黄岛地下水封洞库注浆堵水方案及应用研究

黄岛地下水封洞库注浆堵水方案及应用研究摘要：为确保地下水封洞库的正常运行，保证水封效果，洞库应在洞室开挖完成后及时进行灌浆堵水处理，以减少对地下水位的影响。以黄岛地下水封洞库为研究出发点，针对地下水封洞库在前期注浆施工中出现的细微裂隙透水不吸浆、回浆变浓，以及注浆质量检查孔压水试验透水率满足设计要求但仍存在面域渗水超标的施工部位，提出采用超细水泥浆液对渗水点进行浅孔密布后注浆施工，并进行检查孔透水率试验和检查孔注浆封孔。试验结果报告表明，本次超细水泥浅孔后注浆试验施工完成情况良好，渗流量及压水试验透水率均明显减少，注浆效果显著。关键词：水封洞库；超细水泥；浅孔后注浆；降低渗水量1引言石油作为世界各国经济发展的基础能源，由于其不可再生性，决定了在没有发现替代品之前，石油价值具有不可逆转的特性。由于我国国内石油资源不足，原油产量供需矛盾突出，缺乏健全完善的能源安全预警应急体系及国际公认的石油战略储备和商业储备等一系列因素，我国于2003年正式启动建立石油储备体系。地下水封洞库具有安全、储藏容量大、经济、环保等优点，因此近几十年得到了长足的发展。地下水封洞库的原理是利用洞室周边岩体裂隙水压力与洞库中的油压力之差封存洞库中的原油[1-3]。我国正加紧在东部沿海地区建造大型地下水封洞库工程，但是对于地下水封洞室的渗水性要求极高。有效的减少洞室渗流量，不仅可以保证地下渗流场稳定，还可延长工程使用寿命，降低洞库后期运行费用。本文研究黄岛国家石油储备地下水封洞库在渗水率满足设计要求但仍存在面域渗水超标的施工部位，采用超细水泥浅孔注浆技术[4-6]有效的解决面域渗水问题，且在实际工程中应用较广,并取得了良好的堵水效果和经济效益。2工程概况2.1洞库区概况黄岛地下水封洞库位于青岛市黄岛区，总占地面积约57.1公顷，包括地下工程和地上辅助设施两部分，设计石油储备库容300×104m3。地下工程主要由主洞室群、竖井、水幕系统及施工巷道等组成，主洞室群分成3组，每组3个洞室，共9个洞室，每组洞室之间由施工巷道连通。洞室群顶部设水幕系统，由水幕巷道和水幕孔组成，覆盖整个洞库上方，注水巷道底板高程+5.00m，宽5.0m，高4.5m，为城门洞型。2.2地质概况洞库区处于胶南台隆北缘，属低山丘陵地貌。库区内的地层岩性可分为4大类：第四系残坡积、洪积层（Q4el+dl+pl），早白垩世二长花岗岩(K1ηγ)，晚元古界花岗片麻岩(Pt3gg)，及早白垩世中煌斑岩脉、闪长岩脉(K1χ、δ)。主洞室埋深均较大，根据地质条件分析，主洞室围岩除个别不良地质带为Ⅳ、Ⅴ围岩、地质条件较差外，大部分为Ⅱ、Ⅲ类围岩，地质条件较好。洞库影响深度范围内各级岩体所占比例见表1。表1洞库各级岩体所占比例表2.3水文地质概况洞库区含水介质为晚元古界花岗片麻岩，地下水主要存类型为基岩裂隙水，裂隙水深度变化不一，主要受构造运动和结构面发育的影响。根据钻孔水位观测资料知库区内地下水位为93.07m~268.48m，地下水位变化幅度一般小于5m，地下水位变化基本与地形一致。主洞室⑨上层开挖揭露0+660m～0+690m洞段围岩为Ⅲ1级，此洞段地质条件较为特殊具有一定的代表性，故选取该洞段施工进行试验分析，其地质条件主要表现为岩石整体性较好、强度较高，但横向节理、节理组特别发育，节理发育密集区高达15～17条∕m，大部分节理被岩石碎屑、灰色硬质矿物、白色高岭土填充，此洞段大面积线状渗水。3水封洞库主洞室⑨0+660m～0+690m注浆堵水方案3.1注浆质量要求通过注浆在破碎带上方形成注浆隔水帷幕，封堵含水层的过水通道，使受注段的水封洞库渗水点水量有效降低，满足《黄岛国家石油储备地下水封洞库工程主动室及水幕巷道施工技术要求》和《地下水封石洞油库施工与质量验收规范》的要求。3.2水封洞库主洞室⑨0+660m～0+690m前期注浆施工情况3.2.1前期随机注浆施工情况为不影响地下水位下降，在未完成系统支护的情况下，对右侧顶拱两个渗水量达20～30L∕min的集中渗水点，先期进行随机后注浆封堵和系统后注浆施工，注浆孔布孔见图1。图1主洞⑨上0+660~主洞⑨0+690段随机后注浆布孔图3.2.2前期系统后注浆及深孔加密注浆施工情况随机后注浆施工结束后，渗水量下降至2～5L∕min。在完成系统后注浆施工后，渗水点发生位置变化，且向节理发育密集区集中，未取得理想效果。在查看现场围岩情况和地质展示图后，根据现场渗水迹线决定沿破碎带迹线两侧，分为左、右侧不同桩号段布设长10m相向45°斜穿后注浆孔，分两段进行施工（第一段4m、第二段6m），在破碎带上方形成帷幕，（见图2），但灌后收效甚微。图2主洞⑨上0+660~主洞⑨0+690段加密后注浆布孔图3.3超细水泥浅孔后注浆施工方案3.3.1注浆孔布置根据随机后注浆及系统后注浆成果进行了分析，发现此段后注浆吸水不吸浆，且部分注浆压力并未达到设计要求，故前两次后注浆未达到堵水目标。随后对主洞室⑨上层0+670m～0+683m中四个渗漏量较大的位置再一次进行面域渗水测量，渗水量分别为52.92L∕h、15.36L∕h、29.76L∕h、54.84L∕h，合计36.69L∕d·m2，渗水量较大。上述四个渗漏量较大渗水点主要沿着0+675节理迹线分布，最终采用浅孔密布方式对此段进行后注浆施工，要求注浆孔深5m，间排距1m×1m，倾向大桩号，外倾角45°，并按照环间分序、环内加密、孔内分段进行施工，具体布设详见（图3）Ⅰ序排、Ⅱ序排总后注浆平面图3后注浆平面示意图3.3.2超细水泥浅孔后注浆深度和段高分析知此洞段以微小节理为主，普通硅酸盐水泥颗粒较大导致无法注入节理内，决定采用1250目的超细水泥浅孔密布方式对此段进行后注浆施工，要求注浆孔深5m。注浆段高是指一次注浆的钻孔长度,分段注浆是保证注浆质量的重要技术措施之一[7]。段高的大小依据含水层赋存状况、裂隙发育程度及连通性、富水性、地层受注能力及注浆能力等确定,同时也要满足《黄岛国家石油储备地下水封洞库工程主动室及水幕巷道施工技术要求》和《地下水封石洞油库施工与质量验收规范》的要求，对注浆层段的划分如表2所示。表2注浆段分布一览表3.3.3注浆参数花岗岩微裂隙浆液的有效扩散半径约为0.5m，注浆孔间排距为1m×1m，倾向大桩号，外倾角45°，采用分段注浆方式，第一段最大注浆压力1.0Mpa，第二段最大注浆压力2.5Mpa。3.3.4注浆材料根据主洞室固结注浆施工中出现的细微裂隙透水不吸浆、回浆变浓等情况，针对注浆质量检查满足设计要求但仍存在渗水超标的施工部位，选用直径满足Dmax≤35.0μm、D50≤6～10μm的超细水泥颗粒进行加密注浆，提高较小裂隙可注性和浆液扩散半径。制浆用水必须符合拌制水工混凝土用水的要求，PH=7。水泥浆液均采用水灰比2:1、1:1和0.5:1（重量比）三个比级进行注浆，开注时注水灰比2:1，由稀到浓逐级改变，并遵循如下浆液变换原则：a.当注浆压力保持不变，注入率持续减少，或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不得改变水灰比。b.当注入率大于30L/min时，根据具体情况越级变浓；当某一比级水灰比浆液的注入量已达到300L以上，或注浆时间已达30min，而注浆压力和注入率均无显著变化时，改浓一级水灰比注浆。3.3.5注浆方式因地下水封洞室注浆孔深小，主洞室段横向节理、节理组特别发育，节理发育密集区高达15～17条∕m，大部分节理被岩石碎屑、灰色硬质矿物、白色高岭土填充，故采用循环式注浆法，环（排）间分两序。3.4超细水泥浆浅孔注浆堵水工艺与施工注浆钻孔施工质量的优劣,对注浆效果影响很大。因此在钻孔施工中应严格按钻孔勘探规范及注浆施工组织设计的要求,严格控制钻孔施工质量,提高注浆效果。注浆钻孔不同于一般的地质勘探钻孔,有些特殊要求。注浆孔的结构是指钻孔由开孔至整个注浆深度的换径次数和孔径变化。它可以根据地层条件、注浆孔段直径和注浆方式来确定,为了方便施工,钻孔结构要求简单。在钻孔过程中一定要注重注浆孔的测斜、防斜和纠偏。对注浆孔的测斜,通常采用钻孔测斜仪来测量;对钻孔的防斜,为保证钻孔的偏斜率,除定距监测外,在施工现场设备安装、钻具组合、钻进操作等应有一定的防斜措施;斜孔的纠偏处理方法是凡在钻进施工中经测斜发现钻孔偏距迅速加大,有超偏势、或已超偏的,均应立即停止钻进,进行定向纠偏。3.5注浆堵水效果注浆工程竣工后，通过对注浆段剩余渗水量的实际统计，该段实测渗水量及堵水效果见图4所示。图4主洞⑨0+660~主洞⑨0+690渗水量检测图由图可知,注浆工程结束后,整个注浆段的剩余渗水量均达到设计要求规范,注浆堵水效果显著。注浆后有效避免了地下水位下降的发生,并且浆液充填了地层裂隙,改善了受注地层的水文地质和工程地质条件,提高了地下水封洞室的水封效果,保证了洞室施工质量。4结论本次采用超细水泥浅孔后注浆试验施工完成情况良好，注浆效果显著，渗流量及压水试验透水率均明显减少。因此选择合适的注浆材料、合理的孔深以及灌浆压力在对花岗片麻岩面域渗水注浆施工中尤为重要。参考文献：[1]蒋中明,冯树荣,曾铃,等.水封油库地下水位动态变化特性数值研究[J].岩土工程学报,2011,33（11）:1780-1785[2]王玉洲,代云清,安佰燕.地下水封岩洞储油库地下水控制[C]//第二届全国岩土与工程学术大会,2006:862–865[3]郭书太.地下储油库工程中地下水的利用和处理[J].工程地质学报,2008[4]邝键