反向分層爆破技術(shù)在淺豎井開(kāi)挖中的應(yīng)用

郭 坤， 王 剛， 劉紫朝

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司， 西安 710016)

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反向分層爆破技術(shù)在淺豎井開(kāi)挖中的應(yīng)用

郭 坤， 王 剛， 劉紫朝

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司， 西安 710016)

摘要：自上而下一次鉆成貫穿整個(gè)豎井的深孔，將豎井劃分為若干個(gè)爆破分段，自下而上逐層進(jìn)行反向爆破，爆破產(chǎn)生的石渣通過(guò)自重沿豎井下部自由面落入豎井底部，爆破產(chǎn)生的煙塵經(jīng)由鉆孔到地表或上部平硐排出，爆破作業(yè)可多循環(huán)、連續(xù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)豎井快速貫通。本技術(shù)安全可靠、干擾因素少，節(jié)約了大量資金投入。

關(guān)鍵詞：反向分層； 淺豎井； 螺旋掏槽； 孔底填塞； 爆破； 豎井開(kāi)挖

1引 言

水利水電工程施工中，通常會(huì)遇到豎井式閘門(mén)井、調(diào)壓井、電纜井與通風(fēng)井等建筑物的施工，在以往的水利水電工程中豎井導(dǎo)井施工時(shí)，多采用反井鉆機(jī)法、阿里馬克爬罐法、人工正向、反向開(kāi)挖法等方法施工豎井導(dǎo)井。對(duì)于30m以內(nèi)的淺豎井開(kāi)挖，如采用反井鉆機(jī)法、爬罐法等，不僅費(fèi)用高、受施工條件制約，而且工序多、施工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。因此，淺豎井開(kāi)挖施工需要探尋一種快速簡(jiǎn)捷、方便實(shí)用、安全環(huán)保的方法〔1-2〕。

本文結(jié)合遼寧東湖電站電纜豎井開(kāi)挖工程實(shí)例，并借鑒國(guó)內(nèi)外豎井開(kāi)挖的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，采取一次性鉆孔，自下而上反向分層爆破，取得了淺豎井導(dǎo)井快速貫通的新方法。

2工程概況

遼寧省東湖電站進(jìn)水口電纜豎井設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面尺寸9.08m×8.65m，開(kāi)挖高程EL304.0~EL276.0，開(kāi)挖深度為28.0m。電纜豎井導(dǎo)井開(kāi)挖采用反向分層爆破技術(shù)施工，施工時(shí)在豎井中心部位設(shè)溜渣導(dǎo)井一個(gè)，導(dǎo)井尺寸3m×2m(長(zhǎng)×寬)，導(dǎo)井下部電纜廊道已形成，可作為導(dǎo)井開(kāi)挖爆破出渣通道。電纜豎井設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

圖1　電纜豎井及導(dǎo)井設(shè)計(jì)Fig.1　The design chart of cable shaft and pilot shaft

3工藝原理、范圍及流程

3.1工藝原理

借鑒采礦工程中的VCR法，其主要工藝原理是：自上而下一次鉆成貫穿整個(gè)豎井的深孔、然后將豎井劃分為若干個(gè)爆破分段，自下而上逐層進(jìn)行反向爆破，爆破產(chǎn)生的石渣通過(guò)自重沿豎井下部自由面落入豎井底部，爆破產(chǎn)生的煙塵經(jīng)由鉆孔到地表或上部平硐排出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)、實(shí)現(xiàn)豎井快速貫通的方法〔3-6〕。

3.2適用范圍

采用反向分層爆破技術(shù)進(jìn)行豎井導(dǎo)井開(kāi)挖，鉆孔精度是該技術(shù)成敗的關(guān)鍵。實(shí)踐證明，深度超過(guò)30m以后，鉆孔偏差過(guò)大，不適宜采用本方法施工。因此，該方法適用于圍巖具有一定自穩(wěn)能力、深度不超過(guò)30m、直徑不小于4m的淺豎井鉆爆法施工。

3.3施工工藝流程

淺豎井反向分層爆破施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2　淺豎井反向分層爆破施工工藝流程圖Fig.2　The flow chart of shallow vertical shaft reverse stratified blasting process

4施工方案

4.1爆破方案

螺旋形掏槽爆破：豎井爆破采取螺旋形掏槽爆破，其原理是利用空孔作為自由面，各裝藥孔至空孔的距離依次遞增，呈螺旋線形布置，并由近及遠(yuǎn)順序起爆，能充分利用自由面，擴(kuò)大掏槽效果。中心位置布置大直徑空孔一個(gè)，直徑不小于200mm，圍繞中心孔布置螺旋形爆破孔，孔徑90mm。爆破時(shí)自下而上分層爆破，分層高度控制在2m以內(nèi)。螺旋掏槽爆破布孔平面見(jiàn)圖3，螺旋掏槽爆破剖面見(jiàn)圖4。

圖3　螺旋掏槽爆破布孔平面圖Fig.3　Spiral cutting blasting holes arrangement plan

圖4　螺旋掏槽爆破剖面圖Fig.4　The section plan of spiral cutting blasting

爆破參數(shù)：螺旋掏槽爆破共布設(shè)鉆孔11個(gè)，其中1個(gè)空孔、10個(gè)爆破孔，采取逐孔逐響的爆破方式，炮孔參數(shù)和爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　螺旋掏槽爆破參數(shù)

注：總裝藥量：Q=10×6.4=64kg； 爆破方量：V=3×2×1.8≈11m3； 炸藥單耗：q=Q/V=64/10.8≈5.9kg/m3。

作業(yè)循環(huán)：由于采取一次鉆孔分層爆破，爆破作業(yè)可連續(xù)進(jìn)行，一次爆破作業(yè)循環(huán)時(shí)間見(jiàn)表2。

表2　爆破作業(yè)循環(huán)時(shí)間

4.2鉆孔控制

鉆孔平臺(tái)混凝土澆筑：在導(dǎo)井鉆孔范圍內(nèi)澆筑混凝土找平層，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，混凝土澆筑范圍為超出鉆孔范圍外1m，厚度20cm。在澆筑混凝土前將基礎(chǔ)上的松渣清除干凈，平臺(tái)頂面平整度小于5mm。

大直徑鉆孔：采用SL400B型水井鉆機(jī)施工，施工時(shí)首先將鉆機(jī)吊至鉆孔平臺(tái)上，調(diào)節(jié)好鉆機(jī)位置，固定鉆機(jī)，用起落油缸慢慢豎起鉆架，直到其頂住定位塊豎起主機(jī)鉆架，最后用螺釘將鉆架固定，使鉆架垂直混凝土基礎(chǔ)面，且鉆頭位置對(duì)準(zhǔn)中心孔孔位。開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)采用高轉(zhuǎn)速低鉆壓，每鉆進(jìn)5cm深度時(shí)，對(duì)鉆桿進(jìn)行一次垂直度檢查，當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到1m后，每1m進(jìn)行一次垂直度檢查，鉆桿垂直度控制在±0.5°以內(nèi), 當(dāng)回轉(zhuǎn)頭下降到最低點(diǎn)時(shí)，提升回轉(zhuǎn)頭，接下一根鉆桿。

輔助爆破孔鉆孔：采用QZJ-100B潛孔鉆鉆孔，鉆機(jī)安裝前先在鉆孔位置搭設(shè)鉆機(jī)平臺(tái)，用于加固鉆機(jī)，鉆機(jī)平臺(tái)搭設(shè)時(shí)應(yīng)留出鉆機(jī)安裝空間，平臺(tái)搭設(shè)應(yīng)堅(jiān)固，開(kāi)鉆后平臺(tái)不變形、不移位。為防止開(kāi)孔時(shí)“跑鉆”，宜采用有“釬斗扶持定位器”的鉆機(jī)。開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)采用高轉(zhuǎn)速低風(fēng)壓鉆進(jìn)，開(kāi)孔時(shí)應(yīng)加大垂直度檢查頻率，鉆進(jìn)達(dá)到1m后，每1m進(jìn)行一次垂直度檢查，鉆桿垂直度控制在±0.5°以內(nèi)。

鉆孔檢查：檢查項(xiàng)目主要有鉆孔直徑、鉆孔間距、鉆孔孔斜及鉆孔深度，鉆孔直徑及鉆孔間距用鋼卷尺進(jìn)行測(cè)量，鉆孔孔斜及鉆孔深度用測(cè)繩進(jìn)行測(cè)量，每次爆破后需對(duì)每一炮孔深度進(jìn)行精確測(cè)量，并逐孔編號(hào)記錄。

4.3爆破控制

孔底填塞：將柔性編織袋卷成略大于孔徑的圓柱狀，并在編織袋上綁扎尼龍繩，自孔口用軟質(zhì)炮桿緩慢送入孔中，通過(guò)炮桿上的刻度測(cè)量孔深控制填塞物下降位置，當(dāng)填塞物下降到孔底附近時(shí)，將尼龍繩在孔口綁住，隨后將錨固劑捆成略小于孔徑的圓柱形，從孔口放入至孔底，如下落過(guò)程受阻，可用炮桿輔助送置于孔底填塞物之上，然后自孔口向孔內(nèi)灌入適量水，使錨固劑反應(yīng)膨脹，擠緊孔底填塞，10分鐘之后，即可進(jìn)行炮孔裝藥作業(yè)。

裝藥：將φ32mm乳化炸藥每4根捆扎在一起，自孔口裝入孔中，導(dǎo)爆索連同底節(jié)藥卷送入孔底，通過(guò)炮桿上的刻度變化值控制裝藥高度，當(dāng)藥卷入孔受阻時(shí)，可用炮桿將藥卷輔助送置于孔底，裝藥時(shí)嚴(yán)格按測(cè)量的孔深和爆破設(shè)計(jì)控制裝藥高度，確保藥柱頂面處于同一高度。需將伸出孔口的導(dǎo)爆索預(yù)留足夠的長(zhǎng)度，并臨時(shí)固定，以防落入孔內(nèi)。

孔口填塞：裝藥完成后，從孔口灌入粘土與細(xì)砂混合物，邊填塞邊用炮桿搗固，填塞長(zhǎng)度2m左右。填塞時(shí)應(yīng)防止將導(dǎo)爆索損壞。

連網(wǎng)起爆：網(wǎng)路連接在地表進(jìn)行，按爆破設(shè)計(jì)網(wǎng)路綁扎起爆雷管，每孔宜用雙發(fā)雷管起爆。起爆前應(yīng)做好爆破警戒應(yīng)在井底平硐區(qū)域之外、井口作業(yè)區(qū)域之外同時(shí)設(shè)立警戒區(qū)，并確保上下信號(hào)暢通。

爆后檢查：如遇盲炮時(shí)，當(dāng)網(wǎng)路完整或?qū)П魍暾麜r(shí)，重新連網(wǎng)起爆；如遇到炮孔內(nèi)有殘留炸藥時(shí)，可重新制作起爆體入孔，對(duì)殘余炸藥進(jìn)行誘爆。

炮孔疏通：爆破后個(gè)別炮孔阻塞時(shí)可用炮桿疏通法、灌水法或鉆機(jī)法疏通炮孔，疏通炮孔時(shí)應(yīng)在確認(rèn)炮孔內(nèi)無(wú)殘留炸藥之后進(jìn)行。

爆破作業(yè)各工序見(jiàn)圖5。

圖5　爆破作業(yè)各工序示意圖Fig.5　Schematic diagram of blasting operation in each process

4.4爆破效果

采取螺旋掏槽爆破技術(shù)，對(duì)豎井導(dǎo)井之外巖體擾動(dòng)小，為豎井?dāng)U挖創(chuàng)造了良好的圍巖條件。由于嚴(yán)格控制鉆孔精度，采取精細(xì)化爆破，豎井導(dǎo)井開(kāi)挖質(zhì)量能夠得到全面控制，豎井導(dǎo)井開(kāi)挖輪廓規(guī)整，為豎井?dāng)U挖提供了良好的溜渣通道。爆破效果見(jiàn)圖6。

圖6　爆破效果Fig.6　The blasting effect

4.5質(zhì)量控制

(1)鉆孔平臺(tái)混凝土澆筑前將基礎(chǔ)上的松渣清除干凈，平臺(tái)頂面平整度小于5mm。

(2)所有鉆孔垂直度控制在±0.5°以內(nèi)； QZJ-100B潛孔鉆機(jī)宜采用有“釬斗扶持定位器”的鉆機(jī)；鉆孔孔位精確測(cè)量放樣，鉆機(jī)就位后用水平尺和鉛垂球從多角度進(jìn)行精確測(cè)量，再對(duì)中心點(diǎn)進(jìn)行校核，確保鉆桿垂直于水平面。

(3)鉆孔直徑偏差應(yīng)控制在3mm以內(nèi)，相鄰炮孔孔底距離偏差控制在10cm以內(nèi)；鉆孔作業(yè)應(yīng)精心操作，挑選有多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的操作人員，按照操作規(guī)程進(jìn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理鉆孔偏差，并解決鉆進(jìn)中的問(wèn)題和故障。開(kāi)孔鉆進(jìn)時(shí)，先采用慢轉(zhuǎn)速，低鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)。開(kāi)孔后，即可按正常鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)，開(kāi)孔階段需隨時(shí)檢查垂直度并及時(shí)糾偏；爆破前需對(duì)炮孔逐孔檢查深度、孔斜、孔距、孔徑等，并編號(hào)登記。

(4)孔底填塞控制在孔底30cm范圍，填塞必須堅(jiān)固牢靠，填塞應(yīng)足以承載上部藥柱重量；藥柱頂部應(yīng)位于同一水平面，相鄰炮孔藥柱高差應(yīng)控制在5cm以內(nèi)。導(dǎo)爆索應(yīng)采用雙索入孔，起爆雷管應(yīng)用雙發(fā)起爆，網(wǎng)路采取復(fù)式交叉網(wǎng)路。爆破作業(yè)應(yīng)由爆破工操作，每次爆破應(yīng)做好爆破記錄。

4.6幾點(diǎn)體會(huì)

(1)采取螺旋掏槽爆破技術(shù)，對(duì)豎井導(dǎo)井之外巖體擾動(dòng)小，為下一步豎井?dāng)U挖創(chuàng)造了良好的圍巖條件。爆破作業(yè)可多循環(huán)、連續(xù)作業(yè)，對(duì)豎井的快速成井效果顯著。每一爆破作業(yè)循環(huán)時(shí)間可控制在6小時(shí)之內(nèi)，每天可完成3~4個(gè)循環(huán)，進(jìn)尺可達(dá)5m~8m、30m深的豎井，爆破作業(yè)可在5天~6天內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)豎井導(dǎo)井的快速成井。

(2)作業(yè)環(huán)境得到全面改善， 對(duì)環(huán)境造成污染小。鉆孔及爆破作業(yè)全部在地表上操作，不需要施工人員至開(kāi)挖工作面施工，改善了施工作業(yè)環(huán)境。作業(yè)人員無(wú)需進(jìn)入掌子面作業(yè)，避免了井壁掉塊、坍塌等造成的安全隱患，保證了作業(yè)人員的生命安全。當(dāng)鉆孔自上而下貫通后，基巖裂隙水通過(guò)鉆孔得疏導(dǎo)，排入下部平硐，可實(shí)現(xiàn)無(wú)水條件下爆破作業(yè)。

(3)爆破后圍巖具有一定自穩(wěn)能力，無(wú)需進(jìn)行掌子面排險(xiǎn)作業(yè)。通風(fēng)排煙快、能量利用率高、生產(chǎn)效率高。由于安全性高、干擾因素少、工程進(jìn)度快，節(jié)約了大量工程費(fèi)用的投入。

5結(jié) 論

(1)在淺豎井導(dǎo)井開(kāi)挖中應(yīng)用反向分層爆破技術(shù)，具有快速簡(jiǎn)捷、方便實(shí)用、安全環(huán)保、使用效果顯著、受施工條件限制小的諸多優(yōu)點(diǎn)。

(2)采用本技術(shù)進(jìn)行豎井導(dǎo)井開(kāi)挖，既能加快施工進(jìn)度、節(jié)約成本，又可以確保導(dǎo)井開(kāi)挖全過(guò)程安全可靠，在類(lèi)似淺豎井導(dǎo)井開(kāi)挖中有廣泛的應(yīng)用前景。

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Application of reverse stratified blasting in shallow vertical shaft excavation

GUO Kun， WANG Gang， LIU Zi-chao

(SINOHYDRO BUREAU 3 Co.，Ltd.， Xi′an 710016， China)

ABSTRACT：The vertical shaft was drilled from top to bottom by one time, and the shaft was divided into several segments for blasting, then reverse blasting was applied layer by layer from bottom to top. The blasting ballast fell freely to the bottom of the shaft by gravity, and the blasting soot was discharged from the surface or upper adit. The blasting could be operated circularly and continuously, and rapid perforation of shaft hole could be achieved. The technology was safe and reliable with less interference factors, and it could save a lot of cost.

KEY WORDS:Reverse stratified; Shallow vertical shaft; Spiral cutting; Bottom stemming; Blasting; Shaft excavation

中圖分類(lèi)號(hào)：TD235； TD851

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.010

作者簡(jiǎn)介：郭 坤(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程實(shí)踐研究。E-mail： 409543505@qq.com通訊作者： 王 剛(1969-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水利水電工程施工理論研究及應(yīng)用。E-mail： wg690525730@163.com

收稿日期：2015-11-03

文章編號(hào)：1006-7051(2016)01-0049-04