郭 坤， 王 刚， 刘紫朝

(中国水利水电第三工程局有限公司， 西安 710016)



反向分层爆破技术在浅竖井开挖中的应用

郭 坤， 王 刚， 刘紫朝

(中国水利水电第三工程局有限公司， 西安 710016)

摘要：自上而下一次钻成贯穿整个竖井的深孔，将竖井划分为若干个爆破分段，自下而上逐层进行反向爆破，爆破产生的石渣通过自重沿竖井下部自由面落入竖井底部，爆破产生的烟尘经由钻孔到地表或上部平硐排出，爆破作业可多循环、连续作业，实现竖井快速贯通。本技术安全可靠、干扰因素少，节约了大量资金投入。

关键词：反向分层； 浅竖井； 螺旋掏槽； 孔底填塞； 爆破； 竖井开挖

1引 言

水利水电工程施工中，通常会遇到竖井式闸门井、调压井、电缆井与通风井等建筑物的施工，在以往的水利水电工程中竖井导井施工时，多采用反井钻机法、阿里马克爬罐法、人工正向、反向开挖法等方法施工竖井导井。对于30m以内的浅竖井开挖，如采用反井钻机法、爬罐法等，不仅费用高、受施工条件制约，而且工序多、施工时间相对较长。因此，浅竖井开挖施工需要探寻一种快速简捷、方便实用、安全环保的方法〔1-2〕。

本文结合辽宁东湖电站电缆竖井开挖工程实例，并借鉴国内外竖井开挖的先进经验，采取一次性钻孔，自下而上反向分层爆破，取得了浅竖井导井快速贯通的新方法。

2工程概况

辽宁省东湖电站进水口电缆竖井设计开挖断面尺寸9.08m×8.65m，开挖高程EL304.0~EL276.0，开挖深度为28.0m。电缆竖井导井开挖采用反向分层爆破技术施工，施工时在竖井中心部位设溜渣导井一个，导井尺寸3m×2m(长×宽)，导井下部电缆廊道已形成，可作为导井开挖爆破出渣通道。电缆竖井设计见图1。

图1　电缆竖井及导井设计Fig.1　The design chart of cable shaft and pilot shaft

3工艺原理、范围及流程

3.1工艺原理

借鉴采矿工程中的VCR法，其主要工艺原理是：自上而下一次钻成贯穿整个竖井的深孔、然后将竖井划分为若干个爆破分段，自下而上逐层进行反向爆破，爆破产生的石渣通过自重沿竖井下部自由面落入竖井底部，爆破产生的烟尘经由钻孔到地表或上部平硐排出，实现连续作业、实现竖井快速贯通的方法〔3-6〕。

3.2适用范围

采用反向分层爆破技术进行竖井导井开挖，钻孔精度是该技术成败的关键。实践证明，深度超过30m以后，钻孔偏差过大，不适宜采用本方法施工。因此，该方法适用于围岩具有一定自稳能力、深度不超过30m、直径不小于4m的浅竖井钻爆法施工。

3.3施工工艺流程

浅竖井反向分层爆破施工工艺流程见图2。

图2　浅竖井反向分层爆破施工工艺流程图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：竖井爆破采取螺旋形掏槽爆破，其原理是利用空孔作为自由面，各装药孔至空孔的距离依次递增，呈螺旋线形布置，并由近及远顺序起爆，能充分利用自由面，扩大掏槽效果。中心位置布置大直径空孔一个，直径不小于200mm，围绕中心孔布置螺旋形爆破孔，孔径90mm。爆破时自下而上分层爆破，分层高度控制在2m以内。螺旋掏槽爆破布孔平面见图3，螺旋掏槽爆破剖面见图4。

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

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

爆破参数：螺旋掏槽爆破共布设钻孔11个，其中1个空孔、10个爆破孔，采取逐孔逐响的爆破方式，炮孔参数和爆破参数见表1。

表1　螺旋掏槽爆破参数

注：总装药量：Q=10×6.4=64kg； 爆破方量：V=3×2×1.8≈11m3； 炸药单耗：q=Q/V=64/10.8≈5.9kg/m3。

作业循环：由于采取一次钻孔分层爆破，爆破作业可连续进行，一次爆破作业循环时间见表2。

表2　爆破作业循环时间

4.2钻孔控制

钻孔平台混凝土浇筑：在导井钻孔范围内浇筑混凝土找平层，混凝土强度等级为C20，混凝土浇筑范围为超出钻孔范围外1m，厚度20cm。在浇筑混凝土前将基础上的松渣清除干净，平台顶面平整度小于5mm。

大直径钻孔：采用SL400B型水井钻机施工，施工时首先将钻机吊至钻孔平台上，调节好钻机位置，固定钻机，用起落油缸慢慢竖起钻架，直到其顶住定位块竖起主机钻架，最后用螺钉将钻架固定，使钻架垂直混凝土基础面，且钻头位置对准中心孔孔位。开始钻进时采用高转速低钻压，每钻进5cm深度时，对钻杆进行一次垂直度检查，当钻进达到1m后，每1m进行一次垂直度检查，钻杆垂直度控制在±0.5°以内, 当回转头下降到最低点时，提升回转头，接下一根钻杆。

辅助爆破孔钻孔：采用QZJ-100B潜孔钻钻孔，钻机安装前先在钻孔位置搭设钻机平台，用于加固钻机，钻机平台搭设时应留出钻机安装空间，平台搭设应坚固，开钻后平台不变形、不移位。为防止开孔时“跑钻”，宜采用有“钎斗扶持定位器”的钻机。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，钻杆垂直度控制在±0.5°以内。

钻孔检查：检查项目主要有钻孔直径、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。

4.3爆破控制

孔底填塞：将柔性编织袋卷成略大于孔径的圆柱状，并在编织袋上绑扎尼龙绳，自孔口用软质炮杆缓慢送入孔中，通过炮杆上的刻度测量孔深控制填塞物下降位置，当填塞物下降到孔底附近时，将尼龙绳在孔口绑住，随后将锚固剂捆成略小于孔径的圆柱形，从孔口放入至孔底，如下落过程受阻，可用炮杆辅助送置于孔底填塞物之上，然后自孔口向孔内灌入适量水，使锚固剂反应膨胀，挤紧孔底填塞，10分钟之后，即可进行炮孔装药作业。

装药：将φ32mm乳化炸药每4根捆扎在一起，自孔口装入孔中，导爆索连同底节药卷送入孔底，通过炮杆上的刻度变化值控制装药高度，当药卷入孔受阻时，可用炮杆将药卷辅助送置于孔底，装药时严格按测量的孔深和爆破设计控制装药高度，确保药柱顶面处于同一高度。需将伸出孔口的导爆索预留足够的长度，并临时固定，以防落入孔内。

孔口填塞：装药完成后，从孔口灌入粘土与细砂混合物，边填塞边用炮杆捣固，填塞长度2m左右。填塞时应防止将导爆索损坏。

连网起爆：网路连接在地表进行，按爆破设计网路绑扎起爆雷管，每孔宜用双发雷管起爆。起爆前应做好爆破警戒应在井底平硐区域之外、井口作业区域之外同时设立警戒区，并确保上下信号畅通。

爆后检查：如遇盲炮时，当网路完整或导爆索完整时，重新连网起爆；如遇到炮孔内有残留炸药时，可重新制作起爆体入孔，对残余炸药进行诱爆。

炮孔疏通：爆破后个别炮孔阻塞时可用炮杆疏通法、灌水法或钻机法疏通炮孔，疏通炮孔时应在确认炮孔内无残留炸药之后进行。

爆破作业各工序见图5。

图5　爆破作业各工序示意图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术，对竖井导井之外岩体扰动小，为竖井扩挖创造了良好的围岩条件。由于严格控制钻孔精度，采取精细化爆破，竖井导井开挖质量能够得到全面控制，竖井导井开挖轮廓规整，为竖井扩挖提供了良好的溜渣通道。爆破效果见图6。

图6　爆破效果Fig.6　The blasting effect

4.5质量控制

(1)钻孔平台混凝土浇筑前将基础上的松渣清除干净，平台顶面平整度小于5mm。

(2)所有钻孔垂直度控制在±0.5°以内； QZJ-100B潜孔钻机宜采用有“钎斗扶持定位器”的钻机；钻孔孔位精确测量放样，钻机就位后用水平尺和铅垂球从多角度进行精确测量，再对中心点进行校核，确保钻杆垂直于水平面。

(3)钻孔直径偏差应控制在3mm以内，相邻炮孔孔底距离偏差控制在10cm以内；钻孔作业应精心操作，挑选有多年实践经验的操作人员，按照操作规程进行，及时发现和处理钻孔偏差，并解决钻进中的问题和故障。开孔钻进时，先采用慢转速，低钻压进行钻进。开孔后，即可按正常钻压进行钻进，开孔阶段需随时检查垂直度并及时纠偏；爆破前需对炮孔逐孔检查深度、孔斜、孔距、孔径等，并编号登记。

(4)孔底填塞控制在孔底30cm范围，填塞必须坚固牢靠，填塞应足以承载上部药柱重量；药柱顶部应位于同一水平面，相邻炮孔药柱高差应控制在5cm以内。导爆索应采用双索入孔，起爆雷管应用双发起爆，网路采取复式交叉网路。爆破作业应由爆破工操作，每次爆破应做好爆破记录。

4.6几点体会

(1)采取螺旋掏槽爆破技术，对竖井导井之外岩体扰动小，为下一步竖井扩挖创造了良好的围岩条件。爆破作业可多循环、连续作业，对竖井的快速成井效果显著。每一爆破作业循环时间可控制在6小时之内，每天可完成3~4个循环，进尺可达5m~8m、30m深的竖井，爆破作业可在5天~6天内完成，实现竖井导井的快速成井。

(2)作业环境得到全面改善， 对环境造成污染小。钻孔及爆破作业全部在地表上操作，不需要施工人员至开挖工作面施工，改善了施工作业环境。作业人员无需进入掌子面作业，避免了井壁掉块、坍塌等造成的安全隐患，保证了作业人员的生命安全。当钻孔自上而下贯通后，基岩裂隙水通过钻孔得疏导，排入下部平硐，可实现无水条件下爆破作业。

(3)爆破后围岩具有一定自稳能力，无需进行掌子面排险作业。通风排烟快、能量利用率高、生产效率高。由于安全性高、干扰因素少、工程进度快，节约了大量工程费用的投入。

5结 论

(1)在浅竖井导井开挖中应用反向分层爆破技术，具有快速简捷、方便实用、安全环保、使用效果显著、受施工条件限制小的诸多优点。

(2)采用本技术进行竖井导井开挖，既能加快施工进度、节约成本，又可以确保导井开挖全过程安全可靠，在类似浅竖井导井开挖中有广泛的应用前景。

参考文献(References)：

〔1〕GB 6722-2014 爆破安全规程[S]. 北京：中国标准出版社，2014.

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

〔2〕 汪旭光. 中国爆破新进展[M]. 北京：冶金工业出版社，2014.

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

〔3〕 于亚伦. 工程爆破理论与技术[M]. 北京：冶金工业出版 社，2004.

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

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

〔5〕 张正宇. 水利水电工程精细爆破概论[M]. 北京：中国水利水电出版社,2009.

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

〔6〕 何晓武,李明,罗先伟,等. VCR法爆破成井施工常见问题及预防方法[J]. 采矿技术，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

中图分类号：TD235； TD851

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.010

作者简介：郭 坤(1964-)，男，高级工程师，主要从事水利水电工程实践研究。E-mail： 409543505@qq.com通讯作者： 王 刚(1969-)，男，教授级高级工程师，从事水利水电工程施工理论研究及应用。E-mail： wg690525730@163.com

收稿日期：2015-11-03

文章编号：1006-7051(2016)01-0049-04