周福友 許文年 周正軍 楊 平

（1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.武警水電三峽工程指揮部，武漢 430000）

地下水封洞庫(kù)儲(chǔ)油對(duì)比其他儲(chǔ)油方式具有占地少、投資少、損耗少、污染小、運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用低、安全性能高、裝卸速度快等優(yōu)勢(shì)，已被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于石油石化產(chǎn)品的儲(chǔ)存［1］.某地國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)工程原油洞罐區(qū)是國(guó)家“十二五”重點(diǎn)工程，也是國(guó)內(nèi)首個(gè)大型地下原油儲(chǔ)備洞庫(kù)，具有“工程規(guī)模大、跨度大、斷面大、邊墻高”，施工通道布置復(fù)雜，施工干擾強(qiáng)烈，通風(fēng)難度大，工期緊且強(qiáng)度大、工程施工技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)，其施工質(zhì)量的好壞將最終決定工程建成后能否長(zhǎng)期、安全、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，以滿足國(guó)家石油儲(chǔ)備需求.因此，基于地下水封洞庫(kù)工程的特點(diǎn)，對(duì)工程的施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)研究具有現(xiàn)實(shí)意義.

1 工程概況

某地國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)工程位于某市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)規(guī)劃的石化工業(yè)區(qū)內(nèi)，占地面積57.11公頃，地下洞庫(kù)設(shè)計(jì)儲(chǔ)量300萬(wàn)m3，工程主體包括地下工程和地上輔助設(shè)施兩部分.其中，地下工程是洞庫(kù)工程的核心，主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成.

1.1 水文氣象

洞庫(kù)工程所在區(qū)域?yàn)槿A北暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，受海洋環(huán)境影響，空氣濕潤(rùn)、氣候溫和、四季分明，具有春遲、夏涼、秋爽、冬長(zhǎng)的特點(diǎn).近百年氣象資料統(tǒng)計(jì)表明:區(qū)域年平均氣溫為12.3℃，多年平均風(fēng)速為2.8m／s，春夏兩季以南風(fēng)、東南風(fēng)為主，冬季以北風(fēng)、西北風(fēng)為主，秋季南風(fēng)、北風(fēng)相當(dāng).由于臨海，該地區(qū)霧大頻繁，年平均濃霧天51.3d，年平均相對(duì)濕度74%，夏季最高.

據(jù)降雨量統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)年平均降水量介于711.2～798.6mm之間，年內(nèi)各季降水量分配不均勻，汛期（6～9月）占70%～76%，多集中于幾次暴雨，枯水期（3～5月）占13.5%，平水期僅占5.02%；年際間降水量變化懸殊，枯水年系列持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng).

1.2 工程、水文地質(zhì)

本水封洞庫(kù)工程區(qū)屬低山丘陵地貌，洞庫(kù)山體近東西走向，山脊高280.00～350.00m，山脊北側(cè)為陡崖，南側(cè)為陡坡，地形坡度一般為35～55°，山脊南北兩側(cè)發(fā)育近南北向及北東向沖溝，擬建洞庫(kù)巖體以Ⅱ、Ⅲ級(jí)為主.

洞庫(kù)區(qū)及其周圍的水井、地表水的水位為39.00～124.35m.地下水位變化與地形基本一致，且呈季節(jié)性變化，地下水位與降雨補(bǔ)給聯(lián)系緊密，水位年變幅0.5～3m；一般每年6月底左右地下水位出現(xiàn)最低值，到9月底達(dá)到最高.地下水化學(xué)類型為SO4·HCO3－Ca·Na型，對(duì)混凝土及混凝土中鋼筋無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性.

2 洞庫(kù)工程特點(diǎn)

地下水封洞庫(kù)工程對(duì)比一般地下工程具有顯著的特點(diǎn)，總結(jié)如下:該工程屬于地下洞室群工程，工程規(guī)模大、跨度大、斷面大、邊墻高，洞庫(kù)結(jié)構(gòu)多樣復(fù)雜，高邊墻開(kāi)挖支護(hù)難度大；工程地下交通均為隧洞式，加之地下建筑物布置密集，施工強(qiáng)度大，施工通道布置復(fù)雜，施工干擾問(wèn)題突出；工程地下洞室群埋深大、布置密集、通道復(fù)雜、通透性差，多工作面持續(xù)平行交叉作業(yè)，施工環(huán)境要求高且施工通風(fēng)難度大；施工任務(wù)重，工期緊；施工期間應(yīng)保持地下水位的變化幅度，嚴(yán)格控制滲流；洞庫(kù)表面為一級(jí)防火森林，豎井口處有農(nóng)田分布，工程施工過(guò)程中還要特別注重生態(tài)環(huán)境的保護(hù).

3 洞庫(kù)工程施工組織設(shè)計(jì)要點(diǎn)

從該地下水封洞庫(kù)工程的特點(diǎn)可知，該工程施工組織設(shè)計(jì)需重點(diǎn)解決的技術(shù)要點(diǎn)是:主體施工方案確定（洞庫(kù)開(kāi)挖施工規(guī)劃）、施工進(jìn)度控制、洞庫(kù)通風(fēng)、地下水處理、開(kāi)挖和支護(hù)措施、施工管理以及施工平面布置等.

3.1 主體施工方案

該地下水封洞庫(kù)工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)、施工巷道及相應(yīng)的臨建設(shè)施項(xiàng)目等組成，工程量龐大且洞庫(kù)構(gòu)造復(fù)雜，針對(duì)洞庫(kù)主體工程，選擇合適的施工方案以協(xié)調(diào)各施工程序是工程得以順利展開(kāi)的前提條件.

本工程開(kāi)挖土石方量大并且洞庫(kù)施工相互影響，因此施工巷道和通風(fēng)巷道根據(jù)圍巖級(jí)別不同采用適當(dāng)?shù)谋品椒ㄟM(jìn)行開(kāi)挖，已開(kāi)挖的范圍應(yīng)及時(shí)進(jìn)行安全處理并進(jìn)行支護(hù).此外，圍巖在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)密切監(jiān)測(cè)地下水位變化并采取相應(yīng)的注漿防滲措施.圍巖開(kāi)挖程序如圖1所示.豎井用以改善地下各洞室的通風(fēng)排煙條件，基于工程地下施工環(huán)境的復(fù)雜性考慮，采用正井法自上而下進(jìn)行施工，此施工方法便于開(kāi)挖后土石渣的清理、通風(fēng)排煙以及地下水的監(jiān)測(cè).

圖1 圍巖開(kāi)挖程序

主洞室開(kāi)挖規(guī)模較大，為確保開(kāi)挖過(guò)程圍巖穩(wěn)定，按照4層分別進(jìn)行施工，如圖2所示.主洞室在開(kāi)挖過(guò)程中需重點(diǎn)做好開(kāi)挖過(guò)程中的探水和控制滲流工作，開(kāi)挖后應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行合理的支護(hù).

圖2 主洞室開(kāi)挖分層示意圖

水幕系統(tǒng)工程施工為地下洞庫(kù)提供穩(wěn)定的地下水位以滿足水封條件.本工程在覆蓋洞庫(kù)上方高程25m設(shè)水幕系統(tǒng)，由水幕巷道和水幕孔組成，水幕孔間距10m，水幕巷道軸線與主洞軸線垂直，水幕孔軸線與主洞室軸線平行，水幕孔覆蓋整個(gè)洞庫(kù)上方，旨在保證穩(wěn)定的地下水位線.

3.2 施工進(jìn)度控制

該地下水封洞庫(kù)工程，工作量大，工期緊，因此要進(jìn)行嚴(yán)格的施工進(jìn)度控制，以確保工程保質(zhì)保量地完成.在本工程中，首先利用網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃以正常的工期估算編制工程施工進(jìn)度計(jì)劃，再采用關(guān)鍵線路壓縮法［2－5］，得到最優(yōu)方案.

以工程工期為目標(biāo)、以最優(yōu)的資源配置和合理科學(xué)的施工組織安排為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)優(yōu)化和研究后將工程分為施工巷道開(kāi)挖支護(hù)、水幕巷道及注水孔、豎井、通風(fēng)巷道和通風(fēng)豎井、主洞室和施工巷道封堵等6個(gè)分部工程共計(jì)23個(gè)關(guān)鍵工序，工程總工期約31個(gè)月，2011年4月15日工程開(kāi)工，2013年11月中旬竣工.工期要求的施工總體程序安排見(jiàn)表1.

表1 施工總體程序安排

工程以施工巷道和主洞室施工為主，同時(shí)協(xié)調(diào)處理好水幕巷道、通風(fēng)巷道、通風(fēng)豎井及主洞室進(jìn)、出油豎井施工，確保工程總體協(xié)調(diào)推進(jìn).

3.3 洞庫(kù)通風(fēng)

該地下水封洞庫(kù)工程主要依靠通風(fēng)系統(tǒng)供給地下洞室群的施工開(kāi)挖用風(fēng)，包括洞罐、連接巷道、水幕巷道、操作豎井、施工巷道等的開(kāi)挖用風(fēng).根據(jù)洞庫(kù)施工多樣性以及施工巷道的復(fù)雜性，施工用風(fēng)設(shè)備采用潛孔鉆、手風(fēng)鉆、濕噴機(jī)，按照施工方案和工作面需求并考慮風(fēng)壓損失、管道摩阻損失及管道漏風(fēng)損失后進(jìn)行合理布置.施工用風(fēng)采用分階段集中供風(fēng)，并輔以移動(dòng)供風(fēng).施工用風(fēng)量按式（1）進(jìn)行計(jì)算.根據(jù)通風(fēng)方案和通風(fēng)量，計(jì)算得到工程施工中主要通風(fēng)設(shè)備用風(fēng)需求量.

式中，∑Q為同時(shí)工作的鉆孔等機(jī)具總耗風(fēng)量；N為同時(shí)工作的同類型鉆孔等機(jī)具的數(shù)量；q為每臺(tái)機(jī)具的耗風(fēng)量；K1為鑿巖機(jī)同時(shí)工作時(shí)的折減系數(shù)，1～10臺(tái)取1～0.85，11～30臺(tái)取0.85～0.75，其他用風(fēng)設(shè)備1～2臺(tái)取1～0.75，本設(shè)計(jì)鉆具取0.85；K2為機(jī)具損耗系數(shù)，鉆具取1.15，其他取1.10；K3為管路風(fēng)量損耗漏風(fēng)系數(shù)，1km內(nèi)取1.1，1～2km取1.15，2km以上取1.2.

3.4 地下水處理

地下水位是影響該地下水封洞庫(kù)工程施工的關(guān)鍵因素之一.地下水的滲流會(huì)影響巷道、洞庫(kù)和豎井等工程的開(kāi)挖施工進(jìn)度，但是水封洞庫(kù)卻必須位于充分的地下水位之下，利用“水封”的方式儲(chǔ)存油（氣）品.因此，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)洞庫(kù)施工中地下水位及其滲流量變化，對(duì)圍巖采取適當(dāng)?shù)淖{處理保證圍巖的密封性，是工程施工的關(guān)鍵技術(shù)之一［6］.

3.4.1 涌水量預(yù)測(cè)

在本洞庫(kù)工程中，不考慮各洞室之間的干擾和施工巷道、水幕巷道的施工影響，以及豐水和枯水季節(jié)的變化，洞長(zhǎng)（L）均按5549m計(jì)算.預(yù)測(cè)主洞室單位長(zhǎng)度最大涌水量（q0）在0.0818～0.138m3／d之間，最大涌水量（Q）在455.63～768.52m3／d之間；預(yù)測(cè)洞庫(kù)施工巷道最大涌水量見(jiàn)表2.水幕巷道單位長(zhǎng)度最大涌水量（q0）在0.0412～0.0637m3／d之間，單組最大涌水量（Q）在111.193～172.064m3／d之間.施工期間，根據(jù)預(yù)測(cè)涌水量采取相應(yīng)的排水和注漿措施.

表2 預(yù)測(cè)洞庫(kù)施工巷道最大涌水量

3.4.2 開(kāi)挖施工中地下水處理措施

施工巷道及通風(fēng)巷道洞身開(kāi)挖前，首先在洞身四周打鉆探孔，測(cè)量水流量，并根據(jù)水流量大小決定是否先進(jìn)行預(yù)注漿.不需要注漿的部位可開(kāi)始爆破施工，需注漿的部位需等注漿凝固后（最少6h）才能開(kāi)始爆破施工.對(duì)于主洞庫(kù)，在開(kāi)挖施工過(guò)程中，重點(diǎn)做好開(kāi)挖過(guò)程中的探水和控制滲流工作，在開(kāi)挖施工過(guò)程中出現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)滲流時(shí)滯后開(kāi)挖工作面30m進(jìn)行固結(jié)（堵水灌漿）施工，主洞室在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地下水滲流量保持持續(xù)的監(jiān)測(cè)，如圖3所示.

圖3 主洞室在開(kāi)挖過(guò)程中滲流量的控制

3.5 工程開(kāi)挖

主體工程施工方案中選用爆破法對(duì)土石進(jìn)行開(kāi)挖.根據(jù)圍巖類型和施工安全性考慮采用相應(yīng)的爆破方法.

施工巷道開(kāi)挖運(yùn)用三臂鑿巖臺(tái)車和自制鉆爆臺(tái)車，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖采用全斷面鉆爆法施工，Ⅴ類圍巖采用中下導(dǎo)洞先行再擴(kuò)挖的方式進(jìn)行施工.通風(fēng)巷道采用自制鉆爆臺(tái)車，先進(jìn)行洞口土石方明挖施工，再進(jìn)行巷道洞挖施工，采用全斷面鉆爆法.

主洞室（開(kāi)挖分層如圖2所示）第1層采用中導(dǎo)洞先行與兩側(cè)擴(kuò)挖跟進(jìn)的方式進(jìn)行施工，中導(dǎo)洞寬度10m，拱頂高度9m，兩側(cè)寬度均為5m，拱頂高度8 m.第2、3層開(kāi)挖施工采用中部施工預(yù)裂梯段抽槽先行與兩側(cè)保護(hù)側(cè)預(yù)裝藥滯后光面爆破開(kāi)挖跟進(jìn)的方式進(jìn)行開(kāi)挖.

水幕巷道開(kāi)挖及水幕孔造孔應(yīng)先于其下部主洞室第1層開(kāi)挖，以便進(jìn)行水幕孔注水并處理洞室頂拱防滲堵漏工作，各組洞罐主洞室第2層開(kāi)挖前其上部水幕孔注水要全部完成.由于水幕巷道埋深較深，除層內(nèi)、層間錯(cuò)動(dòng)帶外，巖性較好，大部分均為Ⅲ類以上圍巖且斷面較小，擬采用全斷面開(kāi)挖法；對(duì)于Ⅱ、Ⅲ類圍巖每循環(huán)進(jìn)尺2.5m，對(duì)局部Ⅳ類圍巖堅(jiān)持“短進(jìn)尺，弱爆破”的原則，每循環(huán)進(jìn)尺取1.9m.

3.6 圍巖支護(hù)處理

洞庫(kù)在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)根據(jù)圍巖的穩(wěn)定評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行支護(hù)處理.本工程中豎井開(kāi)挖時(shí)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用“一掘一支護(hù)”的循環(huán)方式，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用“兩掘一支護(hù)”的循環(huán)方式.水幕巷道開(kāi)挖按照圍巖類別進(jìn)行隨機(jī)錨桿支護(hù)或錨噴支護(hù).

主洞庫(kù)開(kāi)挖，Ⅱ類圍巖在開(kāi)挖作業(yè)循環(huán)中只考慮部分臨時(shí)支護(hù)施工；Ⅲ類圍巖洞段滯后開(kāi)挖工作面30m左右，在開(kāi)挖作業(yè)循環(huán)中只考慮巖面初噴及部分錨桿支護(hù)將部分占用直線工期；Ⅳ類圍巖按照緊急支護(hù)程序隨洞挖及時(shí)跟進(jìn)，支護(hù)施工采用先噴后錨的工序組織作業(yè).地質(zhì)條件較差洞段采取超前錨桿和型鋼拱架聯(lián)合支護(hù)措施.對(duì)圍巖條件較差的部位，經(jīng)過(guò)地質(zhì)工程師判別綜合考慮后對(duì)斷面頂拱進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)或安裝臨時(shí)鋼支撐進(jìn)行支護(hù)或減小開(kāi)挖斷面.

3.7 施工管理

本地下水封洞庫(kù)工程施工過(guò)程復(fù)雜，技術(shù)難度大.基于項(xiàng)目的重要性考慮，全面按照項(xiàng)目法施工原則進(jìn)行管理，利用矩陣式進(jìn)行項(xiàng)目結(jié)構(gòu)組織以達(dá)到有效利用資源的目的.預(yù)先對(duì)施工各階段的人力、機(jī)械設(shè)備、材料物資及資金供應(yīng)進(jìn)行計(jì)劃，確保在施工過(guò)程中應(yīng)能對(duì)不適合的設(shè)備及時(shí)更換，不影響施工進(jìn)度安排，以滿足施工強(qiáng)度的要求.圖4為項(xiàng)目管理機(jī)構(gòu)圖.

圖4 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工管理組織機(jī)構(gòu)圖

3.8 施工平面布置

本地下水封洞庫(kù)采用多層面作業(yè)，施工干擾大，施工平面布置的合理性是后續(xù)施工工序順利展開(kāi)的保障.本工程中按因地制宜、緊湊實(shí)用、交通運(yùn)輸暢通、施工方便、減少干擾、節(jié)約用地、調(diào)度靈活等原則進(jìn)行施工圖平面布置.

3.8.1 道路布置

道路布置時(shí)根據(jù)洞庫(kù)施工要求，有利于機(jī)械化強(qiáng)度施工，結(jié)合施工分區(qū)進(jìn)行布置以減少干擾，修建環(huán)形道路以保證交通通暢，滿足坡度、照明排水等條件以及主洞室開(kāi)挖高峰時(shí)段的運(yùn)輸要求.

3.8.2 施工用水、用電

水源從市政供水系統(tǒng)接入，水管按行程最短、效率最高的原則進(jìn)行布置.工程施工用電主要是施工照明、排水等用電，在排水作業(yè)中考慮工程用電量的需求，自設(shè)變電站以及配備柴油發(fā)電機(jī)組備用電源.

3.8.3 制漿站和混凝土攪拌站

本地下水封洞庫(kù)為地下工程，為解決施工過(guò)程中存在的漏水、滲流等情況以及隧洞混凝土襯砌、施工巷道及豎井封堵，需要采取相應(yīng)的灌漿措施，本工程鉆孔灌漿主要包括回填灌漿、固結(jié)灌漿（含堵水灌漿）、接觸灌漿、排水孔施工等.考慮到本工程的鉆孔灌漿工作面、工程量比較分散的特點(diǎn)，制漿站隨灌漿部位變化進(jìn)行移設(shè).

本工程混凝土施工項(xiàng)目主要包括施工巷道、主洞室、水幕巷道、通風(fēng)巷道Ⅳ、Ⅴ類圍巖的洞身混凝土襯砌，豎井襯砌混凝土，施工巷道、連接巷道路面混凝土，施工巷道、主洞室找平混凝土，豎井、施工巷道封塞混凝土等，考慮到鉆孔灌漿工作面、工程量比較分散的特點(diǎn)，全部采用商品混凝土，不在施工現(xiàn)場(chǎng)另建混凝土拌和系統(tǒng).

4 結(jié) 論

該工程具有“工程規(guī)模大、跨度大、斷面大、邊墻高”的特性，洞庫(kù)結(jié)構(gòu)、高邊墻開(kāi)挖支護(hù)多樣復(fù)雜，因此，本文結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)施工巷道及豎井、洞庫(kù)、水幕系統(tǒng)進(jìn)行施工方案規(guī)劃，提出了相應(yīng)施工程序及方法，以確保施工的順利進(jìn)行.

此地下水封洞庫(kù)工程具有“工期緊、施工高峰強(qiáng)度大”等特點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)施工總工期進(jìn)行優(yōu)化研究，對(duì)整個(gè)工程總工序進(jìn)行了科學(xué)合理的布置，為后續(xù)施工工序的展開(kāi)奠定了基礎(chǔ).

施工方案中以“平面多工序，立體多層次”為宗旨，合理設(shè)計(jì)施工通道、組織多層次、多工作面的開(kāi)挖、支護(hù)平行交叉作業(yè).做到工序搭接合理、消除施工干擾、加快施工進(jìn)度；通風(fēng)巷道和通風(fēng)豎井盡早貫通，使施工巷道和洞室有良好通風(fēng)條件，減少作業(yè)循環(huán)時(shí)間、改善作業(yè)環(huán)境，提高施工效率.

工程中對(duì)于地下水的處理、圍巖的開(kāi)挖以及支護(hù)的施工，運(yùn)用了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)地下工程的施工經(jīng)驗(yàn)，為今后類似工程建設(shè)提供寶貴的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

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