孫振川，王 亮（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

引松供水工程超大直徑豎井超深孔反向爆破成井施工技術(shù)

孫振川，王 亮
（中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003）

摘要：引松供水工程4標(biāo)段飲馬河調(diào)壓井深50 m，直徑為20 m，為圓柱形豎井結(jié)構(gòu)。主要巖性為凝灰質(zhì)砂巖，豎井井口地形陡峭、環(huán)境復(fù)雜，便道及施工場(chǎng)地布置困難，大型設(shè)備很難進(jìn)入，施工難度非常大。為解決因邊界條件復(fù)雜而造成施工方案選擇困難的問(wèn)題，通過(guò)資料查閱、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有豎井方案調(diào)研、專(zhuān)家咨詢(xún)等方法，多方案反復(fù)比選評(píng)審，大膽試驗(yàn)，提出并試驗(yàn)成功超大斷面超深孔反向爆破成井技術(shù)，特別是對(duì)爆破分區(qū)、爆破方案及關(guān)鍵施工工藝等方面進(jìn)行了深入研究，得出了一系列理論及參數(shù)，在施工條件極為困難的情況下，為本工程的順利實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：供水工程；調(diào)壓井；超大直徑超深豎井；反向爆破

0　引言

傳統(tǒng)大斷面豎井施工多為正向鉆爆法施工［1］，有下部作業(yè)空間時(shí)，也可采用導(dǎo)孔＋正向鉆爆擴(kuò)挖法［2］或?qū)Э祝聪蜚@爆擴(kuò)挖法［3－4］。對(duì)于深50 m、直徑為20 m的大斷面且地質(zhì)相對(duì)單一的圓形豎井來(lái)說(shuō)，常規(guī)正向鉆爆法是非常成熟的工法；但受制于井口地表復(fù)雜的地形條件，從場(chǎng)地布置、便道引入到設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，都使該方案難以實(shí)施，只能另辟蹊徑。雖然下部隧道已于先期建成，有可利用空間，正向?qū)Э祝聪蜚@爆法有一定的實(shí)施條件；但其實(shí)施環(huán)境差，安全風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)受制于復(fù)雜的地表地形條件，相應(yīng)的地表配套設(shè)備很難進(jìn)場(chǎng)，該方案亦很難實(shí)施。

深孔爆破法是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種爆破技術(shù)，主要用于礦山，先后在瑞典、前蘇聯(lián)、日本、芬蘭等國(guó)研究試驗(yàn)并成功運(yùn)用。我國(guó)于1958年開(kāi)始進(jìn)行深孔爆破法成井試驗(yàn)，先后在桃林鉛鋅礦、新疆可可特礦務(wù)局、八街鐵礦礦山等工程中成功運(yùn)用。在該方面李啟月等［5］研究了深孔爆破分為多孔球狀藥包爆破及直孔掏槽爆破2種模式，分析了一次爆破成井的技術(shù)難題，并提出相應(yīng)解決措施，認(rèn)為巖性、孔偏差、成井?dāng)嗝娲笮　⒊删叨仁怯绊懩Ｊ竭x擇的主要因素。周傳波［6］在深孔爆破成井鉆爆參數(shù)和工藝的影響因素、礦巖可爆性影響因素及試驗(yàn)地段礦巖可爆性評(píng)價(jià)等方面分析研究的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、模型

試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)爆破領(lǐng)域“三位一體”的研究方法，對(duì)深孔一次爆破成井中的相關(guān)爆破技術(shù)進(jìn)行了全面研究。袁向全等［7］和劉永文［8］通過(guò)對(duì)平行集束深孔爆破技術(shù)的研究，得出此技術(shù)可以減少爆破炸藥單耗、提高爆破質(zhì)量、減少爆破成本。由于該技術(shù)在地表不需要大型設(shè)備，對(duì)場(chǎng)地條件要求相對(duì)寬松，比較適合本工程；但從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，對(duì)深孔爆破掘進(jìn)成井技術(shù)的應(yīng)用，尤其在我國(guó)，絕大多數(shù)為小斷面、中天（豎）井（斷面面積不超過(guò)20 m2，鉆孔深度不超過(guò)30 m），而且對(duì)爆破振動(dòng)等危害的要求不高。對(duì)深孔爆破掘進(jìn)成井技術(shù)的研究，主要集中在實(shí)驗(yàn)研究，依托于爆破技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，而爆破理論研究體系并不完整，尤其是對(duì)爆破塊度、起爆網(wǎng)絡(luò)可靠度及爆破振動(dòng)等方面的研究更為缺失，大斷面、深豎井（相對(duì)反向爆破而言）超深孔反向掘進(jìn)的資料也難以檢索到。

綜上所述，針對(duì)本豎井復(fù)雜的邊界條件，施工方案的選擇和優(yōu)化顯得尤為困難和重要。

1　工程概況

吉林省中部城市引松供水工程總干線(xiàn)施工4標(biāo)段位于吉林市岔路河與飲馬河之間，線(xiàn)路樁號(hào)為48＋900 m～71＋855 m，總長(zhǎng)度為22 955 m。

飲馬河調(diào)壓井樁號(hào)為71＋752.33 m（見(jiàn)圖1），調(diào)壓井開(kāi)挖直徑約為20 m，高約為50 m，飲馬河調(diào)壓井工程豎井石方洞挖工程量為18 021 m3，調(diào)壓井形式為簡(jiǎn)單圓筒式（見(jiàn)圖2和圖3）。井口處山勢(shì)陡峭，植被不發(fā)育。洞室部位主要巖性為凝灰質(zhì)砂巖，灰白色，碎屑結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，致密，堅(jiān)硬，斷口見(jiàn)鈣質(zhì)薄膜，局部有斑點(diǎn)狀礦物，圍巖類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主。

圖1　飲馬河調(diào)壓井在4標(biāo)段的位置圖Fig.1 Location of Yinmahe shaft

圖2　調(diào)壓井平面圖Fig.2 Plan of ground surface around Yinmahe shaft

圖3　調(diào)壓井剖面圖Fig.3 Profile of Yinmahe shaft

2　調(diào)壓井施工難題

1）調(diào)壓井井口地形條件復(fù)雜，山勢(shì)陡峭，施工便道引入和場(chǎng)地布置困難，施工條件差。

2）調(diào)壓井?dāng)嗝娲螅ㄖ睆綖?0 m），掘進(jìn)深度較深

（50 m——相對(duì)反向爆破而言），結(jié)合豎井地質(zhì)地形條件，施工方法選擇困難。

3　施工方法選擇

3.1選型原則

1）充分考慮地質(zhì)地形條件，最大限度便于場(chǎng)地布置、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)、施工，以及施工過(guò)程中能及時(shí)封閉圍巖。

2）充分利用下部隧道空間和通道展開(kāi)施工，確保安全及工效。

3.2施工方法選擇

傳統(tǒng)豎井施工方法主要有4種：正向鉆爆法（普通法）、反向鉆爆法（爬罐爆破法）［2］、機(jī)械鉆井法、深孔反向爆破法。

1）正向鉆爆法。由于井口施工場(chǎng)地狹小，便道引入困難，大型設(shè)備特別是門(mén)吊等提升設(shè)備難以到達(dá)井口，出碴進(jìn)料困難，方案難以實(shí)施。

2）反向鉆爆法［9］。由于豎井?dāng)嗝娲?，需要作業(yè)人員在井內(nèi)完成多道復(fù)雜的工序，工作環(huán)境惡劣、安全性差，成本高、效率低。

3）采用機(jī)械鉆井法［10］雖然不需要作業(yè)人員在井內(nèi)施工，工作環(huán)境安全良好；但施工機(jī)械龐大，準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用高，受井口地形限制，設(shè)備難以抵達(dá)，受豎井?dāng)嗝嫦拗?，且施工機(jī)械本身還有待完善，也不適用于本工程。

4）相比之下，利用已有隧道空間進(jìn)行深孔反向爆破，既避免了前3種施工方法的缺點(diǎn)，也一直是研究的熱點(diǎn)和推廣的對(duì)象，而且在施工作業(yè)環(huán)境和技術(shù)操作方面具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，研究表明，深孔反向爆破法成本約為正向爆破法的40%、機(jī)械鉆井法的30%，而效率約為正向爆破法的141%、機(jī)械鉆井法的128%。

綜合考慮調(diào)壓井地質(zhì)地形條件，經(jīng)反復(fù)研究比選，最終決定充分利用既有隧道空間采用深孔反向爆破法進(jìn)行調(diào)壓井施工，即“深孔分段、分層留碴爆破，邊支護(hù)邊出碴”的整體施工方案。

4　反向爆破成井技術(shù)施工要點(diǎn)及步驟

4.1總體方案

1）采用超深鉆孔由上往下鉆鑿直達(dá)底部空間，再由下往上進(jìn)行分段、分層微差爆破，從而實(shí)現(xiàn)安全、高效、快速成井。

2）在調(diào)壓井的中間，由下往上分段、分層爆破形成一條通達(dá)底部總干線(xiàn)隧道的導(dǎo)井（直徑達(dá)6 m），作為主體崩落爆破的落碴通道和新的自由面（見(jiàn)圖4）。

3）在調(diào)壓井設(shè)計(jì)輪廓周邊進(jìn)行預(yù)裂爆破，以形成光滑平整面并減少崩落孔的爆破振動(dòng)。

4）以導(dǎo)井和調(diào)壓井下底面為自由面，由下往上分段、分層爆破崩落主體巖體。

圖4　調(diào)壓井爆破分區(qū)圖（單位：m）Fig.4 Plan showing blasting zone division of Yinmahe shaft（m）

5）留碴支護(hù)。根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償空間的大小，確定每段爆破厚度及分段原則，要求最終爆破后調(diào)壓井內(nèi)留下一定量的爆碴，稍加修整后就能作為支護(hù)平臺(tái)。完成一定高度的支護(hù)工作后，再通過(guò)底部的總干線(xiàn)隧道出碴，出碴量以便于后期支護(hù)工作為準(zhǔn)。依此類(lèi)推，邊支護(hù)邊出碴，直至完成整個(gè)調(diào)壓井的掘進(jìn)工作。

4.2爆破分區(qū)及施工順序

4.2.1爆破分區(qū)

為確保爆破質(zhì)量并有效控制爆破振動(dòng)，將本次50 m厚的15 708 m3的巖體劃分為6大分區(qū)進(jìn)行分塊、分段、分層爆破，其中導(dǎo)井爆破范圍分為3個(gè)分區(qū)，預(yù)裂和崩落爆破范圍分為3個(gè)分區(qū)，如圖5所示。

圖5　調(diào)壓井深孔爆破分區(qū)方案（單位：m）Fig.5 Profile showing blasting zone division of Yinmahe shaft（m）

4.2.1.1“0區(qū)”代表預(yù)先完成的工作

要求將該分區(qū)進(jìn)行預(yù)先開(kāi)挖并清運(yùn)爆碴，其爆破方法為水平淺孔爆破，主要考慮：1）預(yù)先采用水平淺孔爆破的難度遠(yuǎn)小于鉆60 m深垂孔爆破的難度；2）

隧道上方的調(diào)壓井巖體爆破需要補(bǔ)償空間，隧道本身的空間不能滿(mǎn)足其需求；3）深孔鉆孔的偏斜率需要通過(guò)鉆穿炮孔后進(jìn)行測(cè)定，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整藥量，如果其底部不爆破清運(yùn)，就無(wú)法確定該處的鉆孔狀況；4）深孔爆破一般需要將孔鉆穿的另一個(gè)目的是要對(duì)孔內(nèi)的裂隙水、鉆碴、節(jié)理夾泥等進(jìn)行有效下溜，以確?？變?nèi)通透，從而保證裝填可靠。

4.2.1.2中間導(dǎo)井爆破分為3個(gè)分區(qū)

中間導(dǎo)井主要為后續(xù)主體崩落爆破創(chuàng)造自由面并提供補(bǔ)償空間。對(duì)中間導(dǎo)井設(shè)置分區(qū)并分段，主要考慮以下3個(gè)方面：1）中間導(dǎo)井深度達(dá)50 m，一次爆破成型在理論上是可行的，但實(shí)際施工難度較大，影響因素較多，如巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、鉆孔工藝、炸藥裝填工藝及爆炸物品等；2）根據(jù)國(guó)內(nèi)礦山的深孔一次爆破成型經(jīng)驗(yàn)，高度在15～20 m時(shí)，是可行且可靠的；3）隧道底部的補(bǔ)償空間有限。

4.2.1.3主體崩落爆破分為3個(gè)分區(qū)

充分利用底部自由面和中間導(dǎo)井的自由面，由下向上、由里向外，分段、分層崩落主體巖體。主體崩落爆破在全高上分為Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅵ區(qū)，主要考慮底部的補(bǔ)償空間、炸藥裝填難度及爆破振動(dòng)3個(gè)因素。

4.2.1.4預(yù)裂爆破分為3個(gè)分區(qū)

預(yù)裂爆破的關(guān)鍵在于根據(jù)線(xiàn)性斷裂理論設(shè)計(jì)全長(zhǎng)不耦合裝藥，于分段主體崩落爆破前，在調(diào)壓井設(shè)計(jì)輪廓面處，采用預(yù)裂爆破技術(shù)使該分段的待開(kāi)挖部分和保護(hù)部分之間形成一條裂縫，以確保開(kāi)挖面平整并有效減弱爆破振動(dòng)。其分區(qū)與崩落爆破相同，即在全高上也分為Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)和Ⅵ區(qū)，只是比同段崩落爆破早響一步。

4.2.2各分區(qū)起爆順序

在爆破順序上，深孔爆破總體上分為5個(gè)時(shí)間段起爆：Ⅰ區(qū)為第1段，Ⅱ區(qū)為第2段，Ⅲ區(qū)為第3段，Ⅳ區(qū)為第4段，Ⅴ區(qū)和Ⅵ區(qū)為第5段，各爆破分區(qū)施工順序見(jiàn)表1。表中“起爆順序”欄的數(shù)字“3.5”代表該分區(qū)的起爆順序，與數(shù)字“3”對(duì)應(yīng)的分區(qū)皆為第3段起爆，但時(shí)間稍延遲于“3”，其他類(lèi)推。

表1　調(diào)壓井深孔爆破分區(qū)施工順序表Table 1 Blasting sequence of Yinmahe shaft

4.3各分區(qū)爆破方案

4.3.1導(dǎo)井爆破設(shè)計(jì)

采用類(lèi)似冶金地下礦山VCR開(kāi)采法進(jìn)行導(dǎo)井爆破施工（一種進(jìn)行深孔球形藥包分段、分層、從下向上爆破形成天井的施工方法），不需要大直徑中空孔作為自由面，鉆鑿深孔的工作量較少，對(duì)炮孔偏斜率要求較低。

4.3.1.1藥包結(jié)構(gòu)

導(dǎo)井爆破的炮孔為150 mm，選用2號(hào)巖石乳化炸藥，藥包長(zhǎng)徑比為7.0，藥包的炸藥直徑按120 mm、密度按1 000 kg／m3計(jì)算。該球形藥包的長(zhǎng)度L藥＝K·d＝7.0×120＝840 mm，質(zhì)量Q藥＝ρπd2L藥／4＝1 000×3.14×0.122×0.84／4≈10 kg。

4.3.1.2孔內(nèi)分層

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破漏斗實(shí)驗(yàn)，可得出不同質(zhì)量球形藥包的最佳埋置深度，如表2所示。

表2　球形藥包質(zhì)量與最佳埋深對(duì)應(yīng)關(guān)系表Table 2 Spherical cartridge weight Vs.optimum burying depth

本次調(diào)壓井爆破擬選取的球形藥包質(zhì)量為10 kg，對(duì)應(yīng)的最佳埋置深度do＝1.81 m，L藥為炸藥長(zhǎng)度，Ho為單孔內(nèi)每層炸藥及堵塞高度，L堵為單孔每層堵塞長(zhǎng)度，相對(duì)關(guān)系如圖6所示?？梢郧蟪龊侠矸謱痈叨菻o＝do＋L藥／2＝1.81＋0.84／2＝2.23 m，每層內(nèi)堵塞高度L堵＝Ho－L藥＝2.23－0.84＝1.39 m，炮孔內(nèi)分層數(shù)量（即炮孔內(nèi)裝藥個(gè)數(shù)）N藥＝（H－do）／Ho，式中H為調(diào)壓井深度，于是有N藥＝（50－1.81）／2.23≈22，進(jìn)而可得出單孔藥量Q孔1＝N藥·Q藥＝22×10＝220 kg；因此，單個(gè)炮孔內(nèi)裝藥22個(gè)，每個(gè)裝藥10 kg，總裝藥量為220 kg。

圖6　球形藥包爆破層高圖Fig.6 Blasting height of spherical cartridge

4.3.1.3孔位設(shè)計(jì)

導(dǎo)井炸藥單耗取7.8 kg／m3，可以計(jì)算出導(dǎo)井總裝藥量

式中：q導(dǎo)井為導(dǎo)井爆破炸藥單耗，kg／m3；V導(dǎo)井為導(dǎo)井體積，m3。

將相關(guān)數(shù)值代入式（1）計(jì)算得出Q導(dǎo)井＝7.8×3.14× 32×50≈11 000 kg，炮孔數(shù)量N孔＝Q導(dǎo)井／Q孔1＝11 000／220＝50。根據(jù)爆破能量均布原理，孔間距設(shè)為0.85～1.11 m，將50個(gè)炮孔均勻地分布在直徑為6 m的導(dǎo)井平面上，如圖7所示。

圖7　導(dǎo)井炮孔布置俯視圖Fig.7 Layout of blasting holes of guide shaft

4.3.1.4爆破參數(shù)表

導(dǎo)井爆破總體參數(shù)如表3所示。

表3　導(dǎo)井爆破參數(shù)表Table 3 Blasting parameters of guide shaft

4.3.2主體崩落爆破設(shè)計(jì)

前期中間導(dǎo)井爆破已經(jīng)形成了足夠大的補(bǔ)償空間，此時(shí)的主體崩落爆破，主要采用地下深孔臺(tái)階爆破技術(shù)進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。考慮到地下爆破的約束性大及現(xiàn)場(chǎng)出碴要求爆破塊度小的特點(diǎn)，適當(dāng)縮小孔網(wǎng)參數(shù)、加大炸藥量，分段、分層由中向外推進(jìn)。

4.3.2.1藥包結(jié)構(gòu)

與導(dǎo)井爆破所用相同。

4.3.2.2孔位設(shè)計(jì)

地下深孔臺(tái)階爆破的炮孔間距

式中：m為密集系數(shù)，一般取1.0～1.25；w為最小抵抗線(xiàn)，硬巖一般?。?0～30）d2（d2為崩落孔裝藥直徑）；取m＝1.0，w＝20 d2。

將相關(guān)數(shù)值代入式（2）計(jì)算得出a2＝1.0× 20×0.12＝2.4 m，根據(jù)底部隧道出碴塊度要求，將炮孔間距縮小，取2.0 m。以孔／排間距2.0 m為布孔原則，在崩落平面上均勻布設(shè)炮孔，如圖8所示。

4.3.2.3藥量計(jì)算

結(jié)合本工程特點(diǎn)，由于中間導(dǎo)井較大，炸藥單耗取1.56 kg／m3，可以計(jì)算出崩落爆破總裝藥量

式中：q崩落為崩落爆破炸藥單耗，kg／m3；V崩落為崩落爆破體積，m3。

將相關(guān)數(shù)值代入式（3）計(jì)算得出Q崩落＝1.56× 3.14×（102－32）×50≈19 800 kg。

單孔裝藥量

式中n崩落為崩落爆破孔數(shù)。

將相關(guān)數(shù)值代入式（4）計(jì)算得出Q孔＝19 800／66＝300 kg；因此，崩落爆破總共布置66個(gè)炮孔，每個(gè)炮孔裝300 kg炸藥，共計(jì)裝19 800 kg炸藥。

圖8　崩落炮孔布置俯視圖（單位：m）Fig.8 Layout of driving blasting holes（m）

4.3.2.4爆破參數(shù)表

崩落爆破總體參數(shù)如表4所示。

4.3.3周邊預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)

沿調(diào)壓井開(kāi)挖邊界密集布置炮孔，采用低猛度不耦合串狀間隔裝藥預(yù)裂爆破模式，在前方主體崩落爆破之前起爆，形成一條介于主體崩落爆破區(qū)和調(diào)壓井邊界保留區(qū)之間的裂縫，以減弱主炮孔爆破對(duì)被保護(hù)巖體的破壞并形成平整輪廓面。

4.3.3.1藥包結(jié)構(gòu)

根據(jù)預(yù)裂爆破的設(shè)計(jì)理念，裝藥為不耦合結(jié)構(gòu)，要求炸藥爆炸產(chǎn)生的孔壁應(yīng)力波最大值小于孔壁巖石的極限動(dòng)抗壓強(qiáng)度；但要大于極限動(dòng)抗拉／剪強(qiáng)度，確保能夠在相鄰炮孔間形成裂縫，且不能破壞殘留孔壁。根據(jù)這個(gè)要求，可以計(jì)算出適合一定直徑炮孔的裝藥直徑，炮孔直徑與裝藥直徑的比值就是不耦合系數(shù)ζ。

實(shí)踐證明，一般情況下，ζ的合理取值范圍為2～4，本次設(shè)計(jì)取3，于是可以計(jì)算出藥卷直徑d＝D／3＝150／3＝50 mm，即預(yù)裂爆破藥卷直徑為50 mm。

4.3.3.2孔位設(shè)計(jì)

鉆孔間距不僅影響裝藥量的大小，還直接關(guān)系著預(yù)裂壁面的質(zhì)量，在保證2孔之間裂開(kāi)成縫的前提下，小間距的壁面質(zhì)量遠(yuǎn)好于大間距的壁面質(zhì)量。通常，一般工程取a＝（7～10）D（D為炮孔直徑），質(zhì)量要求高的工程取a＝（5～7）D。選擇a時(shí)，鉆孔直徑大于100 mm時(shí)取小值，小于60 mm時(shí)取大值；軟弱破碎的巖石取小值，堅(jiān)硬的巖石取大值；質(zhì)量要求高的取小值，要求不高的取大值。

本次預(yù)裂爆破炮孔直徑為150 mm，考慮到孔深過(guò)大，炮孔間距取小值，即a3＝7D＝1 050 mm，實(shí)取a3＝1.0 m，則炮孔數(shù)量n預(yù)裂＝2πR／a3＝2×3.14×10／1≈63。將63個(gè)炮孔均勻地分布在調(diào)壓井邊界上，如圖9所示。

表4　崩落爆破參數(shù)表Table 4 Parameters of driving blasting

圖9 預(yù)裂炮孔布置俯視圖
Fig.9 Layout of presplitting blasting holes

4.3.3.3藥量計(jì)算

基于巖石抗壓強(qiáng)度、孔距和炮孔半徑，有如下線(xiàn)裝藥密度計(jì)算公式式中：QL為線(xiàn)裝藥密度，kg／m；σ為巖石極限抗壓強(qiáng)度，MPa；a為炮孔間距，m；r為炮孔半徑，m。

考慮到地下深孔夾制力大，抗壓強(qiáng)度取180 MPa，將相關(guān)數(shù)值代入式（5）計(jì)算得出QL＝0.127×1800.5× 10.84×0.0750.24＝0.92 kg／m，實(shí)取QL＝1.0 kg／m。根

據(jù)炮孔長(zhǎng)度及線(xiàn)裝藥密度可以計(jì)算出單孔藥量Q孔＝H·QL＝50×1.0＝50 kg／m，即每孔平均裝藥量為50 kg。根據(jù)炮孔數(shù)量和單孔裝藥量可以計(jì)算出預(yù)裂爆破總藥量Q預(yù)裂＝n預(yù)裂Q孔＝63×50＝3 150 kg。

4.3.3.4爆破參數(shù)表

預(yù)裂爆破總體參數(shù)如表5所示。

表5　預(yù)裂爆破參數(shù)表Table 5 Parameters of presplitting blasting

4.3.4網(wǎng)絡(luò)連接

4.3.4.1導(dǎo)井爆破起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為確保延期時(shí)間準(zhǔn)確可靠，導(dǎo)井爆破統(tǒng)一采用高精度雷管。為減少雷管采購(gòu)品種，將孔內(nèi)雷管延時(shí)統(tǒng)一確定為1 800 ms，孔外延期雷管采用9 ms和250 ms 2種進(jìn)行接力組合。導(dǎo)井爆破全高50 m，共分3段、22層、1 100個(gè)藥包、220響，每5個(gè)藥包為1響，如圖10所示。

圖10　導(dǎo)井段間層間起爆分區(qū)圖Fig.10 Blasting zone division of guide shaft

第1段在Ⅰ區(qū)，首先爆破，共6層300個(gè)藥包分60響，每層由下往上層間起爆延期250 ms；第2段在Ⅱ區(qū)，第2輪爆破，共8層400個(gè)藥包分80響，每層由下往上層間起爆延期250 ms；第3段在Ⅴ區(qū)，最后一輪爆破，共8層400個(gè)藥包分80響，每層由下往上層間起爆延期250 ms。以第1段第1層為例說(shuō)明各層內(nèi)各響起爆分區(qū)，如圖11所示。分層之間由下向上逐漸延期250 ms，如圖10所示。每層內(nèi)部，按每5個(gè)炮孔1響，共10響，由內(nèi)往外依次分布。

圖11　導(dǎo)井第1段第1層內(nèi)起爆網(wǎng)絡(luò)劃分俯視圖Fig.11 Ignition network of guide shaft

第2層基本上與第1層相同，只是各響再增加了250 ms延期，依此可得第3、4、5層的起爆分區(qū)。

同理，可確定第2、3段各層、各響起爆分區(qū)，前6層與第1段相同，只是增加了第7層和第8層。

4.3.4.2崩落爆破起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為減少雷管采購(gòu)品種，崩落爆破孔內(nèi)雷管延時(shí)統(tǒng)一確定為1 800 ms，孔外延期雷管采用25 ms和9 ms 這2種進(jìn)行組合，導(dǎo)爆索采用塑料皮普通類(lèi)別。崩落爆破比同段的預(yù)裂爆破稍延遲100 ms起爆。崩落爆破炮孔共分為3段3圈，段內(nèi)不再分層，用導(dǎo)爆索串PVC管進(jìn)行全段孔內(nèi)裝藥。起爆順序設(shè)計(jì)原則為先起爆下面分段，后起爆上面分段，即按第1段到第2段，再到第3段的順序。每個(gè)分段起爆順序設(shè)計(jì)原則為先起爆里圈炮孔，后起爆外圈炮孔。同一圈內(nèi)的炮孔起爆順序設(shè)計(jì)原則為逐孔起爆，圈內(nèi)炮孔延期時(shí)間為25 ms，圈與圈之間延期時(shí)間為9 ms，第3段要延遲于該起爆區(qū)內(nèi)的導(dǎo)井爆破100 ms。崩落爆破分段、分圈起爆分區(qū)如圖12所示。

圖12　崩落爆破分段、分圈起爆分區(qū)圖（單位：m）Fig.12 Zone division of driving blasting（m）

以第1段為例說(shuō)明各段各響起爆設(shè)計(jì)，如圖13所示。第5圈共16個(gè)孔，孔間用25 ms高精度雷管接力延期起爆；第6圈共22個(gè)孔，首響孔和第5圈首響用9 ms高精度雷管延期起爆，以后孔間用25 ms高精度

雷管接力延期起爆；第7圈共28個(gè)孔，首響孔和第6圈首響用9 ms高精度雷管延期起爆，以后孔間用25 ms高精度雷管接力延期起爆。

圖13　崩落爆破第1段起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖Fig.13 Ignition networks of driving blasting

同理，可確定第2、3段各層、各響起爆設(shè)計(jì)。第3段高度為20 m，比第1段高出5 m，另外第3段崩落爆破要稍后于第3段預(yù)裂爆破100 ms，相應(yīng)第3段各孔起爆時(shí)間往后推遲100 ms，其他也與第1段相同。

4.3.4.3預(yù)裂爆破起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為減少雷管采購(gòu)品種，預(yù)裂爆破孔內(nèi)雷管延時(shí)統(tǒng)一確定為1 800 ms，孔外接力延期雷管采用9 ms高精度雷管，導(dǎo)爆索采用塑料皮普通類(lèi)別。預(yù)裂爆破比同段的崩落爆破提前100 ms起爆。預(yù)裂爆破炮孔布置在調(diào)壓井周邊，采用雙股導(dǎo)爆索串50 mm藥卷，用高精度雷管起爆。為減少爆破振動(dòng)，設(shè)置孔間9 ms微差，即用9 ms高精度雷管接力傳爆。

以第1段為例說(shuō)明各段、各響起爆設(shè)計(jì)，基本網(wǎng)絡(luò)連接與崩落孔的第1段類(lèi)似，只是將中間的接力雷管由25 ms改為9 ms高精度雷管。由于第2段高度與第1段一樣，所以2段的所有參數(shù)都相同，其各響起爆分區(qū)也與第1段相同；第3段高度為20 m，比第1段高出5 m，另外第3段要稍后于導(dǎo)井爆破100 ms，相應(yīng)第3段各孔起爆時(shí)間往后推遲100 ms，其他也與第1段相同。

4.4主要施工工藝

4.4.1鉆孔施工

超深孔爆破法對(duì)鉆孔的要求為開(kāi)孔定位準(zhǔn)確、鉆孔偏斜率小。鉆孔偏斜率是深孔爆破成形的關(guān)鍵，要求不大于0.5%。由于炮孔長(zhǎng)達(dá)50 m且直徑大，很容易造成偏斜，需要采取一定的防偏及糾偏措施。

1）徹底清除調(diào)壓井上部浮碴后，在調(diào)壓井上口澆筑1層20 cm厚的混凝土底盤(pán)并用風(fēng)鎬找平，再在其上面標(biāo)出各炮孔的位置并鉆孔，鉆進(jìn)時(shí)要做到“平”、“直”、“準(zhǔn)”、“齊”，鉆孔臨近全深時(shí)，減壓鉆進(jìn)。

2）安裝導(dǎo)向管能有效減小鉆桿晃動(dòng)造成的鉆孔偏斜。

3）所有炮孔都必須鉆穿，這樣有利于孔底的水分、泥沙等自動(dòng)下溜，同時(shí)，對(duì)每孔進(jìn)行測(cè)量，確定實(shí)際鉆孔編斜率，作為后期裝藥的基本依據(jù)。

4）鉆進(jìn)時(shí)，采用重錘法測(cè)斜。每鉆進(jìn)3 m測(cè)斜一次，鉆孔完成后再次進(jìn)行鉆孔測(cè)斜，并繪制實(shí)測(cè)圖，偏斜時(shí)要及時(shí)進(jìn)行糾偏處理。

4.4.2裝填工藝

4.4.2.1裝藥結(jié)構(gòu)

1）導(dǎo)井裝藥結(jié)構(gòu)。導(dǎo)井爆破是本次爆破的關(guān)鍵，原則上應(yīng)到廠家定做直徑為120 mm、長(zhǎng)度為840 mm、質(zhì)量為10 kg的藥卷塑管乳化炸藥。裝藥前，先用導(dǎo)井器進(jìn)行驗(yàn)孔，確?？變?nèi)暢通，并盡量保持干燥。驗(yàn)孔后，用專(zhuān)用木楔或帶橡膠皮的水泥塊對(duì)孔底進(jìn)行封堵。然后按設(shè)計(jì)位置用粗繩或鋼絲繩將炸藥輕輕放入，確定炸藥到位后，倒入適量的干河沙，再依次將炸藥和河沙裝入孔內(nèi)，最后一個(gè)裝藥的上部還要保持一定的堵塞。

2）崩落孔裝藥結(jié)構(gòu)。崩落孔采用的是導(dǎo)爆索串直徑為120 mm的藥柱，中間間隔PVC管的結(jié)構(gòu)。將該分段爆破的藥量均勻串在雙股導(dǎo)爆索上，導(dǎo)爆索要綁扎在粗繩或鋼絲上（見(jiàn)圖14）。

圖14　崩落孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Charging structure of driving blasting

3）預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)。由于預(yù)裂爆破采用的是導(dǎo)爆索串藥卷、空氣間隔裝藥，為了防止藥卷彎曲，必須把藥卷綁扎在直徑為2 mm左右的粗繩或細(xì)鋼絲繩上，外敷雙股導(dǎo)爆索后形成藥串。為保證頂、底部充分炸開(kāi)，需加大頂、底部0.5～1.0 m范圍內(nèi)的裝藥量，其藥量為正常裝藥量的2倍。形成完整的藥包后，提粗繩或鋼絲繩徐徐送入相應(yīng)的孔內(nèi)，利用藥串上的粗繩懸吊在孔外。

4.4.2.2封堵措施

炮孔要打透，爆破時(shí)需要對(duì)打透的炮孔進(jìn)行封堵。炮孔下口封堵可以采用木楔，也可以采用帶橡膠皮的水泥塊。帶橡膠皮的水泥塊澆筑簡(jiǎn)單，澆筑一塊直徑比炮孔略小的混凝土圓柱體，其上澆一個(gè)系繩子的鐵圈，其下固定一塊直徑比炮孔略大的橡膠皮，該水泥塊通過(guò)自身重力可以降到炮孔底部，到達(dá)指定位置后，只要輕輕往上拉，橡膠皮就會(huì)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，從而固定在炮孔中，完成封堵（見(jiàn)圖15）。

圖15　炮孔封堵塊Fig.15 Stemming block

4.4.2.3炮孔導(dǎo)測(cè)措施

炮孔導(dǎo)能和測(cè)量主要通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的超深孔導(dǎo)孔器來(lái)進(jìn)行，其設(shè)計(jì)如圖16所示。

圖16　超深孔導(dǎo)孔器設(shè)計(jì)圖Fig.16 Design of guide device for superdeep holes

4.4.3清碴和支護(hù)工藝

超深孔爆破成井技術(shù)的優(yōu)越性之一就是清碴與支護(hù)同時(shí)進(jìn)行。即充分利用調(diào)壓井內(nèi)爆碴高度，作為工作平臺(tái)進(jìn)行支護(hù)，邊清碴邊支護(hù)。

4.4.3.1清碴時(shí)機(jī)及方法

1）集中清碴。集中清碴有3個(gè)時(shí)間段：①導(dǎo)井爆破完成后將隧道內(nèi)的爆碴清完，便于為后續(xù)崩落爆破提供補(bǔ)償空間；②在完成第1段崩落爆破后，進(jìn)行集中清碴，此時(shí)只清運(yùn)約3 000 m3的爆碴；③在第2段崩落爆破后，清運(yùn)約2 000 m3的爆碴，以保證最后一次爆破的爆碴正好能將調(diào)壓井充填到離地面約5 m的位置，便于后續(xù)支護(hù)作業(yè)施工。爆破過(guò)程中爆破及集中清碴工作流程如圖17所示。

圖17　爆破及集中清碴工作流程示意圖Fig.17 Flowchart of blasting and muck clearing

2）分次清碴。當(dāng)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，根據(jù)需要支護(hù)的最有利操作高度決定每次清碴量，邊支護(hù)邊清碴。每次清碴后確保調(diào)壓井內(nèi)存留爆碴高度下落到理想工作高度。

4.4.3.2分次清碴法成井的施工方法

1）經(jīng)深孔爆破成井后，由上至下逐段進(jìn)行支護(hù)，一段支護(hù)完成后從調(diào)壓井下口集中排出爆破后的浮碴，邊支護(hù)邊清碴。

2）支護(hù)時(shí)調(diào)壓井內(nèi)施工人員可站在吊盤(pán)上施工，也可先將爆碴整平，鋪設(shè)木板、掛安全帶后進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，安全帶固定于調(diào)壓井壁面或調(diào)壓井上口牢固位置。

3）調(diào)壓井施工一定深度后，利用120型號(hào)左右的工字鋼、大木板、舊皮帶等物料封閉艙口，留出行人及風(fēng)筒口等，其他輸料管、壓風(fēng)管、水管等均固定在艙口封口盤(pán)上。

5　實(shí)施效果

1）由于地面場(chǎng)地僅需布置鉆孔用潛孔鉆機(jī)，不需

要布設(shè)生產(chǎn)設(shè)施及大型吊裝設(shè)備，大于豎井輪廓1.5～3 m即可，施工準(zhǔn)備難度大大降低，同時(shí)減小對(duì)井口地表大面積刷坡造成地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的隱患，一方面有利于施工安全，另一方面有利于保護(hù)環(huán)境。

2）整個(gè)豎井從開(kāi)始鉆孔到支護(hù)完成，用時(shí)僅1.5個(gè)月，相比該工程另一豎井——小河沿豎井（直徑為6 m，深為36 m，采用正向鉆爆法施工）的用時(shí)4個(gè)月，節(jié)省一多半時(shí)間，工期大大縮短。

3）工程爆破完成后，井筒周邊炮眼殘痕率約為80%，井筒圓順，沒(méi)有波浪形起伏，鉆孔最大偏斜率為25 cm。距離爆破點(diǎn)最近的生活房屋（約100 m），特別是井口邊坡、下部隧道結(jié)構(gòu)都沒(méi)有受到任何傷害。

4）成本方面，與同一標(biāo)段采用正向鉆爆法施工的豎井相比，約為其50%。

6　結(jié)論與建議

1）目前大直徑豎井普遍采用正向鉆爆法施工，其工法、工藝相對(duì)成熟，設(shè)備市場(chǎng)化高，配置簡(jiǎn)單。對(duì)場(chǎng)地開(kāi)闊，進(jìn)出場(chǎng)便利，下部沒(méi)有可利用空間的豎井施工仍是首選方案。

2）超深孔反向爆破成井技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)于豎井的合理分塊、分區(qū)及各個(gè)分區(qū)合理的爆破設(shè)計(jì)。

3）針對(duì)調(diào)壓井超深孔反向掘進(jìn)爆破工程所處環(huán)境，全部采用高精度非電毫秒雷管起爆。高精度非電毫秒雷管的導(dǎo)爆管在300 kV的高電壓條件下，不起火、不導(dǎo)電，從根本上排除雜散電、射頻電、電磁感應(yīng)等外界電能對(duì)起爆網(wǎng)絡(luò)的影響。

4）嚴(yán)格控制最大單響起爆藥量。采用高精度雷管毫秒微差爆破（其延期誤差只有非電導(dǎo)爆管雷管的1／6），把一次爆破的藥量嚴(yán)格分成多段、多層、多孔起爆，利用段間、層間及孔間毫秒微差延期，將一次爆破引起的強(qiáng)度較大的震動(dòng)分為多次強(qiáng)度較小的震動(dòng)，以確保底部干線(xiàn)隧道、頂部邊坡及調(diào)壓井井壁的安全。

5）足夠的補(bǔ)償空間對(duì)于爆破的分段及后續(xù)工程施工意義重大（特別是崩落爆破），必須進(jìn)行認(rèn)真的校核并制定嚴(yán)格的清碴程序。崩落區(qū)最后一段爆破后，調(diào)壓井內(nèi)的爆碴充填高度必須要滿(mǎn)足后期的支護(hù)作業(yè)需要。

6）超深孔反向爆破成井法對(duì)于地形復(fù)雜、進(jìn)出場(chǎng)道路布置困難、地質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單、下部有可利用空間的大直徑豎井施工具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，且代表一定的技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步，特別是在本工程的成功應(yīng)用，其關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該在類(lèi)似工程中進(jìn)一步推廣。

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Case Study on Raise Boring of a Superlarge Diameter Vertical Shaft of Songhuajiang River Water Conveyance Project

SUN Zhenchuan，WANG Liang
（China Railway Tunnel Stock Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，Henan，China）

Abstract：Yinmahe surge shaft in No.4 bid section of Songhuajiang River Water Conveyance Project is a cylindrical vertical shaft with 50 m depth and 20 m diameter.The shaft is located in tuffaceous sandstone.Due to the steep landforms and complex conditions at the ground surface around the shaft，it is very difficult to establish the access roads and construction sites for the shaft，and it is very difficult to mobilize the heavyduty equipment to the site.After extensive literature survey and study，raise boring method is adopted for the shaft.In the paper，the technologies for the raise boring technologies，including the blasting zone division，blasting scheme and key blasting techniques，are presented.In the end，the shaft has been completed successfully.

Keywords：water supply project；surge shaft；superlarge diameter；super depth；raise boring

作者簡(jiǎn)介：第一孫振川（1972—），男，陜西韓城人，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，土木與建筑專(zhuān)業(yè)，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程技術(shù)與管理工作。

收稿日期：2015－06－09；修回日期：2015－07－24

中圖分類(lèi)號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1672－741X（2015）09－0897－10

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.09.007