地下水封洞庫工程施工組織設計要點分析

周福友 許文年 周正軍 楊 平

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

地下水封洞庫儲油對比其他儲油方式具有占地少、投資少、損耗少、污染小、運營管理費用低、安全性能高、裝卸速度快等優(yōu)勢，已被越來越廣泛地應用于石油石化產品的儲存［1］.某地國家石油儲備地下水封洞庫工程原油洞罐區(qū)是國家“十二五”重點工程，也是國內首個大型地下原油儲備洞庫，具有“工程規(guī)模大、跨度大、斷面大、邊墻高”，施工通道布置復雜，施工干擾強烈，通風難度大，工期緊且強度大、工程施工技術復雜等特點，其施工質量的好壞將最終決定工程建成后能否長期、安全、優(yōu)質運行，以滿足國家石油儲備需求.因此，基于地下水封洞庫工程的特點，對工程的施工組織設計進行精細設計研究具有現(xiàn)實意義.

1 工程概況

某地國家石油儲備地下水封洞庫工程位于某市經濟開發(fā)區(qū)規(guī)劃的石化工業(yè)區(qū)內，占地面積57.11公頃，地下洞庫設計儲量300萬m3，工程主體包括地下工程和地上輔助設施兩部分.其中，地下工程是洞庫工程的核心，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

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

據降雨量統(tǒng)計，該地區(qū)年平均降水量介于711.2～798.6mm之間，年內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)時間較長.

1.2 工程、水文地質

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

洞庫區(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月底達到最高.地下水化學類型為SO4·HCO3－Ca·Na型，對混凝土及混凝土中鋼筋無腐蝕性，對鋼結構具有弱腐蝕性.

2 洞庫工程特點

地下水封洞庫工程對比一般地下工程具有顯著的特點，總結如下: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，洞庫結構多樣復雜，高邊墻開挖支護難度大；工程地下交通均為隧洞式，加之地下建筑物布置密集，施工強度大，施工通道布置復雜，施工干擾問題突出；工程地下洞室群埋深大、布置密集、通道復雜、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難度大；施工任務重，工期緊；施工期間應保持地下水位的變化幅度，嚴格控制滲流；洞庫表面為一級防火森林，豎井口處有農田分布，工程施工過程中還要特別注重生態(tài)環(huán)境的保護.

3 洞庫工程施工組織設計要點

從該地下水封洞庫工程的特點可知，該工程施工組織設計需重點解決的技術要點是:主體施工方案確定（洞庫開挖施工規(guī)劃）、施工進度控制、洞庫通風、地下水處理、開挖和支護措施、施工管理以及施工平面布置等.

3.1 主體施工方案

該地下水封洞庫工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)、施工巷道及相應的臨建設施項目等組成，工程量龐大且洞庫構造復雜，針對洞庫主體工程，選擇合適的施工方案以協(xié)調各施工程序是工程得以順利展開的前提條件.

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

圖1 圍巖開挖程序

主洞室開挖規(guī)模較大，為確保開挖過程圍巖穩(wěn)定，按照4層分別進行施工，如圖2所示.主洞室在開挖過程中需重點做好開挖過程中的探水和控制滲流工作，開挖后應根據圍巖地質情況進行合理的支護.

圖2 主洞室開挖分層示意圖

水幕系統(tǒng)工程施工為地下洞庫提供穩(wěn)定的地下水位以滿足水封條件.本工程在覆蓋洞庫上方高程25m設水幕系統(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，水幕孔覆蓋整個洞庫上方，旨在保證穩(wěn)定的地下水位線.

3.2 施工進度控制

該地下水封洞庫工程，工作量大，工期緊，因此要進行嚴格的施工進度控制，以確保工程保質保量地完成.在本工程中，首先利用網絡計劃以正常的工期估算編制工程施工進度計劃，再采用關鍵線路壓縮法［2－5］，得到最優(yōu)方案.

以工程工期為目標、以最優(yōu)的資源配置和合理科學的施工組織安排為標準，經優(yōu)化和研究后將工程分為施工巷道開挖支護、水幕巷道及注水孔、豎井、通風巷道和通風豎井、主洞室和施工巷道封堵等6個分部工程共計23個關鍵工序，工程總工期約31個月，2011年4月15日工程開工，2013年11月中旬竣工.工期要求的施工總體程序安排見表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，同時協(xié)調處理好水幕巷道、通風巷道、通風豎井及主洞室進、出油豎井施工，確保工程總體協(xié)調推進.

3.3 洞庫通風

該地下水封洞庫工程主要依靠通風系統(tǒng)供給地下洞室群的施工開挖用風，包括洞罐、連接巷道、水幕巷道、操作豎井、施工巷道等的開挖用風.根據洞庫施工多樣性以及施工巷道的復雜性，施工用風設備采用潛孔鉆、手風鉆、濕噴機，按照施工方案和工作面需求并考慮風壓損失、管道摩阻損失及管道漏風損失后進行合理布置.施工用風采用分階段集中供風，并輔以移動供風.施工用風量按式（1）進行計算.根據通風方案和通風量，計算得到工程施工中主要通風設備用風需求量.

式中，∑Q為同時工作的鉆孔等機具總耗風量；N為同時工作的同類型鉆孔等機具的數(shù)量；q為每臺機具的耗風量；K1為鑿巖機同時工作時的折減系數(shù)，1～10臺取1～0.85，11～30臺取0.85～0.75，其他用風設備1～2臺取1～0.75，本設計鉆具取0.85；K2為機具損耗系數(shù)，鉆具取1.15，其他取1.10；K3為管路風量損耗漏風系數(shù)，1km內取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工程施工的關鍵因素之一.地下水的滲流會影響巷道、洞庫和豎井等工程的開挖施工進度，但是水封洞庫卻必須位于充分的地下水位之下，利用“水封”的方式儲存油（氣）品.因此，嚴密監(jiān)測洞庫施工中地下水位及其滲流量變化，對圍巖采取適當?shù)淖{處理保證圍巖的密封性，是工程施工的關鍵技術之一［6］.

3.4.1 涌水量預測

在本洞庫工程中，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（L）均按5549m計算.預測主洞室單位長度最大涌水量（q0）在0.0818～0.138m3／d之間，最大涌水量（Q）在455.63～768.52m3／d之間；預測洞庫施工巷道最大涌水量見表2.水幕巷道單位長度最大涌水量（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，根據預測涌水量采取相應的排水和注漿措施.

表2 預測洞庫施工巷道最大涌水量

3.4.2 開挖施工中地下水處理措施

施工巷道及通風巷道洞身開挖前，首先在洞身四周打鉆探孔，測量水流量，并根據水流量大小決定是否先進行預注漿.不需要注漿的部位可開始爆破施工，需注漿的部位需等注漿凝固后（最少6h）才能開始爆破施工.對于主洞庫，在開挖施工過程中，重點做好開挖過程中的探水和控制滲流工作，在開挖施工過程中出現(xiàn)超標準滲流時滯后開挖工作面30m進行固結（堵水灌漿）施工，主洞室在開挖過程中對地下水滲流量保持持續(xù)的監(jiān)測，如圖3所示.

圖3 主洞室在開挖過程中滲流量的控制

3.5 工程開挖

主體工程施工方案中選用爆破法對土石進行開挖.根據圍巖類型和施工安全性考慮采用相應的爆破方法.

施工巷道開挖運用三臂鑿巖臺車和自制鉆爆臺車，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖采用全斷面鉆爆法施工，Ⅴ類圍巖采用中下導洞先行再擴挖的方式進行施工.通風巷道采用自制鉆爆臺車，先進行洞口土石方明挖施工，再進行巷道洞挖施工，采用全斷面鉆爆法.

主洞室（開挖分層如圖2所示）第1層采用中導洞先行與兩側擴挖跟進的方式進行施工，中導洞寬度10m，拱頂高度9m，兩側寬度均為5m，拱頂高度8 m.第2、3層開挖施工采用中部施工預裂梯段抽槽先行與兩側保護側預裝藥滯后光面爆破開挖跟進的方式進行開挖.

水幕巷道開挖及水幕孔造孔應先于其下部主洞室第1層開挖，以便進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、層間錯動帶外，巖性較好，大部分均為Ⅲ類以上圍巖且斷面較小，擬采用全斷面開挖法；對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖每循環(huán)進尺2.5m，對局部Ⅳ類圍巖堅持“短進尺，弱爆破”的原則，每循環(huán)進尺取1.9m.

3.6 圍巖支護處理

洞庫在開挖過程中應根據圍巖的穩(wěn)定評價結果進行支護處理.本工程中豎井開挖時，Ⅳ、Ⅴ類圍巖采用“一掘一支護”的循環(huán)方式，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖采用“兩掘一支護”的循環(huán)方式.水幕巷道開挖按照圍巖類別進行隨機錨桿支護或錨噴支護.

主洞庫開挖，Ⅱ類圍巖在開挖作業(yè)循環(huán)中只考慮部分臨時支護施工；Ⅲ類圍巖洞段滯后開挖工作面30m左右，在開挖作業(yè)循環(huán)中只考慮巖面初噴及部分錨桿支護將部分占用直線工期；Ⅳ類圍巖按照緊急支護程序隨洞挖及時跟進，支護施工采用先噴后錨的工序組織作業(yè).地質條件較差洞段采取超前錨桿和型鋼拱架聯(lián)合支護措施.對圍巖條件較差的部位，經過地質工程師判別綜合考慮后對斷面頂拱進行掛網噴護或安裝臨時鋼支撐進行支護或減小開挖斷面.

3.7 施工管理

本地下水封洞庫工程施工過程復雜，技術難度大.基于項目的重要性考慮，全面按照項目法施工原則進行管理，利用矩陣式進行項目結構組織以達到有效利用資源的目的.預先對施工各階段的人力、機械設備、材料物資及資金供應進行計劃，確保在施工過程中應能對不適合的設備及時更換，不影響施工進度安排，以滿足施工強度的要求.圖4為項目管理機構圖.

圖4 項目現(xiàn)場施工管理組織機構圖

3.8 施工平面布置

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

3.8.1 道路布置

道路布置時根據洞庫施工要求，有利于機械化強度施工，結合施工分區(qū)進行布置以減少干擾，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挖高峰時段的運輸要求.

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，自設變電站以及配備柴油發(fā)電機組備用電源.

3.8.3 制漿站和混凝土攪拌站

本地下水封洞庫為地下工程，為解決施工過程中存在的漏水、滲流等情況以及隧洞混凝土襯砌、施工巷道及豎井封堵，需要采取相應的灌漿措施，本工程鉆孔灌漿主要包括回填灌漿、固結灌漿（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，制漿站隨灌漿部位變化進行移設.

本工程混凝土施工項目主要包括施工巷道、主洞室、水幕巷道、通風巷道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，全部采用商品混凝土，不在施工現(xiàn)場另建混凝土拌和系統(tǒng).

4 結 論

該工程具有“工程規(guī)模大、跨度大、斷面大、邊墻高”的特性，洞庫結構、高邊墻開挖支護多樣復雜，因此，本文結合以往施工經驗，針對施工巷道及豎井、洞庫、水幕系統(tǒng)進行施工方案規(guī)劃，提出了相應施工程序及方法，以確保施工的順利進行.

此地下水封洞庫工程具有“工期緊、施工高峰強度大”等特點，通過網絡技術對施工總工期進行優(yōu)化研究，對整個工程總工序進行了科學合理的布置，為后續(xù)施工工序的展開奠定了基礎.

施工方案中以“平面多工序，立體多層次”為宗旨，合理設計施工通道、組織多層次、多工作面的開挖、支護平行交叉作業(yè).做到工序搭接合理、消除施工干擾、加快施工進度；通風巷道和通風豎井盡早貫通，使施工巷道和洞室有良好通風條件，減少作業(yè)循環(huán)時間、改善作業(yè)環(huán)境，提高施工效率.

工程中對于地下水的處理、圍巖的開挖以及支護的施工，運用了國內外先進地下工程的施工經驗，為今后類似工程建設提供寶貴的理論基礎和實踐經驗.

［1］時洪斌.黃島地下水封洞庫水封條件和圍巖穩(wěn)定性分析與評價［D］.北京:北京交通大學，2010.

［2］王夢恕，楊會軍.地下水封巖洞油庫設計、施工的基本原則［J］.中國工程科學，2008，10（4）:11－16.

［3］余 奎.水電水利工程招標設計階段施工組織設計工作的建議［J］.水力發(fā)電，2002（4）:33－37.

［4］張永慶，劉長利.網絡計劃法在廣電網絡工程施工組織設計中的應用［J］.廣播與電視技術，2002（7）:107－110.

［5］成 立，王小萍，黃志青，等.施工組織設計優(yōu)化［J］.建筑技術，2007，38（4）:311－312.

［6］胡德新，程鳳君.水封洞庫地下水的監(jiān)測與控制［J］.勘察科學技術，2009（6）:43－45.