浅导井反向分层爆破技术研究

陈 龙,李玉凡,梅 媛

(1.中国水电基础局有限公司，天津 301799；2.中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710016)

地下引水发电系统是水电站常用的设计形式之一，在地下引水发电系统中调压井、闸门井、出线井、通风井及交通井等水工建筑物常采用竖井形式设计，竖井上部通常露天(或已有施工通道)，下部有通往竖井底部的施工通道。竖井开挖通常需要先开挖一个小断面的导井，再利用导井作为竖井开挖的临空面和溜渣井，进行二次扩挖至设计轮廓线。导井掘进通常采用吊罐、爬罐和反井钻法掘进，吊罐和爬罐法安全风险高，劳动强度大，作业环境差，施工速度慢；反井钻法前期准备期长，造价高，特别是对于工程规模小的浅竖井，设备费占比高，无经济性可言，需要探索一种安全、快速和经济的导井掘进方法。

1 工程简述

某水电站装机容量2×13MW，主要由取水首部和输水隧洞组成，其中取水首部包括取水口建筑物、压力引水隧洞、地下厂房系统、升压站、交通洞等主要建筑物。升压站的升压电缆竖井设计断面为9.08m×8.65m的矩形，竖井深为21.09m，高程为EL304.00～EL283.01m，开挖方量为1656m3，竖井井口通向地面，下部施工通道已完成。

2 问题提出

项目初期，电缆竖井拟采用反井钻施工中导井，工程开工进点后，经现场踏勘，发现场内施工道路等级低，弯道多，转弯半径小，需要翻修约10km的道路方可满足反井钻机运输，同时反井钻机施工需要铺设专用电缆、修建施工水池和施工平台等多项准备工作，准备期约45d。爬罐法施工也存在与反井钻施工类似问题，吊罐法施工安全风险大，作业人员劳动强度高，作业环境恶劣。而电缆竖井的导井能否按时贯通，是决定电缆竖井能否按期完成，避免电缆井与主厂房施工干扰，改善厂房、主变洞、交通洞等通风条件的前题条件，因此必须对导井掘进技术进行研究，找到一种简单、易行、安全、快速完成导井的施工方案。

3 施工方案

3.1 方案选择

根据现场情况，分析施工机械性能和其他项目导井掘进方法，导井掘进主要存在钻孔作业条件差；出渣安全风险高；断面尺寸小，只有一个爆破临空面，夹制力大，循环进尺小，施工速度慢等问题。经研究决定采用从地面向井底高精度一次性完成钻孔，改善钻孔作业条件；采用反向爆破，爆破后石渣自由落至井底电缆洞内，保证出渣安全；考虑导井掘进和小断面平洞掘进边界条件非常接近，把平洞直眼掏槽技术用于反导井掘进，增大循环进尺，减少循环次数，加快施工进度[1- 7]。具体导井布置位置如图1、2所示。

图1 导井平面布置图

图2 导井剖面图

3.2 掏槽方式

由于掏槽孔是自地面钻至井底一次性成孔，所以掏槽方式选用中部直眼掏槽。直眼掏槽分螺旋掏槽和对称掏槽，螺旋掏槽对打孔精度要求很高，一旦其中一个掏槽孔拒爆将会导致爆破失败。对称式掏槽对掏槽孔精度要求相对较低，爆破成功率高，故掏槽方式采用对称式直眼掏槽技术。

掏槽设计计算如下：

掏槽孔孔径φ100mm，在竖井圆心位置布置一个装药孔，半径300mm的圆周上布置4个空孔，在半径650mm的圆上布置4个爆破孔。

(1)掏槽孔布置计算:

D=dn1/2=100×40.5=200mm

式中，D—空孔等效直径；d—单个空孔的直径；n—空孔数量。

(2)爆破孔到空孔的距离:

a=1.5D=1.5×200=300mm

式中，a—第一层爆破孔到空孔的距离；D—空孔等效直径。

(3)外面掏槽孔间距：B1=W1=424mm，取B1=350mm

式中，W1—空孔间距；B1—二次爆破孔到空孔连线的距离。

具体掏槽孔布置平面如图3所示。

图3 掏槽孔平面布置图

3.3 分层高度

导井掘进分层高度不仅决定着工序的工作量和完成的时间，而且影响爆破效果和掘进速度。为加快掘进速度在提高机械化程度、改进工作组织的前提下，加大分层高度是加快掘进速度的有效方法。参考类似工程经验，考虑导井直径为3m圆形断面和直眼掏槽的爆破效果，分层高度选为2.5m，最后井口5m范围由于上下有2个工作面，则采取上下各封堵50cm，一次起爆。

3.4 高精度钻孔

导井所有钻孔全部由地面一次性钻至井底，孔深20.5m，上、下贯穿后，孔位偏差±10cm，钻孔偏斜率5%以内，造孔精度远高于一般爆破钻孔，高精度钻孔具体措施如下。

3.4.1 修建混凝土钻孔平台

在电缆竖井井口浇筑混凝土钻孔平台，平台面积5m×5m，中心与导井中心重合，混凝土标号C20，厚度20cm，表面平整度±5mm，钻孔位置用全站仪精确放样，提前预埋长30cm，直径φ100mm钢管，预埋位置偏差±5mm，垂直度偏差±0.5°。

3.4.2 设置钻机加固型钢支架

钻孔采用QZJ- 100B型潜孔钻机，钻孔前在钻孔平台上搭设钻机加固型钢支架加固钻机，钻机加固支架搭设坚固，开钻后不变形、不移位。

3.4.3 钻孔作业

QZJ- 100B潜孔钻机是由气动马达或电动机驱动回转，气缸直接推进进行钻孔，性能可靠，操作简单，动力单一，体积小，重量轻，便于移动。为防止开孔时“跑钻”，采用有“钎斗扶持定位器”的钻机，同时利用预埋钢管做为开孔定位。开始钻进时采用高转速低风压钻进，开孔时应加大垂直度检查频率，钻进达到1m后，每1m进行一次垂直度检查。

3.4.4 钻孔检查

主要检查钻孔直径、钻孔间距、钻孔孔斜及钻孔深度，钻孔直径及钻孔间距用钢卷尺进行测量，钻孔孔斜及钻孔深度用测绳进行测量，每次爆破后需对每一炮孔深度进行精确测量，并逐孔编号记录。

3.4.5 钻孔纠偏

钻孔过程中如发现偏斜率超出钻孔精度，立即采用小风压，高转速进行钻孔，慢慢调整偏差。如果偏差较大，无法纠偏时，立即终止钻孔，用水泥浆回填，重新钻孔

3.5 装药封堵

炮孔装药在导井上部钻孔平台进行，先将绳子从炮孔下落至底部电缆洞，在电缆洞将编织物绑在绳子上，然后把编织物拉至距离炮孔底部100cm位置，做成封底，在孔口将绳子放松50cm，并在井口固定牢固。炸药选用φ70mm乳化炸药，将药卷从孔口放到孔底，连续投放10节，装药高度200cm。装药后上部不封堵，以防止封堵物在爆炸作用下被压实结块，进而影响下以循环爆破作业。分层高度、装药及封堵如图4所示。

图4 分层高度、装药及封堵图

3.6 爆破网络

爆破网络采用导爆索入孔引爆炸药，非电毫秒塑料导爆管雷管孔口延时，电雷管起爆，组成毫秒微差延时起爆网络，非电毫秒塑料导爆管雷管全部采用双发，网络采用复式交叉网络。网络延时时间，对于掏槽孔爆破延时选择在100～150ms，辅助孔取100～200ms。具体爆破网路设计如图5所示。

图5 爆破网路图

3.7 爆破参数

具体导井爆破参数见表1。

表1 导井爆破参数表

3.8 爆破效果

电缆竖井导井自2013年7月23日开始施工，于2013年8月10日贯通，实际掘进时间为18d，导井开挖轮廓规整，溜碴顺畅，在整个施工过程中未出任何安全事故，工作人员作业环境和安全得到了大幅度改善。与原反井钻方案相比较，提前工期25d，节约施工成本50万元，导井爆破成井效果如图6所示。

图6 导井爆破成井效果

4 注意事项

所有钻孔一次性完成，孔深大，钻孔过程中必须严格按高精度钻孔要求施工，特别是中部掏槽孔，如果钻孔偏斜过大，会严重影响爆破效果，甚至造成掏槽失败，因此钻孔完成后，炮孔必须检查合格方可装药爆破。施工过程中井口与井底工作人员应严格遵守安全管理和信号管理规定，以防因上、下工作面信息传递不当，引发安全问题。导井一旦开始施工，人员无法到爆破工作面，因此每循环作业都必须严格精细化控制，确保底部封堵、装药、联网等各个爆破工序安全可靠。

5 结语

该电缆竖井导井采用高精度钻孔，大孔径直眼、中部爆破、四周多空孔、桶形掏槽，反向分层、上部无封堵、微差爆破等多项爆破技术，顺利完成了导井掘进。该方法不仅彻底改善了爆破作业环境，保证了施工安全，而且具有简单易行、施工速度快、施工成本低等优点，值得类似工程推广参考。但由于掏槽孔对钻孔精度要求高，超过30m的导井不宜使用反向分层爆破进行掘进。

[1] 李海. 橙子沟水电站大直径调压井施工技术[J]. 水利技术监督, 2013(04): 53- 55.

[2] 汪旭光. 爆破设计与施工[M]. 北京: 冶金工业出版社, 2011.

[3] 杜晓虎. 水电站导流洞开挖施工技术探讨[J]. 水利技术监督, 2015(03): 96- 98.

[4] 雷子祥. 复杂地质条件下的洞挖施工技术[J]. 水利技术监督, 2015(03): 87- 91.

[5] 王秀红. 大伙房水库输水洞改造工程开挖方法比较[J]. 水利技术监督, 2015(05): 73- 74.

[6] 斯蒂格·O·奥路弗松. 建筑及采矿工程实用爆破技术[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1992.

[7] 薛辉. 梅山铁矿溜井一次爆破成井技术研究[J]. 矿业工程, 2011(03): 50- 52.