淺導(dǎo)井反向分層爆破技術(shù)研究

陳 龍,李玉凡,梅 媛

(1.中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301799；2.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016)

地下引水發(fā)電系統(tǒng)是水電站常用的設(shè)計(jì)形式之一，在地下引水發(fā)電系統(tǒng)中調(diào)壓井、閘門井、出線井、通風(fēng)井及交通井等水工建筑物常采用豎井形式設(shè)計(jì)，豎井上部通常露天(或已有施工通道)，下部有通往豎井底部的施工通道。豎井開挖通常需要先開挖一個(gè)小斷面的導(dǎo)井，再利用導(dǎo)井作為豎井開挖的臨空面和溜渣井，進(jìn)行二次擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)輪廓線。導(dǎo)井掘進(jìn)通常采用吊罐、爬罐和反井鉆法掘進(jìn)，吊罐和爬罐法安全風(fēng)險(xiǎn)高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境差，施工速度慢；反井鉆法前期準(zhǔn)備期長，造價(jià)高，特別是對(duì)于工程規(guī)模小的淺豎井，設(shè)備費(fèi)占比高，無經(jīng)濟(jì)性可言，需要探索一種安全、快速和經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)井掘進(jìn)方法。

1 工程簡述

某水電站裝機(jī)容量2×13MW，主要由取水首部和輸水隧洞組成，其中取水首部包括取水口建筑物、壓力引水隧洞、地下廠房系統(tǒng)、升壓站、交通洞等主要建筑物。升壓站的升壓電纜豎井設(shè)計(jì)斷面為9.08m×8.65m的矩形，豎井深為21.09m，高程為EL304.00～EL283.01m，開挖方量為1656m3，豎井井口通向地面，下部施工通道已完成。

2 問題提出

項(xiàng)目初期，電纜豎井?dāng)M采用反井鉆施工中導(dǎo)井，工程開工進(jìn)點(diǎn)后，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，發(fā)現(xiàn)場內(nèi)施工道路等級(jí)低，彎道多，轉(zhuǎn)彎半徑小，需要翻修約10km的道路方可滿足反井鉆機(jī)運(yùn)輸，同時(shí)反井鉆機(jī)施工需要鋪設(shè)專用電纜、修建施工水池和施工平臺(tái)等多項(xiàng)準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備期約45d。爬罐法施工也存在與反井鉆施工類似問題，吊罐法施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度高，作業(yè)環(huán)境惡劣。而電纜豎井的導(dǎo)井能否按時(shí)貫通，是決定電纜豎井能否按期完成，避免電纜井與主廠房施工干擾，改善廠房、主變洞、交通洞等通風(fēng)條件的前題條件，因此必須對(duì)導(dǎo)井掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，找到一種簡單、易行、安全、快速完成導(dǎo)井的施工方案。

3 施工方案

3.1 方案選擇

根據(jù)現(xiàn)場情況，分析施工機(jī)械性能和其他項(xiàng)目導(dǎo)井掘進(jìn)方法，導(dǎo)井掘進(jìn)主要存在鉆孔作業(yè)條件差；出渣安全風(fēng)險(xiǎn)高；斷面尺寸小，只有一個(gè)爆破臨空面，夾制力大，循環(huán)進(jìn)尺小，施工速度慢等問題。經(jīng)研究決定采用從地面向井底高精度一次性完成鉆孔，改善鉆孔作業(yè)條件；采用反向爆破，爆破后石渣自由落至井底電纜洞內(nèi)，保證出渣安全；考慮導(dǎo)井掘進(jìn)和小斷面平洞掘進(jìn)邊界條件非常接近，把平洞直眼掏槽技術(shù)用于反導(dǎo)井掘進(jìn)，增大循環(huán)進(jìn)尺，減少循環(huán)次數(shù)，加快施工進(jìn)度[1- 7]。具體導(dǎo)井布置位置如圖1、2所示。

圖1 導(dǎo)井平面布置圖

圖2 導(dǎo)井剖面圖

3.2 掏槽方式

由于掏槽孔是自地面鉆至井底一次性成孔，所以掏槽方式選用中部直眼掏槽。直眼掏槽分螺旋掏槽和對(duì)稱掏槽，螺旋掏槽對(duì)打孔精度要求很高，一旦其中一個(gè)掏槽孔拒爆將會(huì)導(dǎo)致爆破失敗。對(duì)稱式掏槽對(duì)掏槽孔精度要求相對(duì)較低，爆破成功率高，故掏槽方式采用對(duì)稱式直眼掏槽技術(shù)。

掏槽設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

掏槽孔孔徑φ100mm，在豎井圓心位置布置一個(gè)裝藥孔，半徑300mm的圓周上布置4個(gè)空孔，在半徑650mm的圓上布置4個(gè)爆破孔。

(1)掏槽孔布置計(jì)算:

D=dn1/2=100×40.5=200mm

式中，D—空孔等效直徑；d—單個(gè)空孔的直徑；n—空孔數(shù)量。

(2)爆破孔到空孔的距離:

a=1.5D=1.5×200=300mm

式中，a—第一層爆破孔到空孔的距離；D—空孔等效直徑。

(3)外面掏槽孔間距：B1=W1=424mm，取B1=350mm

式中，W1—空孔間距；B1—二次爆破孔到空孔連線的距離。

具體掏槽孔布置平面如圖3所示。

圖3 掏槽孔平面布置圖

3.3 分層高度

導(dǎo)井掘進(jìn)分層高度不僅決定著工序的工作量和完成的時(shí)間，而且影響爆破效果和掘進(jìn)速度。為加快掘進(jìn)速度在提高機(jī)械化程度、改進(jìn)工作組織的前提下，加大分層高度是加快掘進(jìn)速度的有效方法。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，考慮導(dǎo)井直徑為3m圓形斷面和直眼掏槽的爆破效果，分層高度選為2.5m，最后井口5m范圍由于上下有2個(gè)工作面，則采取上下各封堵50cm，一次起爆。

3.4 高精度鉆孔

導(dǎo)井所有鉆孔全部由地面一次性鉆至井底，孔深20.5m，上、下貫穿后，孔位偏差±10cm，鉆孔偏斜率5%以內(nèi)，造孔精度遠(yuǎn)高于一般爆破鉆孔，高精度鉆孔具體措施如下。

3.4.1 修建混凝土鉆孔平臺(tái)

在電纜豎井井口澆筑混凝土鉆孔平臺(tái)，平臺(tái)面積5m×5m，中心與導(dǎo)井中心重合，混凝土標(biāo)號(hào)C20，厚度20cm，表面平整度±5mm，鉆孔位置用全站儀精確放樣，提前預(yù)埋長30cm，直徑φ100mm鋼管，預(yù)埋位置偏差±5mm，垂直度偏差±0.5°。

3.4.2 設(shè)置鉆機(jī)加固型鋼支架

鉆孔采用QZJ- 100B型潛孔鉆機(jī)，鉆孔前在鉆孔平臺(tái)上搭設(shè)鉆機(jī)加固型鋼支架加固鉆機(jī)，鉆機(jī)加固支架搭設(shè)堅(jiān)固，開鉆后不變形、不移位。

3.4.3 鉆孔作業(yè)

QZJ- 100B潛孔鉆機(jī)是由氣動(dòng)馬達(dá)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，氣缸直接推進(jìn)進(jìn)行鉆孔，性能可靠，操作簡單，動(dòng)力單一，體積小，重量輕，便于移動(dòng)。為防止開孔時(shí)“跑鉆”，采用有“釬斗扶持定位器”的鉆機(jī)，同時(shí)利用預(yù)埋鋼管做為開孔定位。開始鉆進(jìn)時(shí)采用高轉(zhuǎn)速低風(fēng)壓鉆進(jìn)，開孔時(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。

3.4.4 鉆孔檢查

主要檢查鉆孔直徑、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)行測量，鉆孔孔斜及鉆孔深度用測繩進(jìn)行測量，每次爆破后需對(duì)每一炮孔深度進(jìn)行精確測量，并逐孔編號(hào)記錄。

3.4.5 鉆孔糾偏

鉆孔過程中如發(fā)現(xiàn)偏斜率超出鉆孔精度，立即采用小風(fēng)壓，高轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆孔，慢慢調(diào)整偏差。如果偏差較大，無法糾偏時(shí)，立即終止鉆孔，用水泥漿回填，重新鉆孔

3.5 裝藥封堵

炮孔裝藥在導(dǎo)井上部鉆孔平臺(tái)進(jìn)行，先將繩子從炮孔下落至底部電纜洞，在電纜洞將編織物綁在繩子上，然后把編織物拉至距離炮孔底部100cm位置，做成封底，在孔口將繩子放松50cm，并在井口固定牢固。炸藥選用φ70mm乳化炸藥，將藥卷從孔口放到孔底，連續(xù)投放10節(jié)，裝藥高度200cm。裝藥后上部不封堵，以防止封堵物在爆炸作用下被壓實(shí)結(jié)塊，進(jìn)而影響下以循環(huán)爆破作業(yè)。分層高度、裝藥及封堵如圖4所示。

圖4 分層高度、裝藥及封堵圖

3.6 爆破網(wǎng)絡(luò)

爆破網(wǎng)絡(luò)采用導(dǎo)爆索入孔引爆炸藥，非電毫秒塑料導(dǎo)爆管雷管孔口延時(shí)，電雷管起爆，組成毫秒微差延時(shí)起爆網(wǎng)絡(luò)，非電毫秒塑料導(dǎo)爆管雷管全部采用雙發(fā)，網(wǎng)絡(luò)采用復(fù)式交叉網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間，對(duì)于掏槽孔爆破延時(shí)選擇在100～150ms，輔助孔取100～200ms。具體爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 爆破網(wǎng)路圖

3.7 爆破參數(shù)

具體導(dǎo)井爆破參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)井爆破參數(shù)表

3.8 爆破效果

電纜豎井導(dǎo)井自2013年7月23日開始施工，于2013年8月10日貫通，實(shí)際掘進(jìn)時(shí)間為18d，導(dǎo)井開挖輪廓規(guī)整，溜碴順暢，在整個(gè)施工過程中未出任何安全事故，工作人員作業(yè)環(huán)境和安全得到了大幅度改善。與原反井鉆方案相比較，提前工期25d，節(jié)約施工成本50萬元，導(dǎo)井爆破成井效果如圖6所示。

圖6 導(dǎo)井爆破成井效果

4 注意事項(xiàng)

所有鉆孔一次性完成，孔深大，鉆孔過程中必須嚴(yán)格按高精度鉆孔要求施工，特別是中部掏槽孔，如果鉆孔偏斜過大，會(huì)嚴(yán)重影響爆破效果，甚至造成掏槽失敗，因此鉆孔完成后，炮孔必須檢查合格方可裝藥爆破。施工過程中井口與井底工作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守安全管理和信號(hào)管理規(guī)定，以防因上、下工作面信息傳遞不當(dāng)，引發(fā)安全問題。導(dǎo)井一旦開始施工，人員無法到爆破工作面，因此每循環(huán)作業(yè)都必須嚴(yán)格精細(xì)化控制，確保底部封堵、裝藥、聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)爆破工序安全可靠。

5 結(jié)語

該電纜豎井導(dǎo)井采用高精度鉆孔，大孔徑直眼、中部爆破、四周多空孔、桶形掏槽，反向分層、上部無封堵、微差爆破等多項(xiàng)爆破技術(shù)，順利完成了導(dǎo)井掘進(jìn)。該方法不僅徹底改善了爆破作業(yè)環(huán)境，保證了施工安全，而且具有簡單易行、施工速度快、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，值得類似工程推廣參考。但由于掏槽孔對(duì)鉆孔精度要求高，超過30m的導(dǎo)井不宜使用反向分層爆破進(jìn)行掘進(jìn)。

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