一种用于超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法及其装置系统

摘要

本发明提供一种用于超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法及其装置系统，所述方法包括以下步骤：(1)由地面向地下岩体内正向钻进，形成与地下施工通道相连通的先导孔；(2)对步骤(1)所得先导孔进行反向扩挖至地面，形成管道井；(3)对步骤(2)所得管道井进行至少1次的反向扩挖，形成与地下储库洞室高度相对应的竖井；(4)对步骤(3)所得竖井进行至少1次的反向扩挖，形成与地下储库洞室直径相对应的井壁；(5)对地下储库洞室的底部进行开挖，并对所述地下储库洞室的底部、顶部及井壁进行加固处理；(6)对地表和地下储库洞室顶部之间的管道井进行加固处理。本发明提供的开挖方法工程量小、安全高效、对洞室结构稳定性破坏小。

说明书

技术领域

本发明属于地下洞室工程施工技术领域，涉及一种地下储库洞室扩挖的方法，尤其涉及一种用于超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法及其装置系统。

背景技术

天然气是当今社会生产活动所需的重要能源，世界各国对天然气的需求量与日俱增。我国是能源消耗大国，对天然气的需求量也越来越高，为了保障天然气调峰使用和国家能源供给，世界各国均不断地扩充自己国家的天然气储备量。目前，天然气的储存主要采用地面储气罐储存、管道储存以及地下储气库储存三种方式。由于地面储气罐和管道能够提供的储气量相对有限，不能满足大规模的天然气供给需求，而地下储气库因其具有储气量大、节约地面资源、安全可靠、对环境污染小且不受天气影响等优势，是维持天然气正常使用以及国家能源战略储备的重要保障。

建立大型地下天然气储气库群是我国发展的重要政策，需要在围岩较好的地层开挖大断面的地下洞室。考虑到整体建设成本与技术成熟度，地下洞室的体积一般在10万立方米以上，洞室结构采用圆柱体，洞室直径在35m以上，高度达到100m左右，上下部分别采用半球形和椭球形以保证储气库在运营期能够存储足够大压力的天然气。国内学者对这种立式圆柱形地下洞室开挖方法开展了大量的研究，主要采用地面正井开挖，但该方法仅适用于直接与地面相连的地下洞室开挖，且其内设置的溜渣井由于直径小容易被堵塞，导致溜渣井疏通困难，疏通工作危险性较大。然而，对于深埋于地面以下的地下洞室，一方面难以在洞室上部形成开挖工作面，另一方面强行从地面开挖工程量大，后期对储气库结构运营的稳定性会造成较大影响。另外，由于储气库整体埋藏在地面以下100m-200m的地层之中，且储气库洞室断面较大，难以从地面直接开挖，即正井开挖不适用于超大断面的地下储库洞室。因此，开发一种工程量小、安全高效、对洞室结构稳定性破坏小的开挖方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法及其装置系统，所述方法工程量小、安全高效、对洞室结构稳定性破坏小。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种用于超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)由地面向地下岩体内正向钻进，形成与地下施工通道相连通的先导孔；

(2)对步骤(1)所得先导孔进行反向扩挖至地面，形成管道井；

(3)对步骤(2)所得管道井进行至少1次的反向扩挖，形成与地下储库洞室高度相对应的竖井；

(4)对步骤(3)所得竖井进行至少1次的反向扩挖，形成与地下储库洞室直径相对应的井壁；

(5)对地下储库洞室的底部进行开挖，并对所述地下储库洞室的底部、顶部及井壁进行加固处理；

(6)对地面和地下储库洞室顶部之间的管道井进行加固处理。

本发明中，步骤(3)所述反向扩挖的次数为至少1次，例如可以是1次、2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次或10次，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，步骤(4)所述反向扩挖的次数为至少1次，例如可以是1次、2次、3次、4次、5次、6次、7次、8次、9次或10次，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明对整个地下储库洞室的开挖过程只需一条施工竖井和一条用于出渣的地下施工通道，整体开挖工程量小，不存在管道井堵塞问题，且扒渣量小，安全隐患少，施工速度快。

优选地，步骤(1)-(3)采用反井钻机进行。

优选地，步骤(4)-(6)采用提升装置和施工平台进行。

优选地，步骤(4)利用钻爆法进行。

本发明中，所述钻爆法具体为采用炸药爆破来破碎岩体，开出洞室的一种施工方法，基本工序包括：人工钻眼、装药爆破、通风、必要的施工支撑和出渣清场。

本发明通过反井开挖和钻爆扩挖相结合的方式，一方面避免了在地面和地下储库洞室顶部之间形成开挖工作面，另一方面提升了后期使用过程中储库结构的稳定性；这种方法特别适用于超大断面地下储库洞室的开挖，且安全高效，对洞室结构稳定性破坏小。

优选地，所述钻爆法的钻孔方向为下倾角40°-50°，例如可以是40°、41°、42°、43°、44°、45°、46°、47°、48°、49°或50°，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，所述下倾角为水平面以下且与水平面所夹的锐角。

优选地，所述钻爆法的竖向排距为1-2m，例如可以是1m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m、1.6m、1.7m、1.8m、1.9m或2m，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(4)每次反向扩挖之前对所述竖井的内壁进行临时喷混处理。

本发明中，所述临时喷混处理具体为采用压缩空气将水、水泥、骨料和外加剂等混合料喷向开挖裸露的围岩表面，使之胶结并凝固。这种方法借助喷射机械和压缩空气，将按一定比例配制的拌合料通过管道高速喷射到受喷面，凝结硬化后形成混凝土层。所述方法可临时对围岩形成喷射混凝土支护，保护洞室的围岩稳定。

本发明通过在每次反向扩挖之前对所述井壁进行临时喷混处理以保障竖井内壁的表面强度，从而提升了洞室的安全性，为后续进行的钻爆扩挖提供支持。

优选地，步骤(4)每次反向扩挖的环向进尺和竖向进尺的比值范围为1:(2.5-3.5)，例如可以是1:2.5、1:2.7、1:2.9、1:3、1:3.1、1:3.3或1:3.5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(5)所述加固处理具体为施做钢衬混凝土。

优选地，所述钢衬混凝土在对井壁进行加固处理时采用分节逐层的方式。

优选地，所述分节逐层的单节高度为18-22m，例如可以是18m、18.5m、19m、19.5m、20m、20.5m、21m、21.5m或22m，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(6)所述加固处理具体为在管道井的壁面上设置导管。

作为本发明第一方面优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：

(1)采用反井钻机由地面向地下岩体内正向钻进，形成与地下施工通道相连通的先导孔；

(2)采用反井钻机对步骤(1)所得先导孔进行反向扩挖至地面，形成管道井；

(3)采用反井钻机对步骤(2)所得管道井进行至少1次的反向扩挖，形成与地下储库洞室高度相对应的竖井；

(4)采用提升装置和施工平台，并利用钻爆法对步骤(3)所得竖井进行至少1次的反向扩挖，形成与地下储库洞室直径相对应的井壁；所述钻爆法的钻孔方向为下倾角40°-50°，竖向排距为1-2m；每次反向扩挖之前对所述竖井的内壁进行临时喷混处理，且每次反向扩挖的环向进尺和竖向进尺的比值范围为1:(2.5-3.5)；

(5)采用提升装置和施工平台对地下储库洞室的底部进行开挖，并对所述地下储库洞室的底部、顶部及井壁施做钢衬混凝土；所述钢衬混凝土在对井壁进行加固处理时采用分节逐层的方式，且单节高度为18-22m；

(6)对地面和地下储库洞室顶部之间的管道井壁面上设置导管。

第二方面，本发明提供一种利用如第一方面所述方法进行超大断面地下储库洞室反井扩挖的装置系统，所述装置系统包括反井钻机、提升装置和施工平台。

所述反井钻机设置于地下储库洞室的地面洞口处，用于由地面向地下岩体内正向钻进以形成与地下施工通道相连通的先导孔及反向扩挖形成的管道井和与地下储库洞室高度相对应的竖井。

所述提升装置用于替换所述反井钻机，设置于地下储库洞室的地面洞口处，并通过所述管道井与设置在所述竖井内的施工平台连接。

所述施工平台用作承载载体。

优选地，所述施工平台采用可拆装的钢架结构。

优选地，所述施工平台的径向长度与每次反向扩挖的环向进尺相适应。

本发明中，所述施工平台的径向长度与每次反向扩挖的环向进尺相适应的具体含义为：所述施工平台的径向长度随着每次反向扩挖的环向进尺尺寸的增大而加长，从而便于竖井环向进尺过程的钻爆扩挖。

优选地，所述施工平台相对于竖井具有周向旋转功能。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的方法对整个地下储库洞室的开挖过程只需一条施工竖井和一条用于出渣的地下施工通道，整体开挖工程量小，不存在管道井堵塞问题，且扒渣量小，安全隐患少，施工速度快；

(2)本发明提供的方法通过反井开挖和钻爆扩挖相结合的方式，一方面避免了在地面和地下储库洞室顶部之间形成开挖工作面，另一方面提升了后期使用过程中储库结构的稳定性；这种方法特别适用于超大断面地下储库洞室的开挖，且安全高效，对洞室结构稳定性破坏小。

附图说明

图1是本发明提供的用于超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法示意图；

图2是本发明提供的方法最终所形成的超大断面地下储库洞室结构示意图。

其中：1-反井钻机；2-先导孔；3-管道井；4-竖井；5-地下施工通道；6-提升装置；7-施工平台；8-地下储库洞室；9-导管。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

本发明提供一种用于超大断面地下储库洞室反井扩挖的装置系统，如图1和图2所示，所述装置系统包括反井钻机1、提升装置6、施工平台7、小型钻机、爆破雷管等；所述反井钻机1设置于地下储库洞室8的地面洞口处，用于由地面向地下岩体内正向钻进以形成与地下施工通道5相连通的先导孔2及反向扩挖形成的管道井3和与地下储库洞室8高度相对应的竖井4；所述提升装置6用于替换所述反井钻机1，设置于地下储库洞室8的地面洞口处，并通过所述管道井3与设置在所述竖井4内的施工平台7连接；所述施工平台7用作承载载体。

实施例1

本实施例提供一种采用上述装置系统进行超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法，如图1和图2所示，所述方法包括以下步骤：

(1)采用反井钻机1由地面向地下岩体内正向钻进，形成与地下施工通道5相连通的φ244mm先导孔2，并将地下施工通道5(宽×高:6.0m×6.0m)扩挖至先导孔2的接口位置，且架立交叉口门架(图中未画出)，按地下施工通道5的轮廓(宽×高:7.5m×6.0m)继续施工至侧壁；

(2)采用反井钻机1沿着自下而上的方向对步骤(1)所得先导孔2进行反向扩挖至地面，形成φ1500mm管道井3，用于后续设置导管9，以连通地下储库洞室8与地面；

(3)采用反井钻机1沿着自下而上的方向对步骤(2)所得管道井3进行2次反向扩挖，形成与地下储库洞室8高度相对应的φ5000mm竖井4，其环向进尺如图1中的a段；

(4)撤走反井钻机1，并在原反井钻机1安装位上设置提升装置6，在步骤(3)所得竖井4内设置与提升装置6相连接的施工平台7，以拉动施工平台7在竖井4内做升降运动；采用提升装置6和施工平台7并利用人工对竖井4的内壁进行临时喷混处理；利用钻爆法对竖井4进行自下而上、由内向外的4次反向扩挖，形成与直径为35m的地下储库洞室8相对应的井壁，其环向进尺如图1中的b、c、d、e段；且每次反向扩挖之前均对竖井4的内壁进行临时喷混处理，每次环向进尺设计为3.75m，竖向一次将全部炮孔施工完成后，分次进行装药爆破，每次爆破竖向进尺11m，所述钻爆法的钻孔方向为下倾角45°，竖向排距为1.5m；

(5)采用提升装置6和施工平台7对地下储库洞室8的底部进行开挖，并对地下储库洞室8的底部施做钢衬混凝土；沿着自下而上的方向对地下储库洞室8的井壁分节逐层地施做钢衬混凝土，且单节高度为20m；

(6)对地面和地下储库洞室8顶部之间的管道井3壁面上设置导管9，具体操作为：首先下放施工平台7，并在施工平台7上放置导管，然后将施工平台7与提升装置6连接，通过提升装置6拉升施工平台7，使得施工平台7上的导管9插入管道井3中并伸出地面，再利用地下储库洞室8顶部施做钢衬混凝土时一并将导管9固定，最后拆除提升装置6及施工平台7，形成直径为35m的超大断面地下储库洞室8。

实施例2

本实施例提供一种采用上述装置系统进行超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法，如图1和图2所示，所述方法包括以下步骤：

(1)采用反井钻机1由地面向地下岩体内正向钻进，形成与地下施工通道5相连通的φ250mm先导孔2，并将地下施工通道5(宽×高:6.0m×6.0m)扩挖至先导孔2的接口位置，且架立交叉口门架(图中未画出)，按地下施工通道5的轮廓(宽×高:7.5m×6.0m)继续施工至侧壁；

(2)采用反井钻机1沿着自下而上的方向对步骤(1)所得先导孔2进行反向扩挖至地面，形成φ2000mm管道井3，用于后续设置导管9，以连通地下储库洞室8与地面；

(3)采用反井钻机1沿着自下而上的方向对步骤(2)所得管道井3进行1次反向扩挖，形成与地下储库洞室8高度相对应的φ4400mm竖井4，其环向进尺如图1中的a段；

(4)撤走反井钻机1，并在原反井钻机1安装位上设置提升装置6，在步骤(3)所得竖井4内设置与提升装置6相连接的施工平台7，以拉动施工平台7在竖井4内做升降运动；采用提升装置6和施工平台7并利用人工对竖井4的内壁进行临时喷混处理；利用钻爆法对竖井4进行自下而上、由内向外的4次反向扩挖，形成与直径为40m的地下储库洞室8相对应的井壁，其环向进尺如图1中的b、c、d、e段；且每次反向扩挖之前均对竖井4的内壁进行临时喷混处理，每次环向进尺设计为4.45m，竖向一次将全部炮孔施工完成后，分次进行装药爆破，每次爆破竖向进尺11m，所述钻爆法的钻孔方向为下倾角40°，竖向排距为2m；

(5)采用提升装置6和施工平台7对地下储库洞室8的底部进行开挖，并对地下储库洞室8的底部施做钢衬混凝土；沿着自下而上的方向对地下储库洞室8的井壁分节逐层地施做钢衬混凝土，且单节高度为18m；

(6)对地面和地下储库洞室8顶部之间的管道井3壁面上设置导管9，具体操作为：首先下放施工平台7，并在施工平台7上放置导管，然后将施工平台7与提升装置6连接，通过提升装置6拉升施工平台7，使得施工平台7上的导管9插入管道井3中并伸出地面，再利用地下储库洞室8顶部施做钢衬混凝土时一并将导管9固定，最后拆除提升装置6及施工平台7，形成直径为40m的超大断面地下储库洞室8。

实施例3

本实施例提供一种采用上述装置系统进行超大断面地下储库洞室反井扩挖的方法，如图1和图2所示，所述方法包括以下步骤：

(1)采用反井钻机1由地面向地下岩体内正向钻进，形成与地下施工通道5相连通的φ250mm先导孔2，并将地下施工通道5(宽×高:6.0m×6.0m)扩挖至先导孔2的接口位置，且架立交叉口门架(图中未画出)，按地下施工通道5的轮廓(宽×高:7.5m×6.0m)继续施工至侧壁；

(2)采用反井钻机1沿着自下而上的方向对步骤(1)所得先导孔2进行反向扩挖至地面，形成φ2500mm管道井3，用于后续设置导管9，以连通地下储库洞室8与地面；

(3)采用反井钻机1沿着自下而上的方向对步骤(2)所得管道井3进行2次反向扩挖，形成与地下储库洞室8高度相对应的φ5000mm竖井4，其环向进尺如图1中的a段；

(4)撤走反井钻机1，并在原反井钻机1安装位上设置提升装置6，在步骤(3)所得竖井4内设置与提升装置6相连接的施工平台7，以拉动施工平台7在竖井4内做升降运动；采用提升装置6和施工平台7并利用人工对竖井4的内壁进行临时喷混处理；利用钻爆法对竖井4进行自下而上、由内向外的4次反向扩挖，形成与直径为45m的地下储库洞室8相对应的井壁，其环向进尺如图1中的b、c、d、e段；且每次反向扩挖之前均对竖井4的内壁进行临时喷混处理，每次环向进尺设计为5m，竖向一次将全部炮孔施工完成后，分次进行装药爆破，每次爆破竖向进尺17.5m，所述钻爆法的钻孔方向为下倾角50°，竖向排距为1m；

(5)采用提升装置6和施工平台7对地下储库洞室8的底部进行开挖，并对地下储库洞室8的底部施做钢衬混凝土；沿着自下而上的方向对地下储库洞室8的井壁分节逐层地施做钢衬混凝土，且单节高度为22m；

(6)对地面和地下储库洞室8顶部之间的管道井3壁面上设置导管9，具体操作为：首先下放施工平台7，并在施工平台7上放置导管，然后将施工平台7与提升装置6连接，通过提升装置6拉升施工平台7，使得施工平台7上的导管9插入管道井3中并伸出地面，再利用地下储库洞室8顶部施做钢衬混凝土时一并将导管9固定，最后拆除提升装置6及施工平台7，形成直径为45m的超大断面地下储库洞室8。

实施例1-3均通过反井扩挖的方式开挖出直径为35-45m的超大断面地下储库洞室，完成了预期目标。

由此可见，本发明提供的方法对整个地下储库洞室的开挖过程只需一条施工竖井和一条用于出渣的地下施工通道，整体开挖工程量小，不存在管道井堵塞问题，且扒渣量小，安全隐患少，施工速度快；此外，本发明提供的方法通过反井开挖和钻爆扩挖相结合的方式，一方面避免了在地面和地下储库洞室顶部之间形成开挖工作面，另一方面提升了后期使用过程中储库结构的稳定性；这种方法特别适用于超大断面地下储库洞室的开挖，且安全高效，对洞室结构稳定性破坏小。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。