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“深孔逆爆法”在开挖竖井施工中的研究及应用

2024-09-18 31 上传者：管理员

摘要：竖井开挖施工面临着复杂的技术挑战和对安全的较高要求，而传统的施工方法已难以满足日益增长的对施工效率和安全性的需求。本文提出一种新型的竖井开挖方法“深孔逆爆法”，通过一次性钻孔和自下而上的分段爆破，优化了施工流程，减少了设备投入和工序交叉，还显著提高了施工安全性和工作效率。在某水库导流洞工程中，深孔逆爆法表现出良好的适应性和可靠性，通过精确的钻孔质量控制和高效的爆破流程设计，确保了竖井的开挖质量，在技术经济指标方面也优于传统方法，为竖井开挖工程提供了一种高效、安全和经济的新施工方法。

关键词：
分段爆破
施工安全性
施工流程
深孔逆爆法
竖井开挖
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近年来，随着我国经济的快速发展和基础设施建设的不断推进，竖井开挖项目的开展逐渐增多，在施工过程中面临的多种困难和技术难题已成为工程界亟待解决的问题。

目前众多相关领域学者对竖井开挖技术提出见解，其中周凯[1]等人对于复合地层开挖提出了采用竖井掘进机开挖，将预制竖井管片现场拼装，重点研究机械挖掘的施工工艺。刘烛光[2]等人针对软弱围岩和不良地质，研究反井钻机施工过程中工序，提出了导孔施工和二次钻进施工工艺，提高了成井效率，降低了施工成本。吴发展[3]等针对复杂城市管线及地下水影响，采用人工机械相结合的施工方式，研究成井过程中围岩加固及测量监控的措施。但诸多学者研究大都针对机械开挖的方式，通过改进施工流程、施工工艺，施工工期长、效率低，成井精度差，在冬季环境下不能高效开展施工。因此本文提出了一种高效安全的竖井开挖方法———“深孔逆爆法”，保证质量的前提下，对传统施工方法进行重要革新。通过将大部分地下作业转移至地面，简化工序，提升钻孔精度和爆破效率，保证钻孔的质量和爆破后洞壁的开挖质量，在严寒冬季的施工环境中展现出显著优势。

1、工程概况

本案例为某水库导流洞工程，导流洞由进口引渠、事故门进水塔、有压隧洞段、工作门竖井、无压隧洞段及出口消能段组成。泄洪洞工作门竖井孔口底板高程为1924.709m，竖井顶高程为1989.200m，底板长15m，宽9.4m；工作门竖井孔口尺寸为3.8m×3.6m，内设1道弧形工作门。竖井底部闸室段长15m，开挖宽度7.5m，开挖高程1922.109m；闸井段开挖断面为8×7.5m，井台开挖到岩石基面高程为1980m，下部与平洞交叉处高程为1930.809m；采用C30喷锚挂网支护，喷砼厚度为10cm，锚杆采用Φ25锚杆，间排距2.0m，梅花型布置，伸入岩石4.0m，挂网采用准8钢筋，间排距200mmm。

工作门竖井开挖包括底部闸室段开挖和闸井段开挖，闸室段从平洞开挖出渣，对于闸井段，地面以下开挖深度49.2m，原计划采用在地面搭设井架，挖先导井，待平洞贯通后再扩挖成井的方案。但由于气候严寒、施工区在风口，经常刮大风，人工在井下施工时，受气候和大风影响，井下施工人员和井架的安全难以保障。为在保证安全的前提下，按期完成任务，需对既有的竖井开挖方法进行创新，以期取得良好的经济效益。

2、“深孔逆爆法”工艺特点

2.1工艺简介

经过从工期、质量、安全等方面的比较分析，采用了“深孔逆爆法”开挖先导井，即从地面按闸井开挖深度一次性完成造孔，然后自下而上分段反向爆破完成先导井开挖，在四周井壁预留1.2m厚光爆层，再自上而下分段爆破扩挖成井，出渣从竖井底部平洞进行。

“深孔逆爆法”是将竖井开挖施工中的许多工序由地下施工变为地面施工，钻孔、装药、爆破均在地面进行，而且采用潜孔钻机一次性完成钻孔，开挖施工仅剩下扫孔、装药、爆破三道工序循环，爆破石渣自由滑落到底部闸室内，待爆渣堆积一定高度后，才从底部平洞集中出渣；工序无交叉，循环作业简单安全，一次分段高度大，爆破效率高、速度快。

2.2施工准备

(1)场地清理：闸井段具备施工条件后，用挖掘机挖除闸井上部的覆盖层，直到岩石出露，具备钻机钻孔施工条件。

(2)施工材料准备：炸药和雷管、自备材料主要是制作爆破筒的PVC管和钻杆、钻头、冲击器、钢管、扣件等。

(3)施工设备：KQJ-100B潜孔钻机1台、KXP-1型电子钻孔测斜仪1套、20m3/min电动空压机1台、另备注浆和制浆设备1套、南方科佳全站仪1台、PQ-5型砼喷射机、手风钻2台。

(4)测量控制点复核：为保证闸井准确定位，施工前对测量控制点进行了复测，并在井口附近设测量控制点。

2.3施工程序

主要施工程序为：深孔钻进→先导井爆破→扩挖支护。

钻孔采用KQJ-100B潜孔钻机从地面自上而下进行，钻孔分中心孔、主爆孔、缓冲孔、光爆孔，钻孔布置如图1、图2所示。中心孔1，主爆孔2、3，缓冲孔4，从井底向井口反向分段爆破，单次爆破高度5m；缓冲孔4至光爆孔留1～1.2m保护层，光面孔5由井口向井底分段爆破，单次爆深4.5m，光爆后立即对光爆段实施支护，支护完毕，进入下一循环。

图1 钻孔平面布置图

3、“深孔逆爆法”工艺流程及技术关键点

3.1钻孔准备

首先，通过导线测量和全站仪确定竖井中心和四角点，设置钻孔位置，并用水准仪测量钻孔深度。接着，搭建钢管定位架，确保钻机滑轨垂直并固定。钻机底座保持水平稳定，钻杆接头逐一检查并调直，弯曲的钻杆用千斤顶矫正。钻孔中心与立轴对齐，确保钻进方向准确，防止在不规则岩石上钻孔时偏斜，为此在钻机支腿上安装了钎头扶持定位器。

图2 钻孔剖面图

3.2钻进操作

开钻时采用低速，待钻进一定深度且孔斜度合格后逐渐加速。遇到岩石层变化，如软硬、完整度变化，应减压减速钻进，控制进尺速度，以适应不同地质条件，确保钻孔质量和安全。钻进中，勤检查钻机有无移动，立轴钻进的方向有无变化，发现问题及时纠正；为保证钻孔质量，钻进过程中使用KXP-1型测斜仪测定孔斜，周边孔钻孔偏斜率控制在0.3%以内，其它炮孔钻孔偏斜率控制在0.5%以内。

3.3施爆流程

竖井中心孔1、主爆孔2和3、缓冲孔4按从井底向井口反向呈“八”字形向上施爆直到井口，形成先导井，如图3、图4所示。装药前将准50mm塑料管插入孔内，向孔内通入高压风冲孔，冲出孔内碎渣，保证炮孔上下通顺；装药、封堵孔用准50PVC管从井口施工，封堵孔材料用编织袋。先导井开挖具体施爆顺序为：

第一次爆破：中心孔1，孔底封孔1.0m，装药3.5m，堵孔1.5m，电雷管起爆。

第二次爆破：中心孔1装药同第一次；主爆孔2孔底封孔2.0m，装药2.5m，堵孔2.0m；毫秒延期电雷管按1、2顺序分段起爆。

第三次爆破：中心孔1，主爆孔2、3，装药同第二次；毫秒电雷管按1、2、3顺序分段起爆。

第四次爆破：中心孔1、主爆孔2、3装药同第三次；缓冲孔4孔底封孔1.0m，传爆线按15cm间断装药3.5m，堵孔1.5m，炮孔内药卷用导爆索串联；毫秒延期电雷管按1、2、3、4分段起爆。

第五次爆破及以后爆破同第四次爆破直至井口（呈八字形）。

光爆与竖井支护交叉施工，光面孔5从井口向井底实施分段爆破，光面孔5在孔口和孔底各封孔1.0m,3.5m段用传爆线按20～25cm间隔装药（炸药标准为32cm×200g），四边用毫秒延期电雷管分段起爆。

3.4爆破参数

单段起爆药量：为了保证相邻洞室的安全，减小爆破振动速度，参考《水工建筑物地下开挖工程施工规范》计算出最大段起爆药量68kg。施工中结合实际施工情况不断调整爆破参数，尽可能地减少爆破对围岩不必要的振动影响。

图3 炮孔装药结构图

3.5支护

光爆孔一次性从上到下钻至竖井相同深度。先导井完成时，周围保留光爆层，自上而下分段爆破。爆破后，立即进行锚杆喷射混凝土挂网支护，使用自制升降平台作业。锚杆用手风钻钻孔，装填水泥药卷，人工辅助安装。喷射混凝土采用干喷法，喷射管深入井内，配备风扇增强通风。

4、施工流程改进

4.1爆破安全技术

将竖井开挖施工中要在地下进行的作业变成地面作业，工序无交叉，施工安全有保证。在洞室爆破施工中利用潜孔钻钻深孔，在地面一次完成全部炮孔的钻进，用PVC管制作爆破药筒，从装药结构、装药量、起爆时间间隔等方面来减少爆破振动，保证施工安全和质量；在地面引爆毫秒电雷管实现自下而上的反向分段微差爆破，在短时间内完成了先导井的贯通。采用自进式中空注浆锚杆，解决了破碎岩层中钻孔塌孔而导致砂浆锚杆无法施工的难题。自进式锚杆由带螺纹的中空杆体、钻头、联结套、止浆塞、拱形垫板及螺母组成，竖井的围岩为镶嵌碎裂结构，钻孔时易塌孔、堵孔，应用自进式锚杆具有特殊作用，减少了处理塌孔的麻烦，降低破碎地层中锚杆施工难度，加快了施工进度，对井壁起到了迅速锚固的作用。

图4中：(1)～(12)表示深孔分段爆破顺序，单次爆破高度5m。中心孔1、主爆孔2和3、缓冲孔4从井底向井口分段起爆，每次爆破用电雷管按1、2、3、4炮孔顺序起爆。爆破后先导井呈八字形。预留光爆层1.2m，光面孔5由井口向井底分段爆破单次爆深4.5m。

图4 竖井深孔分段爆破方法示意图

表1 深孔爆破法开挖竖井主要经济技术指标比较表

4.2提升钻孔精度

在钻孔过程中，引入电子测斜仪快速测出孔斜，及时纠偏，保证了钻孔的质量和爆破后洞壁的开挖质量。钻孔轨迹是一空间变化的曲线；钻孔轴心线上任一点的空间坐标，由孔深（L）、顶角（θ）、方位角（α)3个参数确定。KXP-1型轻便测斜仪是测量钻孔弯曲的小型仪器，可在孔内作连贯多点的测量其方位角和顶角。仪器利用磁针定向，采用非电量电测法通过三芯电缆在地面读数。本仪器结构简单，使用方便，精度与同类型大口径仪器相同。在钻探施工中，每钻进5m测一次孔斜，如发现钻孔偏离设计方向时，应调整测斜间距，增加测点，精确测出方位角和顶角的变化值，搞清钻孔弯曲部位，以便采取必要措施进行矫正工作，使钻孔弯曲保持在允许范围内。

根据钻进原理采取逆向思维的方法，在冲击器与钎杆之间连接杆的锥面上镶嵌硬质合金块，并让其错落分布，使其在钻具提升（或退钻）时依靠钻具的提升力和回转扭矩对碎石进行剪切和珩磨，使其成为岩粉，实现反向钻进。这样既可顺利地提钻（或退钻），还可减少碎石对冲击外壳的磨损，使冲击器的使用寿命延长2倍以上。经试用，此方法切实可行。提钻（或退钻）时间由原来的数天缩短为15～20min，使破碎岩层钻孔作业（或退钻）效率提高了近百倍。在破碎岩层中钻孔，对钻具进行改进，克服了“卡钻”的难题。

4.3反向爆破

用PVC管制作爆破筒，根据聚能原理，实现了深孔自下而上的反向爆破。调整PVC管下部封孔和上部堵孔段长度[4]，药筒内采用间隔装药，顶部堵实，将爆破能量的释放方向引到药筒下部，实现了自下而上的反向爆破。

5、经济成本预估

5.1主要技术经济指标比较

深孔爆破法开挖竖井，一次钻孔、分段爆破进尺在5m左右，一次爆破方量大，主要技术经济指标和传统的分段钻孔分段爆破法开挖竖井比较见表1。

5.2工期比较

深孔爆破法在竖井开挖中显著提高了施工效率。与传统自上而下的分段开挖方法相比，该方法通过一次性钻孔并自下而上爆破，实现了机械化作业，简化了出碴流程，加快了开挖速度。在40m至70m深度的竖井工程中，深孔爆破法将原本地下进行的钻孔、装药和爆破等步骤转移到地面，减少了设备投入，降低了工序间的复杂性，提高了安全性。同时，这种方法减少了炸药和雷管的单方消耗，具有较高的技术经济指标。因此，深孔爆破法在水利水电工程中是一种高效、安全且经济的竖井开挖新选择。

6、结论

本文通过对“深孔逆爆法”在竖井开挖施工中的技术特点，施工方法和实际工程应用中的研究，验证了其在技术、安全和经济方面的显著优势。

技术特点：深孔逆爆法采用一次性钻孔和自下而上的分段爆破技术，优化了竖井开挖的施工流程。该方法有效减少了复杂的地下作业过程，提高了钻孔精度和爆破效果，保证了竖井洞壁质量。

安全性提高：深孔逆爆法通过一次性钻孔和反向爆破技术，减少了施工过程中的安全隐患，整体施工过程无工序交叉，大部分工作在地面完成，大大降低了传统竖井开挖过程中大量地下作业造成的风险。

经济成本优化：相比传统竖井开挖方法，深孔逆爆法能显著降低设备投入和材料消耗。通过合理设计爆破顺序，减少钻孔摊销、炸药单耗和雷管消耗，有效缩短了工期，降低了人工和材料成本，提高了施工效率，优化了工程的经济效益。

综上所述，深孔逆爆法通过创新的施工技术和流程优化，该方法不仅优化了施工效率和质量，提高了施工过程中的安全性，还在经济效益方面表现出明显的优势，为竖井开挖施工提供了一种高效、安全且经济的新方法，有广泛的应用前景和推广价值。

参考文献:

[1]周凯.复合地层沉井式竖井机械法掘进施工技术[J].价值工程,2024,43(11):93-96.

[2]刘烛光,张光锰.竖井Ⅳ类围岩及不良地质段反井钻机导井开挖施工技术[C]//《施工技术》杂志社,亚太建设科技信息研究院有限公司.2022年全国土木工程施工技术交流会论文集(下册).云南建投第一水利水电建设有限公司,2022:2.

[3]吴发展,张歌谣.电缆隧道EJ3竖井深基坑施工技术[J].中国水运(下半月),2019,19(06):233-234.

[4]牛垚,王建立,王铮,等.PVC管装药预裂爆破在露天开采的应用[J].建材世界,2024,45(02):133-136.

文章来源:任浩亮,田永轩,兰雯竣,等.“深孔逆爆法”在开挖竖井施工中的研究及应用[J].价值工程,2024,43(26):96-99.