淺導井反向分層爆破技術研究

陳 龍,李玉凡,梅 媛

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

地下引水發電系統是水電站常用的設計形式之一，在地下引水發電系統中調壓井、閘門井、出線井、通風井及交通井等水工建筑物常采用豎井形式設計，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小斷面的導井，再利用導井作為豎井開挖的臨空面和溜渣井，進行二次擴挖至設計輪廓線。導井掘進通常采用吊罐、爬罐和反井鉆法掘進，吊罐和爬罐法安全風險高，勞動強度大，作業環境差，施工速度慢；反井鉆法前期準備期長，造價高，特別是對于工程規模小的淺豎井，設備費占比高，無經濟性可言，需要探索一種安全、快速和經濟的導井掘進方法。

1 工程簡述

某水電站裝機容量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、升壓站、交通洞等主要建筑物。升壓站的升壓電纜豎井設計斷面為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

項目初期，電纜豎井擬采用反井鉆施工中導井，工程開工進點后，經現場踏勘，發現場內施工道路等級低，彎道多，轉彎半徑小，需要翻修約10km的道路方可滿足反井鉆機運輸，同時反井鉆機施工需要鋪設專用電纜、修建施工水池和施工平臺等多項準備工作，準備期約45d。爬罐法施工也存在與反井鉆施工類似問題，吊罐法施工安全風險大，作業人員勞動強度高，作業環境惡劣。而電纜豎井的導井能否按時貫通，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、交通洞等通風條件的前題條件，因此必須對導井掘進技術進行研究，找到一種簡單、易行、安全、快速完成導井的施工方案。

3 施工方案

3.1 方案選擇

根據現場情況，分析施工機械性能和其他項目導井掘進方法，導井掘進主要存在鉆孔作業條件差；出渣安全風險高；斷面尺寸小，只有一個爆破臨空面，夾制力大，循環進尺小，施工速度慢等問題。經研究決定采用從地面向井底高精度一次性完成鉆孔，改善鉆孔作業條件；采用反向爆破，爆破后石渣自由落至井底電纜洞內，保證出渣安全；考慮導井掘進和小斷面平洞掘進邊界條件非常接近，把平洞直眼掏槽技術用于反導井掘進，增大循環進尺，減少循環次數，加快施工進度[1- 7]。具體導井布置位置如圖1、2所示。

圖1 導井平面布置圖

圖2 導井剖面圖

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稱掏槽，螺旋掏槽對打孔精度要求很高，一旦其中一個掏槽孔拒爆將會導致爆破失敗。對稱式掏槽對掏槽孔精度要求相對較低，爆破成功率高，故掏槽方式采用對稱式直眼掏槽技術。

掏槽設計計算如下：

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

(1)掏槽孔布置計算:

D=dn1/2=100×40.5=200mm

式中，D—空孔等效直徑；d—單個空孔的直徑；n—空孔數量。

(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

導井掘進分層高度不僅決定著工序的工作量和完成的時間，而且影響爆破效果和掘進速度。為加快掘進速度在提高機械化程度、改進工作組織的前提下，加大分層高度是加快掘進速度的有效方法。參考類似工程經驗，考慮導井直徑為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個工作面，則采取上下各封堵50cm，一次起爆。

3.4 高精度鉆孔

導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，造孔精度遠高于一般爆破鉆孔，高精度鉆孔具體措施如下。

3.4.1 修建混凝土鉆孔平臺

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

3.4.2 設置鉆機加固型鋼支架

鉆孔采用QZJ- 100B型潛孔鉆機，鉆孔前在鉆孔平臺上搭設鉆機加固型鋼支架加固鉆機，鉆機加固支架搭設堅固，開鉆后不變形、不移位。

3.4.3 鉆孔作業

QZJ- 100B潛孔鉆機是由氣動馬達或電動機驅動回轉，氣缸直接推進進行鉆孔，性能可靠，操作簡單，動力單一，體積小，重量輕，便于移動。為防止開孔時“跑鉆”，采用有“釬斗扶持定位器”的鉆機，同時利用預埋鋼管做為開孔定位。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。

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。

3.4.5 鉆孔糾偏

鉆孔過程中如發現偏斜率超出鉆孔精度，立即采用小風壓，高轉速進行鉆孔，慢慢調整偏差。如果偏差較大，無法糾偏時，立即終止鉆孔，用水泥漿回填，重新鉆孔

3.5 裝藥封堵

炮孔裝藥在導井上部鉆孔平臺進行，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，連續投放10節，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結塊，進而影響下以循環爆破作業。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 爆破網絡

爆破網絡采用導爆索入孔引爆炸藥，非電毫秒塑料導爆管雷管孔口延時，電雷管起爆，組成毫秒微差延時起爆網絡，非電毫秒塑料導爆管雷管全部采用雙發，網絡采用復式交叉網絡。網絡延時時間，對于掏槽孔爆破延時選擇在100～150ms，輔助孔取100～200ms。具體爆破網路設計如圖5所示。

圖5 爆破網路圖

3.7 爆破參數

具體導井爆破參數見表1。

表1 導井爆破參數表

3.8 爆破效果

電纜豎井導井自2013年7月23日開始施工，于2013年8月10日貫通，實際掘進時間為18d，導井開挖輪廓規整，溜碴順暢，在整個施工過程中未出任何安全事故，工作人員作業環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，節約施工成本50萬元，導井爆破成井效果如圖6所示。

圖6 導井爆破成井效果

4 注意事項

所有鉆孔一次性完成，孔深大，鉆孔過程中必須嚴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，會嚴重影響爆破效果，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嚴格遵守安全管理和信號管理規定，以防因上、下工作面信息傳遞不當，引發安全問題。導井一旦開始施工，人員無法到爆破工作面，因此每循環作業都必須嚴格精細化控制，確保底部封堵、裝藥、聯網等各個爆破工序安全可靠。

5 結語

該電纜豎井導井采用高精度鉆孔，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、微差爆破等多項爆破技術，順利完成了導井掘進。該方法不僅徹底改善了爆破作業環境，保證了施工安全，而且具有簡單易行、施工速度快、施工成本低等優點，值得類似工程推廣參考。但由于掏槽孔對鉆孔精度要求高，超過30m的導井不宜使用反向分層爆破進行掘進。

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