某水封式地下储油洞库水幕系统施工\系统测试及供水施工组织设计_工程论文 【摘要】水幕巷道设置在储油洞罐上方25m处，底标高为-32m，断面为6.5m×6m的三心拱直墙型，内设水平和垂直水幕孔，孔长（深）约为60m水幕孔较深且充水后的水幕孔在储油洞室施工中起关键作用，如何选择合适的钻孔设备保证孔斜，且采取合理的方法进行水幕孔的单孔试验和有效性试验，使水幕系统在储油洞室的开挖中保持有效性是施工组织设计中的关键 【关键词】水封式 地下储油库 水幕孔钻孔 试验 l.工程概况 某地下水封式石油储备库设计库容300×104 m3，拟建4组储油地下洞罐（每组由2条长为934m、断面跨度和高度分别为19m、24m的储油洞室通过连接巷道连接而成），洞型采用三心拱直墙型，洞室底面标高为-80m，顶标高为-56m每组洞罐容积约为75×104 m3 水幕系统设置在储油洞罐上方25m处，底标高为-32m，主要是东西向的水幕巷道5条（每条长度974m）、南北向连接水幕巷道1条（长度为486m），断面均为6.5m×6m，洞型为直墙三心拱形在水幕巷道内设水平和垂直水幕孔，水平水幕孔钻孔位置位于水幕巷道距底面1m高度的边墙上。
垂直水幕孔钻孔位置沿水幕巷道的底面中轴线水幕孔直径均为100mm，水幕孔长度约为60m，水平水幕孔间距为10m，垂直水幕孔间距为20m主要工程量：水平水幕孔34830m，垂直水幕孔11300m 2、水幕系统的工作原理 储库洞室内石油完全依靠地下水和人工水幕进行密封，防止液化石油气从储库中外泄其原理为：储库洞室开挖后不施做衬砌，仅在洞口采用混凝土墙进行封堵，其余部位在洞室上部水幕巷道中钻孔注水形成水幕，使洞室上部围岩地下水保持一定水位和压力，以达到密封目的每座储库上方设水幕巷道，水幕巷道边墙两侧和底部布置若干水幕孔储库洞室开挖前，通过水幕水平孔进行围岩临时注水补充地下水(注水压力为海平面静水头高度压力，保证地下水位维持一定的水头高度，防止开挖过程中地下水位下降(即需“临时注水”)储库开挖完成后，洞口施做混凝土堵头墙，拆除水幕水平孔临时注水系统，由地面永久供水系统对水幕巷道进行灌水，从而使整个储库区水位达到海平面高度，以便在投产运营后能随时补充地下水 3.施工方案及整体规划 考虑水幕系统的作用和功能及在储油洞罐施工中的重要作用，施工时尽量安排水幕系统提前施工且尽早完成根据规范要求，水幕巷道的钻孔安排原则上保证成型且充水的水幕孔至少提前储油洞罐上层开挖工作面20m以上，而且这个距离根据现场情况而加大。
水幕系统的水幕孔在水幕巷道掘进一段距离后开始（约200m左右），水幕孔钻孔试验和水幕洞室开挖作业同时进行 水幕孔钻孔采用Atlas Diamec U4岩心钻机钻孔，单孔钻孔完成后按设计要求进行单孔测试，合格后连接至供水管网 水幕系统施工完成（包括洞室掘进、水幕孔钻孔和单孔试验）且储油洞顶拱开挖完成后进行水幕系统的有效性试验，有效性试验完成后，即可进行水幕系统的整体性试验整体性试验的具体时间根据业主、设计、监理的要求，可以在储油洞室的开挖过程中进行，也可以在储油洞室开挖结束后进行为施工方便，本施组暂定整体性试验在全部储油洞室开挖完成后进行 4.水幕孔钻孔施工 4.1设备选用 考虑洞内开挖运输和钻孔同时作业，操作空间有限，因此钻孔设备必须具有作业占用空间小、结构轻便、容易安装搬迁等特点，另外根据规范要求，水幕孔钻孔设备不得使用高压风出渣经多方面性能比选，最终选用Atlas Diamec U4岩心钻机进行钻孔 表1Atlas Diamec U4全液压岩心钻机钻孔参数 参数、型号 Atlas Diamec U4 钻孔直径（mmm） ф78-ф110 钻孔深度（m） 500 钻孔角度（°） 0-360（任意角度可施工） 最大扭矩 660Nm 给进力/拔提力 52KN 给进长度 850mm 4.2水幕孔检测设备 水幕孔检测项目包括方位角和仰角，检测选用DS－3型钻孔测斜仪。
其工作原理：利用磁电阻传感器作为固态罗盘测钻孔方位角，利用集成加工速度传感器矢量合成方法测钻孔仰角测试过程中配备增压泵、压力表、控制阀、秒表等配备设备 4.3钻孔施工工艺 1）施工准备 水幕巷道开挖一段距离后，人工配合机械清理并平整底板，测量放线定出水平孔和垂直孔位置，并在侧壁或底板上做好标识接通风、水、电管路，安装并调试钻机备足孔口装置，加工好孔口塞及连接螺栓 2)钻孔 a、水平孔分两段成型孔口段长度3m孔径110mm，主要用于孔口塞安装，采用低压、低速钻进成孔；3m以后部分，孔径为100mm，采用高压、高速钻进成孔 b、选用直径73mm的钻杆，避免因钻杆过细而在孔内旋转摆动过大而导致钻孔偏差超限 c、不同地质条件下的钻进措施，岩层稳定性较差的地段，采用低压、低速钻进成孔；裂隙水发育的富水带，采用低速、高推进力钻进；钻孔内出水压力大于钻机额定推进力的地段，采用先注浆堵水，后重新开孔钻进方式 d、垂直孔钻孔完成后要安装孔口套管，露出底板至少50cm，以防止淤泥、泥浆的进入 e、开钻前由开挖施工队每班负责向现场技术员，钻孔组带班人进行技术交底，包括孔位的移交，施工机械的选择，开钻前应准备的事项、钻孔技术要求等。
f、水幕孔按10%取芯，取芯采用MK-5型地质钻取样 g、地下水位不低于标高0.0m、不影响水幕系统施工时，尽可能减少水幕巷道开挖施工期间的注浆工作 3）成孔偏差检测 a、成孔技术要求成孔中轴线偏差﹤3°；成孔长度偏差﹤5.0％L（L为设计钻孔长度）；孔直径大于等于100mm；头5个孔必须进行误差测量，检测频率不少于总钻孔数的20％ b、成孔检测在钻孔过程中，采用DS－3型钻孔钻孔测斜仪对孔方位角、仰角进行偏差检测；检测时先退出钻杆，取下钻具，将测斜仪固定在钻杆端头，调整好测试时间；然后将钻杆放入孔内，通过钻杆将测斜仪送入孔内需检测的位置，读取数据（方位角、顶角）；最后退出钻杆卸下测斜仪即可 c、当钻孔偏差不符合要求时，根据设计、监理要求对该孔封塞采取或注浆，重新定位钻孔 图1 水幕孔钻孔工艺流程 4.4水幕孔钻孔过程中预防孔斜的措施 ① 钻机的安装要水平牢固，立轴中心与钻孔中心应在同一条垂直线上，并按要求的孔向对准孔位开孔，以使钻进中不摆不晃； ② 孔口管必须牢固并满足要求，在开孔钻进与浅孔阶段钻进中，立轴钻杆不能太长，否则钻进时摆动性大，致使立轴转动不稳，造成钻具摆动性增大； ③ 使用符合规格的各种钻孔器具，并随时检查，如发现有弯曲的钻具或有磨损较严重的立轴导管时，应及时更换。
在浅孔钻进阶段，一般情况下，使用的岩心管长度较大一些为宜； ④ 孔较深以后，即开始需要从地面减压钻进时，特别要注意钻压的调整，同时要注意提升吊环必须与立轴及钻孔中心线在一条直线上； ⑤ 钻进中，当岩石换层时，不论是由软变硬还是由硬变软，或者是由完整变破碎，破碎变完整等情况，均应减压减速钻进，对其进尺的速度和冲洗液的流量及压力也应加以适当的控制； ⑥ 钻进中，应勤检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题应及时纠正； ⑦ 为防止孔斜发生，必须熟悉所使用机械性能和钻孔方法的特点，经常研究，总结经验在水幕孔的钻孔中，应对孔斜及时测量，及时准确地掌握钻孔的偏斜情况，以利于及时处理 ⑧开钻时采用低给进压力、低钻速，钻进入岩0.5m时停钻再次由钻工、现场技术员复核钻杆倾角和方向，质量监督检测站、现场跟班人员复核无误后继续正常压力钻进，防止钻压过大造成飘孔，若有偏差，则采用罗盘仪或量角器纠偏调整 ⑨在钻进过程中详细记录钻进长度,钻进速度,内岩石的颜色,硬度变化等情况,用以分析判断内深处岩层特征及性质的变化。
5.单孔测试 5.1单孔测试方法 钻孔完成、偏差检测合格后进行单孔试验，单孔试验在钻孔完成后5天之内进行将孔用高压水冲洗干净，将加工成型的孔口塞装入孔口段，用扳手将外侧螺母拧紧，使孔口塞外壁与水平孔壁充分接触；最后装上压力表、单向阀、流量计、控制阀及其余孔口设备进行定时流量、压力测试 初始测量时，每5min 测试一次，共测9次，再每分钟测试一次，直至流量值、压力值稳定；试压测试时间不小于1h，流量值、压力值波动范围在设计规定值5% 内为合格（最终的测试流程以设计文件的要求为准） 测试设备的技术要求：压力表、流流计必须经过计量标定合格；控制阀、单向阀闭水性良好，无渗漏；孔口装置安装就位后，孔口阀门称关闭24小时以上，保证测试到的静水压力为稳定静水压力测试装置详见图2 图2 孔口测试装置示意图 水幕孔经测试合格后连接到供水管道 5.2试验原始数据的收集和处理 （1）静水压力、出水流量测试孔口阀门关闭24小时后，观测原始静水压力（以水头高度H表示）；然后打开阀门，测试流量，每隔3～5分钟记录一次流量，读数稳定后，停止读数，计算出每分钟出水量Q1值（即相对稳定时出水量，m3/min）。
（2）压水试验拆除单向阀，接好供水管打开止水阀门，向孔内压注水；压水过程中每2分钟记录一次进水量，读数稳定后，停止读数然后根据稳定后读数，计算出每分钟进水量Q2值（即相对稳定时进水流量，m3/min） （3）水压恢复观测压水试验结束后，关闭止水阀门，停止供水，观测压力表读数，前15分钟每隔1分钟记录一次读数，之后每隔5分钟记录一次读数，并持续45~60分钟（即相对稳定时压力，MPa） （4）计算渗水率K值 根据测试数据、测量数据和水平孔设计参数，按照以下经验公式，分别计算出各孔裂隙的渗水率 K1=[Q1ln(4H/D)]/(2πh0L)（1） K2=[Q2ln(rw/r0)]/(2πLhw-h0)（2） 式中 K为渗水率；Q1为稳定进水流量；Q2为稳定出水流量；H为净水头；hw为压水水头；D为水平孔直径；rw为压水测试影响半径（取rw 20）；L为水平孔测试段长度；h0为稳定静水头 K1，K2取二者较小值，作为最终的（K值）渗水率；与设计要求渗水率比较，如不符合设计渗水率范围，该孔废弃重新补钻水平孔（孔位离废孔5m范围内） 6.水幕系统的有效性试验 本标段计划在储油洞室顶拱开挖结束后应进行水幕系统的有效性试验。
有效性试验的目的是在储油洞室内观测渗水，根据试验结果决定是否需要钻附加水幕孔来改善水幕系统的有效性试验前检查水幕孔及地下压力表的完整和精度有效性试验分三阶段进行（具体的试验要在业主和设计院的指导下进行）： 第一阶段：水幕的水静压力分布的观测 关闭所有水幕孔的阀门，记录各自的压力值,记录的频率根据实际情况确定，必须记录所有水幕孔和地下压力孔的压力,地表水位观测井的水位，一直持续到压力处于稳定第1阶段可持续几天或1星期 第二阶段：第1个水动力状态 打开偶数水幕孔阀门，奇数孔仍然关闭，记录所有水幕孔（关闭和打开）和地下压力孔的压力，对于供水的水幕孔，要记录流量测量地表水位观测井的水位记录的频率根据实际情况确定本阶段应连续直到压力稳定和静止体系形成第2阶段可持续几天或1星期 第3阶段：第2个水动力状态 打开第二阶段关闭的阀门，关闭所有的第2阶段中打开的阀门，记录所有水幕孔（关闭和打开）和地下压力孔的压力，对于供水的水幕孔，要记录流量。