《大型地下水封洞库施工关键技术》—中铁隧道集团有限公司一处有限公司

全国公路工程技术与质量管理工作交流会
大型地下水封洞库施工关键技术 汇报材料
刘龙卫 中铁隧道集团一处有限公司
2017年3月
汇报提纲
• 1.前言 • 2.地下水封洞库在我国的发展 • 3.水封洞库储存油气原理及构成 • 4.水封洞库施工关键技术 • 5.体会 • 6.取得的科技成果
1.前言
• 石油是一种战略资源，石油和天然气战略储备是为了保障能 源安全稳定供应、确保国家正常运转的重要手段之一。 • 1973年第一次世界石油危机以后，美国、日本、西欧一些国 家都相继建立了石油和天然气战略储备。 据不完全统计，石油储 备时间：美国156天、日本169天、法国116天、韩国75天，而我国 40天。 • 储存方式有：储罐、内贴壁洞库、地下水封洞库等。地下水 封洞库储存油气资源具有安全可靠、经济实用、投资少、占地小、 环保和生态友好、储量大并且利于战备,被称为“具有高度战略安 全的储备库”。
3.水封洞库储存油气原理及构成
•3.2水封洞库结构组成 • （3）洞罐
• 储油洞室是由储油巷道组成 且经连接巷道连通的储油单元， 相当于地面上的单个油罐。储油 巷道是在地下岩体内开挖的水平 隧道，为主要储油空间。也称为 主巷道。连接巷道是将储油巷道 连通的水平隧道，连通储油巷道 的气相(上部连接巷道)、液相和 水(下部连接巷道)，在施工期间 可通往储油巷道的不同水平面。
• （3）适合在水幕巷道狭窄的场地进行施工，钻孔深度深大， 工艺简单，操作容易，便于现场实施。
• （4）采用防灭尘装置，全程杜绝粉尘，利于操作人员健康 和环境保护。
4.水封洞库施工关键技术
• 4.2.4地下水封洞库超深水幕孔施工工法。
• 工法关键技术：
• 1）选择合适的钻孔设备，为钻机提供足够冲击力和扭矩，满 足钻凿硬岩超深孔所需动力，适应水幕巷道狭小空间作业； • 2）选用刚度较大的钻杆，减小钻杆变形量，在开孔时通过可 调支撑杆设置水平偏角和竖直仰角，平衡水幕孔钻进过程中的偏差； • 3）钻机与孔口间安装支撑杆，孔口安装导向孔口管，提高开 孔精度； • 4）安装多个扶正器，形成扶正器组，减小钻杆钻头的跳动量， 提高钻头冲击岩石方向的准确性； • 5）利用后端扶正器的重力，平衡钻头与前端扶正器之间钻杆 产生的下挠量，保持前端钻头轴线最大程度与设计轴线吻合，减小 钻孔误差，提高钻孔精度，保证施工误差满足精度要求； • 6）利用测斜仪进行过程偏差测量，偏差超限时，利用扶正器 纠偏。
4.水封洞库施工关键技术
•4.2水幕系统计算分析与测试技术
• 4.2.4地下水封洞库超深水幕孔施工工法。
• 工法原理：利用成孔设备提供的冲击力和扭矩实现硬岩 超深孔钻凿，并适应水幕巷道狭小空间作业需要；采用大刚 度钻杆和扶正器组，通过减小钻头下挠量，减小钻孔误差， 并在钻进过程中对即将超限孔进行纠偏，提高施工精度。
汕头LPG (操作竖井)
2.地下水封洞库在我国的发展
2.1已建及在建水封洞库 *国家石油储备战略实施 国内于2003年启动石油战略储备工程，第一期地面储罐已
修建完成；第二期的4个地下水封洞库工程（黄岛、锦州、 惠州、湛江）和地面储罐工程已全部开工建设；第三期的 项目正在规划中，预计均为地下水封洞库。 2011年10月，锦州国储 300万方原油洞库开始建设，2015 年年底投入运营。 2013年6月，惠州国储500万方原油洞库开始建设，预计 2017年年底投入运营。 2013年8月，湛江国储500万方原油洞库开始建设，正在建 设（征地拆迁原因）。
• 断面、坡度是制约施工进度、安全、环保的关键。
3.水封洞库储存油气原理及构成
•3.2水封洞库结构组成 • （2）水幕系统——确保洞库水封效果，决定项目成败 • 为了确保油品安全密封储存在限定的空间内，通常为了 改善地下水力分布以提高储油洞库气密性要设置水幕系统， 由一系列钻孔组成的水平水幕、垂直水幕和水幕巷道组成。 • *当一座地下水封洞库的不同洞室储存不同油品介质时， 为了防止窜油，需要在洞室间设置垂直水幕。当防止外部水 体对洞库造成影响时，也需要在洞库与外部水体之间设置垂 直水幕。 • *常压储存的地下水封洞库，设置水幕主要是出于环保安 全的需要，特别是当地下水封洞库周围的水体条件不能满足 长期饱和的情况下。
3.水封洞库储存油气原理及构成
•3.1水封洞库储存油气原理 • 地下水封洞库建在稳定的地下水位以下一定深度的岩石 里，以确保洞库围岩中裂隙水压力始终大于洞库储存温度下 油品的饱和蒸汽压力，既可防止洞库储存的油品不顺着围岩 裂隙渗透出去，又能保证有少量地下水沿着裂隙流入洞库内， 由于油品比水轻而又不相溶，流入洞库中的水沿着岩壁汇集 到洞库底部，形成防止渗漏的水垫层，油品始终浮在水面上。
储存常压油品，在强度及稳 定性较好的岩体内，
可以采用直墙割圆拱截面
储存常压油品，在强度及稳定 性不好的岩体内，
应采用曲墙圆趾圆拱截面
储存有压油品，无论岩体的强 度及稳定性如何，
应采用三心曲墙圆拱截面
3.水封洞库储存油气原理及构成
•3.2水封洞库结构组成 • （4）竖井（操作竖井）和泵坑 • 操作竖井是从地面垂直向下开挖的的圆形或方形通道， 用于安装油品进出运输管道、排水管道、仪表、电缆等设施， 是洞库与外界联系的唯一通道。 • 地面管线及仪表信号线均通过操作竖井与洞罐相连，一 般一个洞罐设一个操作竖井，也可设2个甚至3个竖井。 • 竖井开挖成圆形，这种形状受力较好。根据进出洞罐工 艺管线情况确定竖井直径，一般为3～7m。 • 在竖井下方洞罐底部设置泵坑。泵坑主要是收集裂隙水， 并用泵将裂隙水排出洞库外。产品液下泵也放在泵坑内，以 利于泵的冷却。泵坑结构断面尺寸一般与操作竖井相同，坑 深一般根据泵的结构尺寸决定，通常为15～30m。
• 在水平水幕孔施工过程中，钻头运动轨迹为抛物线，施 工至一定深度后将向下偏移至设计轴线高程位置，并随着钻 孔深度增加继续向下偏移，若水幕孔深度过深，则孔底偏移 量将超过允许公差，难以满足深度超100m的水幕孔施工。
• 通过开展了超深水幕孔施工工艺攻关，提高了钻孔精度， 取得了良好的经济效益，总结成工法并成功推广应用。
• 目前世界上采用人工或自然岩洞储存油气方式占统治地位， 仅用于储存天然气的地下库就有610多座，460多座是利用废旧油 气田，80座利用地下水藏，65座盐溶洞库。主要分布在俄罗斯、 美国、法国、加拿大、德国、英国、西班牙、比利时、挪威、韩 国、日本等国家。 • 我国石油储备绝大部分由一系列大型钢制储罐组成。
•4.2水幕系统计算分析与测试技术
• 4.2.4地下水封洞库超深水幕孔施工工法。
• 地下水封洞库工程水幕孔深度较大（100m），且倾斜和 孔底偏差精度要求高，施工技术难度大，偏差超标时需注浆 回填，并重新打孔。目前国内外水幕孔施工多采用调整开孔 上仰角、初始方位角、控制风压及钻速的方式进行水幕孔钻 孔精度控制，仅能保证60m左右孔深满足要求。
舟山国家石油储备地面罐区
江门油库爆炸场景
液化石油气储存球罐
2.地下水封洞库在我国的发展
2.1已建及在建水封洞库 我国第一座地下水封洞库黄岛地下水封石洞原油库，容量 为15万方，于1977年7月完成。至1989年8月共运行了289次， 进、出原油204万吨，随后停用。 我国第二座地下水封洞库1976年建设的浙江象山4万方柴 油地下库，经1990年代修复使用至今。 1980年代,我国先后进行勘察设计了黄岛二期地下水封石 洞原油库、泰安成品油库,后来停建。 直到1990年代中后期,我国才开始恢复建设地下水封洞库, 主要是液化石油气储库。
4.水封洞库施工关键技术
*集团公司、 中国中铁 科研项目
•4.1大型地下极硬岩超大断面洞室群减震爆破技术
• （1）通过爆破围岩损伤特征分析，制定了基于水幕密封 性的超大断面洞库爆破安全控制振速。基于水幕密封性要求 的爆破安全控制振速，研发了超大断面洞库“台阶逐层开挖 预裂爆破修边”的减振爆破方案，地表建筑物最大爆破震速 ＜1.1m/，围岩最大质点振速2.46cm/s，围岩爆破瞬间附加应 力仅为0.3MPa，有效降低了爆破振动对围岩的损伤，确保了 水幕密封性。
• 4.2.1单水幕孔试验研究。阐述了单水幕孔试验的试验设
计原理，明确了采用的试验仪器，优化并分析了试验流程。 研究出了单水幕孔渗透性与试验因素的关系，并根据相互关 系进行现场改进，取得了较好的效果。
• 4.2.2多水幕孔联合试验研究。通过对地下水封洞库各水
幕系统进行独立多水幕孔联合试验，提出了低效率水幕孔判 断标准，并根据判断标准指出了现场低效率水幕孔的分布， 针对分布情况采取相应的处理措施，完善了国内多水幕孔联 合试验的理论、判断标准及低效率水幕孔的处理方式，为后 续工程提供了借鉴。
地下水封洞库地下结构部分示意图
3.水封洞库储存油气原理及构成
•3.2水封洞库结构组成 • （1）施工巷道——与交通隧道斜井作用类似 • 地面与地下洞室间需建一条或几条通道。以便在洞室施 工前及施工中，将挖掘设备，施工时需要的水、电、压缩空 气、通风设备及人员运下去，并将挖掘的石渣、地下水排运 地面上。另外还要便于安装所需管道及相应设备。
2.地下水封洞库在我国的发展
•2.2水封洞库的发展趋势与前景 • 石油地下水封洞库在建设规模超过100万方时，建设投 资较经济。石油地下水封洞库工程一次投资较大、建设周期 较长，目前只有国家作为战略储备投资修建，今后将开发国 家与企业合作的模式投资修建，存储的油品也从原油向成品 油发展。 • 油气地下水封洞库在建设规模超过20万方时，其建设、 运营维护费用较经济。油气地下水封洞库工程由于一次性投 资不大、运营维护费用低和高安全性，受到国内外油气企业 的青睐。利用地下水封洞库储存压缩空气、CO2、H2 等是各 国科技工作者下一步研究的目标。 • 目前国家原油储备库和企业销售LPG储库在采用地下水 封洞库上已经有了一定的规模，在炼油石化企业采用地下水 封洞库，具有更大的优势，具有广阔的使用前景。