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        某地下水封石洞油庫工程水幕孔施工技術研究

        2014-09-17 12:12:06,,2
        長江科學院院報 2014年1期
        關鍵詞:水幕孔深鉆機

        ,,2

        (1.武警水電部隊第七支隊,武漢 430223;2.山東大學 土建與水利學院,濟南 250100)

        1 工程概述

        根據(jù)地下水封油庫的設計原理,原油洞罐建設在穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度,利用洞室周邊巖石裂隙水包裹油(或氣),實現(xiàn)水封效果。當洞庫周圍地下水的滲透壓力、滲流量超過一定標準時,就會影響地下水封洞庫的功能。某儲存洞庫設計在地下高程-20~-50 m,為了給地下洞庫系統(tǒng)提供穩(wěn)定的地下水位,滿足水封條件,在洞庫上方26.5 m設水幕系統(tǒng),系統(tǒng)由水幕巷道和水幕孔組成,水幕孔間距10 m,水幕巷道軸線與主洞軸線垂直,水幕孔與主洞室軸線平行,覆蓋整個洞庫。水幕巷道由5條洞室組成,洞室寬5 m,高4.5 m,直墻圓拱形,總長度為2 726 m,水幕巷道底板高程為+5 m,在水幕巷道內(nèi)垂直水幕巷道軸線方向每隔10 m鉆布設孔徑120 mm的水幕孔,孔深覆蓋主洞室壁以外10 m,水幕孔高程6.5 m。水幕孔把洞罐A、洞罐B、洞罐C分為8個區(qū),最大設計孔深105.4 m,最小設計孔深5.12 m,水幕孔總長度為44 435 m。

        2 施工技術要求

        (1) 水幕孔在任何點傾斜偏差均不得超過孔深5%。

        (2) 在鉆孔鉆進過程中,應避免鉆孔因鉆具和鉆桿的自重引起的自然往下傾斜,保證鉆孔精度要求,開孔傾角應上仰1°~2°。鉆孔及鉆井超出偏差范圍的孔應采用水泥進行封堵,并在旁邊另鉆一孔替代。

        (3) 每個水幕孔鉆進期間,每10 m要測量一次地下水流量,如水量較大影響鉆進時,宜用栓塞封堵該孔,并適當調整鉆孔位置。

        (4) 鉆孔不得鉆入儲庫周圍10 m的緩沖區(qū),個別不滿足精度要求進入緩沖區(qū)域的孔必須注漿封堵。

        (5) 孔深誤差不大于孔深的1%,孔底位置偏差值不得大于監(jiān)理人指示的控制標準。開孔位置誤差不大于10 cm。

        (6) 每個水幕孔鉆孔完成后,應立即進行徹底清洗,清除泥漿和碎屑。

        (7) 水幕孔注入水應符合生活用水標準。

        (8) 水幕孔平均滲透系數(shù)不大于8.64×10-3m/s。

        3 施工方法

        3.1 水幕孔造孔

        3.1.1 施工工藝

        施工準備→測量放線→鉆孔平臺修整→鉆機就位→鉆桿定位、定向校核→鉆進→孔口段校核→中孔段校核→終孔驗收→下一鉆孔。

        3.1.2 施工方法

        3.1.2.1 施工準備

        設備選型:由于水幕孔鉆孔深度大,最大深度為105.4 m,且要求精度高,要求選用的鉆機具有重量大、平衡性好、精度高等優(yōu)點,根據(jù)類似工程經(jīng)驗[1],選用英格索蘭MZ165型及威爾普165數(shù)顯型鉆機各2臺,見圖1。

        圖1 水幕孔造孔設備 Fig.1 Equipment of water curtain hole drilling

        3.1.2.2 鉆機固定

        (1) 水幕巷道開挖結束后,人工配合機械清理平整地面,并由25T壓路機碾壓密實平整。測量人員放線,復測,并在墻上做好標記,放出后視點,以保證方位角和孔位高程偏差。接通風水,電路,調試鉆機。

        (2) 鉆機就位后,將孔位點和后視點人工連線,通過微調液壓桿,使該線與鉆桿軸線重合。調整好傾角及方位角,采用全站儀檢查校核。

        (3) 在鉆機前后設置8根Φ25 mm,長度為50 cm插筋,入巖30 cm,Ф40 mm鋼管扣件進行鉆機加固,以便鉆進過程中鉆機不晃不擺。

        3.1.2.3 造 孔

        (1) 轉速。開鉆后0~10 m內(nèi)鉆速不大于30 rpm,掌握好鉆機推進壓力和風壓。在鉆進過程中及時記錄鉆進速度、回風、返渣等情況,以便及時調整鉆速、推進力、風壓等, 防止風壓、鉆速過大而造成飄孔[2]。

        (2) 扶正器。鉆機入巖1 m后停機,為防止孔斜過大,不符合要求,開始使用扶正器、降斜器[3]。由鉆工、機長、現(xiàn)場技術員復核傾角、方位角、鉆機是否有移動。若有偏差,則利用羅盤儀及時調整偏差,在5,10,30,40,50 m時分段進行孔精度檢查,若滿足精度要求繼續(xù)鉆進,不滿足則進行封孔,重新開孔。

        (3) 記錄。在鉆進過程中記錄員詳細記錄鉆進長度、返渣、巖石變化情況,現(xiàn)場技術員和機長根據(jù)記錄情況對巖石變化給出相對應的鉆進方案。

        (4) 調整。在鉆進過程中操作手不能離開操作平臺,憑借經(jīng)驗靠手感結合返渣情況,判斷巖石變化,給出相對應的鉆進方案。鉆進中,當發(fā)現(xiàn)巖層換層時,不論是軟變硬還是硬變軟,均要減壓,減速鉆進,推進力均加以適當調整。遇巖層穩(wěn)定性較差地段,利用低壓,低速小推進力鉆進;遇裂隙水發(fā)育的富水帶,則關閉高壓水泵,利用孔內(nèi)流水降塵,低壓、低轉速、高推進力鉆進;遇破碎帶層應低壓,高鉆速、高推進力鉆進,如在2#水幕巷道南側鉆進過程中,B406在6 m以后遇高嶺土,將風壓調至1/3,鉆速調為60 rpm,推進力為滿負荷推進,到30 m后停機退桿測斜,孔底為1°完全符合要求[4]。

        (5) 巡查。在鉆進中,勤檢查鉆機有無移動,加固筋是否松動,如發(fā)現(xiàn)有移動、松動現(xiàn)象,及時停機,重新加固,調整角度,以滿足施工要求。

        3.1.2.4 驗 收

        (1) 在鉆孔結束后,采用清潔壓水氣聯(lián)合方式?jīng)_洗,由技術員測斜,做電視成像,分析此區(qū)域巖石結構,保證測斜率為100%,電視成像為60%。

        (2) 當鉆孔偏差不符合要求時,報告設計、監(jiān)理方對該孔封堵注漿,重新布置孔位開孔。若該孔符合要求,驗收合格后,進行下一工序作業(yè)。

        3.1.3 鉆孔效果檢測

        水幕巷道水幕孔造孔分片區(qū)進行,共計造孔529個,其中孔深主要布置在A1區(qū),共計19個水幕孔,鉆孔最大上仰角度2°,最小上仰角度1.1°,統(tǒng)計最大偏差是-5.06 m,最小偏差是-3.16 m,根據(jù)水幕孔造孔偏差曲線總結得出一般在鉆進20 m左右時就開始下垂。具體鉆孔參數(shù)統(tǒng)計見表1。同時對設計孔深為105.4,104.1,96.12,94.75 m 4種水幕孔進行統(tǒng)計,鉆孔實際孔深、孔徑、上仰角度以及孔底偏差見表1、表2(其中表1為設計孔深105.4 m相應的鉆孔參數(shù),表2為設計孔深104.1,96.12,94.75 m相應的鉆孔參數(shù)),水幕孔鉆孔偏差-深度關系曲線見圖2。

        表1 設計孔深105.4 m水幕孔鉆孔參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of parameters for the water curtain hole drilling (hole length 105.4m)

        表2 設計孔深104.1m,96.12m,94.75m 水幕孔鉆孔參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of parameters for the water curtain hole drilling(hole length 104.1m,96.12m, and 94.75m)

        圖2 水幕孔鉆孔偏差-深度關系曲線Fig.2 Curves of deviation vs. length of water curtain hole drilling

        3.2 注水試驗

        3.2.1 工藝流程

        注水試驗采取分區(qū)分片進行,流程如下:

        水幕孔驗收合格→注入-回落試驗→水幕孔注水→有效性試驗(檢測是否增加水幕孔)→施工期水幕孔注水→下一片區(qū)注水試驗。水幕孔注水水表及壓力表安裝見圖3。

        圖3 水表及壓力表安裝Fig.3 Installation of water gauge and pressure gauge

        3.2.2 注入-回落試驗

        對單一水幕孔在完成鉆孔作業(yè)后的5 d內(nèi),進行水幕孔注入-回落試驗,主要步驟:

        (1) 做好孔口封堵,接上試驗儀表、閘閥、供水管路。

        (2) 關閉孔口栓塞,持續(xù)時間為15 min,記錄孔內(nèi)靜壓。

        (3) 水幕孔充水。充水壓力為0.3 MPa,當壓力穩(wěn)定至0.3 MPa后,持續(xù)充水15 min,之后對充水量進行連續(xù)記錄,記錄間隔5 min;當流量無持續(xù)變化趨勢,且連續(xù)5次流量值中最大值與最小值之差小于最終值的10%,取最終值作為0.3 MPa壓力下的穩(wěn)定沖水量,關閉閥門,停止充水,15 min后對孔內(nèi)壓力進行觀測,時間間隔為5 min;當壓力無持續(xù)變化趨勢,且連續(xù)5次壓力讀數(shù)中最大值與最小值之差小于最終值的10%,取最終值作為孔內(nèi)靜水壓力值,本次充水結束。

        (4) 水幕孔注水。打開注水閥門,對水幕孔進行注水,注水壓力為該孔靜水壓力加上0.3 MPa,對流量進行連續(xù)記錄,記錄間隔為5 min,當流量無持續(xù)變化趨勢,且連續(xù)5次流量值中最大值與最小值之差小于最終值的10%,取最終值作為該壓力下的穩(wěn)定注水量,本次注水試驗結束。

        (5) 回落觀測。停止注水,等待水幕孔內(nèi)水壓自然回落,記錄孔內(nèi)壓力變化,記錄間隔時間為5 min,持續(xù)回落90 min,連續(xù)5次壓力表讀數(shù)中最大值與最小值之差大于最終值的10%,則繼續(xù)觀測記錄至小于10%,若壓力值回落至0 MPa,則終止觀測。

        (6) 注水-回落試驗分析判斷。根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算該孔圍巖的平均滲透系數(shù),采用公式[5]

        q=Q/L·p。

        (1)

        式中:q為孔段的透水率(Lu);L為孔段長度(m);Q為注入水量(L/min);p為注水壓力(MPa)。

        經(jīng)過計算得出水幕孔平均滲透系數(shù)不大于8.64×10-3m/s,則該水幕孔注水-回落試驗結束。當?shù)贸鏊豢灼骄鶟B透系數(shù)大于8.64×10-3m/s時,對水幕孔分段壓水找出滲透系數(shù)較大部位進行灌漿處理。

        (7) 水幕孔進行注水-回落試驗完成后,馬上對該水幕孔注水,注水壓力為施工前水幕所處位置的天然靜水壓(0.3 MPa)。對該水幕孔注水直至進行水幕有效性試驗為止。注水期間,每間隔24 h記錄一次注水壓力和注入水量。

        3.2.3 有效性試驗

        通過有效性試驗觀測洞庫圍巖水文地質特征,根據(jù)觀測結果決定是否需要增加附加水幕孔來改善水幕系統(tǒng)效率。注水分區(qū)分片進行,A組洞室上部水幕為A區(qū),分A1-A7等7個批次進行注水;B組洞室上部水幕為B區(qū),分B1-B7等7個批次進行注水;C組洞室上部水幕為C區(qū),分C1-C8等8個批次進行注水,水幕孔施工分區(qū)詳見圖4。觀測人員進行水幕孔注水量、注水壓力記錄見圖5。

        圖4 水幕系統(tǒng)分區(qū)注水圖Fig.4 Partitioned water injection of the water curtain system

        圖5 觀測人員進行有效性試驗統(tǒng)計Fig.5 Photo of validity checking test

        有效性試驗首先選在2#水幕巷道A-3區(qū)進行,試驗分3個連續(xù)階段:

        (1) 第1階段,水幕孔水的靜壓分布觀測。試驗前,檢查水幕孔及其壓力表的完整和精度。關閉所有水幕孔的閥門,記錄所有水幕孔的靜壓力值,每隔12 h記錄一次壓力,一直持續(xù)到水幕孔內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定。觀測時間3 d。

        (2) 第2階段,第1個水動力狀態(tài)。打開試驗區(qū)偶數(shù)水幕孔閥門,關閉試驗區(qū)奇數(shù)水幕孔,記錄偶數(shù)水幕孔的水壓力和流量,記錄奇數(shù)水幕孔的水壓力,直到各孔的水壓力穩(wěn)定。偶數(shù)水幕孔注水時,若相鄰奇數(shù)水幕孔水壓力上升,則證明兩孔之間滲透良好,無需增加水幕孔;反之,若相鄰奇數(shù)水幕孔水壓力無明顯上升,則證明兩孔之間不滲透,則應增加水幕孔。

        (3) 第3階段,第2個水動力狀態(tài)。打開奇數(shù)水幕孔閥門,關閉偶數(shù)水幕孔閥門,記錄各孔的水壓力和流量,直到壓力穩(wěn)定。奇數(shù)水幕孔注水時,若相鄰偶數(shù)水幕孔水壓力上升,則證明兩孔之間滲透良好,無需增加水幕孔;反之,若相鄰偶數(shù)水幕孔水壓力無明顯上升,則證明兩水幕孔之間不滲透,則應增加水幕孔。

        有效性試驗一完成即決定是否增加水幕孔,增加水幕孔完成鉆孔后,該區(qū)域應采用同樣方法再進行局部有效性試驗,直至水幕系統(tǒng)符合設計要求為止。

        3.2.4 施工期水幕系統(tǒng)注水

        (1) 所有的水幕孔分別從總水管接分支出來,每孔單獨配置一套注水設備(包括栓塞、流量計、壓力表、調節(jié)閥及排水閥)。

        (2) 注水-回落試驗完成后,打開栓塞注水閥門,向水幕孔內(nèi)注水。

        (3) 對注入水幕孔的水進行以下測試,其結果符合以下設計要求:①注水壓力是施工前水幕所處位置的天然靜水壓,通過安裝在供水管線上的壓力調節(jié)裝置來調節(jié)壓力;②保持設備在整個施工期運行正常,每天記錄每個孔的注水壓力和流量。

        注入-回落試驗一完成,把供水管與栓塞相連,開始持續(xù)注水并觀測,保證設備在整個施工期正常運行,每條水幕巷道安排專人進行觀測記錄每個孔的注入壓力和流量,并對注水情況進行檢查,及時收集資料。

        3.2.5 注水試驗效果分析

        有效性注水試驗共計進行了12次,經(jīng)過觀測數(shù)據(jù)分析計算,其中有5次需要增加水幕孔,增加水幕孔106個,具體增加水幕孔孔數(shù)見表3。

        表3 新增水幕孔個數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Statistics of newly added water curtain holes

        4 經(jīng)驗與體會

        (1) 結合統(tǒng)計資料及現(xiàn)場實際情況,影響水幕孔造孔精度主要原因有:①造孔設備選型很關鍵,根據(jù)地質條件要選用合適的鉆孔設備;②鉆進速度控制也是影響造孔精度原因之一;③為減小鉆孔偏差,水幕孔開鉆要上仰一定的角度;④鉆機定位加固是影響鉆孔精度直接原因;⑤增加扶正器防止在鉆進過程中由于鉆桿自重下垂;結合所選用鉆孔設備,長水平孔鉆孔精度經(jīng)過現(xiàn)場控制,是能滿足設計要求的。

        (2) 從觀測統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析計算,影響水幕孔注水試驗效果主要因素有:①人為因素,觀測人員觀測數(shù)據(jù)準確性的影響;②水幕孔孔內(nèi)部分不良地質條件影響。

        參考文獻:

        [1] 王 豐,劉 章. 水平定向鉆孔技術的改進與應用[J].水利水電科技進展, 2013, 33(4): 54-56,77.(WANG Feng, LIU Zhang. Improvement and Application of Horizontal Directional Drilling Technology[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2013, 33(4): 54-56,77. (in Chinese))

        [2] 姚寧平. 我國煤礦井下近水平定向鉆進技術的發(fā)展[J]. 煤田地質與勘探,2008, 36(4): 78-80.(YAO Ning-ping. Development Trend of Nearly Horizontal Directional Drilling Technology in Coal Mines of China[J]. Coal Geology & Exploration, 2008, 36(4): 78-80.(in Chinese))

        [3] 劉小力. 三峽船閘高邊坡預應力錨索造孔施工[J]. 水利水電技術,2004, 35(7): 37-40.(LIU Xiao-li. Construction of Making Prestressed Cable Holes for the High Slopes of Three Gorges Project Ship Lock[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2004, 35(7): 37-40.(in Chinese))

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        [5] DL/T 5331—2005,水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程[S]. (DL/T 5331—2005, Code of Water Pressure Test in Borehole for Hydropower and Water Resources Engineering[S]. (in Chinese))

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