反向分層爆破技術在淺豎井開挖中的應用

郭 坤， 王 剛， 劉紫朝

(中國水利水電第三工程局有限公司， 西安 710016)

?

反向分層爆破技術在淺豎井開挖中的應用

郭 坤， 王 剛， 劉紫朝

(中國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豎井的深孔，將豎井劃分為若干個爆破分段，自下而上逐層進行反向爆破，爆破產生的石渣通過自重沿豎井下部自由面落入豎井底部，爆破產生的煙塵經由鉆孔到地表或上部平硐排出，爆破作業可多循環、連續作業，實現豎井快速貫通。本技術安全可靠、干擾因素少，節約了大量資金投入。

關鍵詞：反向分層； 淺豎井； 螺旋掏槽； 孔底填塞； 爆破； 豎井開挖

1引 言

水利水電工程施工中，通常會遇到豎井式閘門井、調壓井、電纜井與通風井等建筑物的施工，在以往的水利水電工程中豎井導井施工時，多采用反井鉆機法、阿里馬克爬罐法、人工正向、反向開挖法等方法施工豎井導井。對于30m以內的淺豎井開挖，如采用反井鉆機法、爬罐法等，不僅費用高、受施工條件制約，而且工序多、施工時間相對較長。因此，淺豎井開挖施工需要探尋一種快速簡捷、方便實用、安全環保的方法〔1-2〕。

本文結合遼寧東湖電站電纜豎井開挖工程實例，并借鑒國內外豎井開挖的先進經驗，采取一次性鉆孔，自下而上反向分層爆破，取得了淺豎井導井快速貫通的新方法。

2工程概況

遼寧省東湖電站進水口電纜豎井設計開挖斷面尺寸9.08m×8.65m，開挖高程EL304.0~EL276.0，開挖深度為28.0m。電纜豎井導井開挖采用反向分層爆破技術施工，施工時在豎井中心部位設溜渣導井一個，導井尺寸3m×2m(長×寬)，導井下部電纜廊道已形成，可作為導井開挖爆破出渣通道。電纜豎井設計見圖1。

圖1　電纜豎井及導井設計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豎井的深孔、然后將豎井劃分為若干個爆破分段，自下而上逐層進行反向爆破，爆破產生的石渣通過自重沿豎井下部自由面落入豎井底部，爆破產生的煙塵經由鉆孔到地表或上部平硐排出，實現連續作業、實現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進行豎井導井開挖，鉆孔精度是該技術成敗的關鍵。實踐證明，深度超過30m以后，鉆孔偏差過大，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能力、深度不超過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，并由近及遠順序起爆，能充分利用自由面，擴大掏槽效果。中心位置布置大直徑空孔一個，直徑不小于200mm，圍繞中心孔布置螺旋形爆破孔，孔徑90mm。爆破時自下而上分層爆破，分層高度控制在2m以內。螺旋掏槽爆破布孔平面見圖3，螺旋掏槽爆破剖面見圖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：螺旋掏槽爆破共布設鉆孔11個，其中1個空孔、10個爆破孔，采取逐孔逐響的爆破方式，炮孔參數和爆破參數見表1。

表1　螺旋掏槽爆破參數

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。

作業循環：由于采取一次鉆孔分層爆破，爆破作業可連續進行，一次爆破作業循環時間見表2。

表2　爆破作業循環時間

4.2鉆孔控制

鉆孔平臺混凝土澆筑：在導井鉆孔范圍內澆筑混凝土找平層，混凝土強度等級為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上的松渣清除干凈，平臺頂面平整度小于5mm。

大直徑鉆孔：采用SL400B型水井鉆機施工，施工時首先將鉆機吊至鉆孔平臺上，調節好鉆機位置，固定鉆機，用起落油缸慢慢豎起鉆架，直到其頂住定位塊豎起主機鉆架，最后用螺釘將鉆架固定，使鉆架垂直混凝土基礎面，且鉆頭位置對準中心孔孔位。開始鉆進時采用高轉速低鉆壓，每鉆進5cm深度時，對鉆桿進行一次垂直度檢查，當鉆進達到1m后，每1m進行一次垂直度檢查，鉆桿垂直度控制在±0.5°以內, 當回轉頭下降到最低點時，提升回轉頭，接下一根鉆桿。

輔助爆破孔鉆孔：采用QZJ-100B潛孔鉆鉆孔，鉆機安裝前先在鉆孔位置搭設鉆機平臺，用于加固鉆機，鉆機平臺搭設時應留出鉆機安裝空間，平臺搭設應堅固，開鉆后平臺不變形、不移位。為防止開孔時“跑鉆”，宜采用有“釬斗扶持定位器”的鉆機。開始鉆進時采用高轉速低風壓鉆進，開孔時應加大垂直度檢查頻率，鉆進達到1m后，每1m進行一次垂直度檢查，鉆桿垂直度控制在±0.5°以內。

鉆孔檢查：檢查項目主要有鉆孔直徑、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行測量，鉆孔孔斜及鉆孔深度用測繩進行測量，每次爆破后需對每一炮孔深度進行精確測量，并逐孔編號記錄。

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，自孔口用軟質炮桿緩慢送入孔中，通過炮桿上的刻度測量孔深控制填塞物下降位置，當填塞物下降到孔底附近時，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，然后自孔口向孔內灌入適量水，使錨固劑反應膨脹，擠緊孔底填塞，10分鐘之后，即可進行炮孔裝藥作業。

裝藥：將φ32mm乳化炸藥每4根捆扎在一起，自孔口裝入孔中，導爆索連同底節藥卷送入孔底，通過炮桿上的刻度變化值控制裝藥高度，當藥卷入孔受阻時，可用炮桿將藥卷輔助送置于孔底，裝藥時嚴格按測量的孔深和爆破設計控制裝藥高度，確保藥柱頂面處于同一高度。需將伸出孔口的導爆索預留足夠的長度，并臨時固定，以防落入孔內。

孔口填塞：裝藥完成后，從孔口灌入粘土與細砂混合物，邊填塞邊用炮桿搗固，填塞長度2m左右。填塞時應防止將導爆索損壞。

連網起爆：網路連接在地表進行，按爆破設計網路綁扎起爆雷管，每孔宜用雙發雷管起爆。起爆前應做好爆破警戒應在井底平硐區域之外、井口作業區域之外同時設立警戒區，并確保上下信號暢通。

爆后檢查：如遇盲炮時，當網路完整或導爆索完整時，重新連網起爆；如遇到炮孔內有殘留炸藥時，可重新制作起爆體入孔，對殘余炸藥進行誘爆。

炮孔疏通：爆破后個別炮孔阻塞時可用炮桿疏通法、灌水法或鉆機法疏通炮孔，疏通炮孔時應在確認炮孔內無殘留炸藥之后進行。

爆破作業各工序見圖5。

圖5　爆破作業各工序示意圖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，對豎井導井之外巖體擾動小，為豎井擴挖創造了良好的圍巖條件。由于嚴格控制鉆孔精度，采取精細化爆破，豎井導井開挖質量能夠得到全面控制，豎井導井開挖輪廓規整，為豎井擴挖提供了良好的溜渣通道。爆破效果見圖6。

圖6　爆破效果Fig.6　The blasting effect

4.5質量控制

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

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

(3)鉆孔直徑偏差應控制在3mm以內，相鄰炮孔孔底距離偏差控制在10cm以內；鉆孔作業應精心操作，挑選有多年實踐經驗的操作人員，按照操作規程進行，及時發現和處理鉆孔偏差，并解決鉆進中的問題和故障。開孔鉆進時，先采用慢轉速，低鉆壓進行鉆進。開孔后，即可按正常鉆壓進行鉆進，開孔階段需隨時檢查垂直度并及時糾偏；爆破前需對炮孔逐孔檢查深度、孔斜、孔距、孔徑等，并編號登記。

(4)孔底填塞控制在孔底30cm范圍，填塞必須堅固牢靠，填塞應足以承載上部藥柱重量；藥柱頂部應位于同一水平面，相鄰炮孔藥柱高差應控制在5cm以內。導爆索應采用雙索入孔，起爆雷管應用雙發起爆，網路采取復式交叉網路。爆破作業應由爆破工操作，每次爆破應做好爆破記錄。

4.6幾點體會

(1)采取螺旋掏槽爆破技術，對豎井導井之外巖體擾動小，為下一步豎井擴挖創造了良好的圍巖條件。爆破作業可多循環、連續作業，對豎井的快速成井效果顯著。每一爆破作業循環時間可控制在6小時之內，每天可完成3~4個循環，進尺可達5m~8m、30m深的豎井，爆破作業可在5天~6天內完成，實現豎井導井的快速成井。

(2)作業環境得到全面改善， 對環境造成污染小。鉆孔及爆破作業全部在地表上操作，不需要施工人員至開挖工作面施工，改善了施工作業環境。作業人員無需進入掌子面作業，避免了井壁掉塊、坍塌等造成的安全隱患，保證了作業人員的生命安全。當鉆孔自上而下貫通后，基巖裂隙水通過鉆孔得疏導，排入下部平硐，可實現無水條件下爆破作業。

(3)爆破后圍巖具有一定自穩能力，無需進行掌子面排險作業。通風排煙快、能量利用率高、生產效率高。由于安全性高、干擾因素少、工程進度快，節約了大量工程費用的投入。

5結 論

(1)在淺豎井導井開挖中應用反向分層爆破技術，具有快速簡捷、方便實用、安全環保、使用效果顯著、受施工條件限制小的諸多優點。

(2)采用本技術進行豎井導井開挖，既能加快施工進度、節約成本，又可以確保導井開挖全過程安全可靠，在類似淺豎井導井開挖中有廣泛的應用前景。

參考文獻(References)：

〔1〕GB 6722-2014 爆破安全規程[S]. 北京：中國標準出版社，2014.

GB 6722-2014 Safety regulations for blasting[S]. Beijing: China Standards Press, 2014.

〔2〕 汪旭光. 中國爆破新進展[M]. 北京：冶金工業出版社，2014.

WANG Xu-guang. New development on engineering blasting[M]. Beijing: Metallurgy Industry Press, 2014.

〔3〕 于亞倫. 工程爆破理論與技術[M]. 北京：冶金工業出版 社，2004.

YU Ya-lun. Engineering blasting theory and technology [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004.

〔4〕 汪旭光. 爆破設計與施工[M]. 北京: 冶金工業出版社，2011.

WANG Xu-guang.The blasting design and construction [M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2011.

〔5〕 張正宇. 水利水電工程精細爆破概論[M]. 北京：中國水利水電出版社,2009.

ZHANG Zheng-yu. Introduction of water conservancy and hydropower engineering precision blasting [M]. Beijing: China Water & Power Press,2009.

〔6〕 何曉武,李明,羅先偉,等. VCR法爆破成井施工常見問題及預防方法[J]. 采礦技術，2013，13(6):110-111.

HE Xiao-wu, LI Ming, LUO Xian-wei, et al. VCR method blasting shaft-formirg common problems in construction and prevention method[J]. Mining Technique， 2013，13(6):110-111.

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

中圖分類號：TD235； TD851

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.010

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

收稿日期：2015-11-03

文章編號：1006-7051(2016)01-0049-04