家批評指正。

參考文獻:

[1] 夏喜林.LPG地下水封巖洞儲庫斷面設計與研究[D].青島：石油大學(華東)碩士論文，2003.

[2] 彭正華,李俊彥.地下水封洞庫的庫址選擇研究[J].油氣儲運，2008，27(1):60-62.

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[4] 辛繼勇,許 衛.某地下水封洞庫工程水幕系統設計初步研究[J].長沙理工大學學報(自然科學版)，2014,11(4):77-82.

[5] 呂喬森,陳建平.紅外探水技術在巖溶隧道施工中的應用[J].現代隧道技術，2010,47(4):45-50.

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[10] 法國GEOSTOCK，LPG地下水封洞庫地下通用規范[S].