中短斜井采用的吊炮法開挖施工技術

王 建 民， 王 彩 紅， 管 建 龍

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

安徽金寨抽水蓄能電站下庫導流泄放洞進口段位于導流洞進口邊坡上部，平臺高程215.7 m，斜井井口頂部高程215.2 m，與導流洞相交處中線高程為190.507 m，與導流洞拱頂相交處中線高程為193.707 m。斜井傾角為45°，中線總長30.4 m，開挖斷面自上而下依次為長4.25 m、寬6.1 m×高(0～6.1 m)、底板為R=11.95 m的弧形明井段，之后進入全斷面井身，依次為長5 m、寬6.2 m×高5.95 m的城門形，長度為21.14 m，直徑D=5.7 m，圓形，與導流洞斜交，中線交點樁號為0+064.339，屬于中短斜井(圖1)。

圖1 下庫導流泄放洞斜井段開挖結構圖(單位:cm)

該斜井長4.25 m的弧形明井段、長度為5 m的城門形段均屬Ⅳ類圍巖，長度為21.14 m的圓形段屬Ⅲ類圍巖，巖體為角閃巖、閃長巖。斜井井口支護采取一排鎖口錨桿φ28，L=6 m@100 cm；全斷面采取系統(tǒng)錨桿φ22，L=3 m@150 cm×150cm，系統(tǒng)掛網(wǎng)，系統(tǒng)鋼筋拱肋間距為1 m，鋼筋拱肋采用環(huán)向鋼筋3φ25@15 cm，縱向鋼筋φ16@30 cm，系統(tǒng)噴混凝土厚度為10 cm；同時，斜井與平洞交叉的肩部增加鎖口錨桿φ25，L=4.5 m，入巖4.4 m，間距為100 cm×100 cm，梅花型布置。

2 原計劃開挖方案

泄放洞進口斜井段原計劃采用正井法開挖，手風鉆自上而下分層鉆爆，井內(nèi)人工裝2 m3軌道滑車、10 t卷揚機牽引運渣，井口采用ZL40裝載機裝10 t自卸車。根據(jù)實際情況并經(jīng)參建各方反復討論后認為該方案存在以下問題：

(1)采用正井法全斷面開挖，井內(nèi)出渣采用卷揚機、配套軌道及軌道車其荷載與布置要求高、難度大、安全隱患較大；

(2)采用人工井內(nèi)裝渣工效低，需要大量的施工人員在井內(nèi)作業(yè)，人工裝完渣料后卷揚機在井內(nèi)提升時井下的人員無法躲避，安全隱患較大；

(3)斜井邊坡面積大，匯水區(qū)域大，正井全斷面開挖時，既使在井口設置擋水坎，也難避免汛期大量的雨水匯入井內(nèi)而造成掌子面被淹。

3 方案調(diào)整

考慮到正井法開挖存在較大的安全隱患且工效低，經(jīng)研究并最終確定采取吊炮法開挖技術，即先完成井口部分開挖，以減少斜井的開挖深度，先導井開挖、后井身擴挖，導井采取深孔分段爆破開挖(吊炮法)方法，即開挖直徑3 m的導井采取自上而下一次完成鉆孔的方式，再自下而上分段爆破，從洞內(nèi)完成出渣；導井貫通后，再自上而下擴挖，開挖渣料由導井溜至洞內(nèi)出渣。

4 具體實施的施工方法

4.1 施工程序

所采用的施工程序見圖2。

圖2 中短斜井吊炮法開挖施工程序圖

4.2 井口段開挖

根據(jù)反鏟作業(yè)范圍，井口段垂直方向的開挖深度為5 m。開挖前，首先完成鎖口錨桿的支護，之后采用手風鉆鉆掏槽及崩落孔，周邊進行光面爆破。井口進行分層爆破，爆破后其上部2 m范圍采用反鏟開挖裝自卸車運輸，下部3 m范圍采用反鏟先倒運至井口平臺后再二次裝自卸車出渣。每層開挖深度控制在2 m，每層開挖完成后，及時進行系統(tǒng)噴錨支護。

4.3 導井吊炮法開挖

導井采取深孔分段爆破的開挖方法，即吊炮法。開挖直徑為3 m的導井采取自上而下一次完成鉆孔，自下而上分層爆破，從洞內(nèi)完成出渣。

由于鉆孔深度較深，為提高45°導井鉆孔精度，保證鉆爆質量，主要采取了以下措施：

措施一:完成部分井口段開挖，減少斜井未開挖段長度，垂直方向完成5 m開挖，之后將斜井長度減少至23.3 m以降低鉆孔深度造成的精度偏差；

措施二:為保證導井爆破鉆孔精度，采取設置導向墻的方式。導向墻的施工方法是先確定爆破孔孔位，由測量人員使用全站儀按照爆破設計方案精確布孔、針對爆破孔精確預埋導向管，導向管的埋設位置由測量人員精確放樣后進行固定預埋。導向管采用φ100鋼管，單根長度為1.5 m，導向管的臨時固定采取預埋插筋、焊接鋼筋搭接等措施，之后澆筑混凝土固定形成導向墻。導向墻施工完成后，為增加鉆孔的精確度，同時采用鋼管搭設樣架固定潛孔鉆機以保證鉆孔位置及孔向精度，鉆孔采取直眼掏槽并設置空孔以增強掏槽臨空效果，導向墻布置情況見圖3。

圖3 提高斜井導井鉆孔精度的導向結構圖(單位:cm)

導井開挖直徑為3 m，可有效保證擴挖時的溜渣空間，避免堵孔；自下而上分層爆破，可使渣料順利下落至洞內(nèi)。為確保爆破效果，分層垂直高度為1.5 m(斜長2.1 m)。人工裝藥、堵孔均在斜井上部作業(yè)，采取竹片綁定藥卷及堵孔的方式，以保證順利將炸藥送至爆破層段孔內(nèi)，避免反井作業(yè)，從而大大保證了人員安全。每層渣料堆至洞內(nèi)，最后由裝載機出渣，提高了出渣效率。由于每次爆破孔內(nèi)均需上、下堵孔，為保證堵孔效果，先用φ6.5盤條鋼筋測量爆破孔的實際孔深后，將海綿固定在竹片上放置到孔底，然后進行孔底注漿堵孔，底部堵孔采用封堵長度為50 cm的水泥漿。導井開挖前，首先完成交叉口鎖口錨桿的支護。導井開挖期間，對導流洞進口設障，杜絕人員與設備進洞。爆破后大部分石渣溜至洞內(nèi)，由洞內(nèi)的裝載機裝自卸車運輸。

斜井導井爆破開挖作業(yè)流程為：測量放樣→鉆孔→分層裝藥連線及爆破→出渣。

(1)測量放樣。

鉆孔施工前，由測量員根據(jù)爆破設計布孔圖放出各鉆爆孔位置，搭設樣架固定潛孔鉆機，控制好鉆孔孔位及方向，尤其是保證光爆孔的鉆孔質量。

(2)鉆 孔。

采用100B潛孔鉆機鉆孔，孔徑為90 mm，直眼掏槽并設置方形孔口，增加輔助掏槽孔，每個孔開鉆時鉆工及施工員配置角度尺、線錘隨時觀察，糾偏鉆桿傾斜的角度，一次鉆至與導流洞貫穿，以檢查最終的鉆孔情況，避免出現(xiàn)較大的偏離甚至超設計開挖線的情況發(fā)生，鉆孔布置情況見圖4。

圖4 導井開挖炮孔布置圖(單位:cm)

(3)裝藥連線。

自下而上分層爆破，分層垂直高度為1.5 m(斜長2.1 m)。導井爆破采取直眼掏槽、周邊光面爆破，半秒雷管分段起爆，掏槽孔采用φ70乳化炸藥，崩落孔及周邊孔采用φ32乳化炸藥。由于孔深較深，每個孔的雷管采取將導爆管延至孔外的方式，單孔裝藥結構見圖5。根據(jù)圍巖類別、巖石強度及爆破挾制作用，爆破參數(shù)的設計情況見表1。在施工過程中進行了生產(chǎn)性爆破試驗，確定了相關爆破參數(shù)。

圖5 導井每循環(huán)單孔裝藥結構示意圖(單位:cm)

孔類下堵孔深度/m裝藥孔深/m上堵孔深度/m孔徑/mm數(shù)量孔距/cm藥徑/mm單孔藥量/kg累計藥量/kg起爆段別單耗/kg·m-3掏槽孔10.51.6 9017066HS1空孔90406.27掏槽孔20.51.6 19045770624HS2掏槽孔30.51.6 190432×23.212.8HS3崩落孔0.51.6 1904 32×23.212.8HS4周邊孔0.51.6 190127732×23.238.4HS5

注：1、斷面10 m2，有效進尺1.5 m(垂直)或2.1 m(斜長)，炸藥量94 kg；自上而下一次鉆孔，自下而上分段爆破；

2、炸藥采用2#巖石乳化炸藥，爆破參數(shù)在施工過程中根據(jù)現(xiàn)場試驗進行優(yōu)化調(diào)整。

(4)爆破與排煙。

導井開挖爆破作業(yè)施工過程中在導流洞進口作業(yè)面設障，禁止人員與設備進出，待導井爆破完成后，由導流洞進口進行通風排煙。

(5)出 渣。

排煙完成后，安全員首先進洞在交叉口周邊10 m以外觀察落渣情況，確保爆破落渣完成后，由裝載機裝渣，自卸車運輸。

4.4 斜井全斷面擴挖

導井開挖貫通之后進行全斷面正井擴挖，每開挖一循環(huán)及時進行周邊圍巖噴錨支護，尤其對城門洞型Ⅳ類圍巖段，開挖前首先進行超前小導管支護。人員上下采用在其左側設置的爬梯踏步并設置護欄扶手，踏步高度為25 cm，寬60 cm，護欄高度為1.2 m。井口布置5 t慢速卷揚機，設置地滑輪，沿洞中線底板布置型鋼軌道并制作軌道滑車，卷揚系統(tǒng)的作用主要是運輸支護材料及小型鉆機、電焊機設備，嚴禁載人和負荷較大的設備。全斷面井身擴挖單循環(huán)進尺為2 m，周邊光面爆破，爆破開挖嚴格控制孔徑及裝藥以減小塊石粒徑，進一步確保開挖渣料順利由導井溜至洞內(nèi)，洞內(nèi)由裝載機裝渣運出洞外。為確保施工安全，在全斷面開挖過程中采用鋼筋網(wǎng)遮蓋導井井口、周邊與插筋固定的方式。爆破后的人工扒渣排險均配置安全帶，將安全繩系于井壁錨桿上。

由人工采用YT-28氣腿式手風鉆鉆孔。鉆孔孔徑為42 mm，周邊孔、光爆孔孔距不得大于50 cm，鉆孔角度為45°，平行于斜井軸線，鉆孔深度為2.83 m。施工中必須確保鉆孔質量，控制炮眼間距，其誤差不大于5 cm。嚴格控制周邊孔鉆孔位置、鉆孔角度及鉆孔方向，做到位置準確、角度合適、方向不偏。鉆孔完畢，加強檢查，對不合格的鉆孔堅決堵塞重打，杜絕邊、頂部嚴重超挖。鉆孔布置情況見圖6。

圖6 斜井擴挖炮孔布置圖(單位:cm)

擴挖爆破開挖作業(yè)流程為：測量放樣→鉆孔→裝藥連線→爆破→排煙及安全撬挖→出渣→支護。

4.5 斜井擴挖貫通施工

待斜井擴挖約3 m時暫停開挖，測量人員精確放線，斜井擴挖貫通施工采用一次爆破完成。鉆孔施工前，測量人員精確測出周邊孔及主爆孔的孔位及孔深，嚴格按照測量數(shù)據(jù)鉆孔，鉆孔孔底預留20 cm保護層以便裝藥并確保開挖輪廓滿足結構要求。若在鉆孔過程中沒有預留保護層，裝藥前需采用炮泥制作堵塞藥卷將底部貫通孔堵塞，然后進行裝藥工作。

為確保安全，爆破前必須確定斜井與平洞段交叉位置的支護是否牢固、穩(wěn)定，避免在爆破后產(chǎn)生安全隱患。

5 所采取的安全技術措施

5.1 井口增設擋水坎及防護圍欄

斜井開挖施工期間，為防止施工期外部雨水匯水流入斜井、豎井開挖工作面，同時避免豎井周邊雜物墜落井內(nèi)危及井內(nèi)施工安全，待斜井井口鎖口錨桿完成后，緊貼鎖口錨桿外側位置布置一圈C20混凝土擋水坎，擋水坎高50 cm，寬30 cm。施工期間，為防止各單位人員、施工人員靠近豎井，以擋水坎為基礎并在井圈混凝土施工時預埋φ22插筋，L=50 cm，預埋30 cm，外露20 cm的上部焊接固定于護欄立柱，護欄立柱基礎同時由擋水坎包裹以確保其穩(wěn)定，周邊護欄采用φ48鋼管制作，高1.2 m，水平桿兩道，上下間距50 cm；立柱間距為1.2 m，所有護欄均采用噴紅白漆、同時懸掛安全警示牌(圖7)。

圖7 井口增設擋水坎及防護圍欄布置圖(單位:cm)

5.2 斜井擴挖采取的防護措施

(1)設置施工人員安全通道。

從事斜井開挖施工人員的上下通道設置專門的爬梯，爬梯布置在左側，踏步采用∠40 mm，厚3 mm角鋼焊接而成，一道踏步由3道角鋼間隔40 mm布置，踏步設置高度為25 cm；踏步兩側板為厚度5 mm，寬16.6 cm的鋼板，與踏步角鋼焊接固定，上部采用φ48，壁厚3.5 mm的鋼管布置1.2 m高的護欄扶手及立柱；斜爬梯與井壁的固定利用系統(tǒng)錨桿焊接并增設角鋼支撐，角鋼支撐結構成倒三角形，其側面與井壁錨桿固定，水平支撐斜爬梯。

(2)設置卷揚運輸設備。

斜井擴挖施工需運輸?shù)奈镔Y主要為支護材料、支護設備，其負荷較小，最大負荷按500 kg考慮布置一臺5 t慢速卷揚機，其安全系數(shù)滿足要求。卷揚機利用已布置的系統(tǒng)錨桿焊接固定并設置配重，確保卷揚系統(tǒng)安全穩(wěn)定。軌道采用型鋼布置并采取鎖腳錨桿焊接固定；應確保對鋼絲繩進行每次運行前檢查，確保其完好無損并設置托輥支托鋼絲繩，以防止鋼絲繩在牽引過程中與斜井摩擦而破損。

(3)防止人員墜井。

斜井擴挖人員必須全部佩戴安全帶，將安全繩的一端固定于錨桿上。為確保施工安全，在全斷面開挖過程中采用φ48鋼管搭設平臺，平臺上覆蓋鋼筋網(wǎng)片，鋼筋網(wǎng)片設置成橢圓形，與導井水平面搭接20 cm。鋼筋網(wǎng)片主筋采用φ16鋼筋，間距1.5 m×1.5 m布置，網(wǎng)片采用φ6.5鋼筋，間距0.2 m×0.2 m布置，鋼筋網(wǎng)片分三塊鋪設。

6 結 語

安徽金寨抽水蓄能電站下庫導流泄放洞斜井段采用吊炮法施工技術，進度快、安全有保證。因該導井鉆孔精度要求較高，尤其是斜井一次鉆孔深度較深，為盡量減少鉆孔深度，應盡可能地采用反鏟出渣措施完成部分井挖以減少鉆孔深度；借鑒管棚施工原理設置導向墻、精確預埋導向管、澆筑混凝土等固定措施可以保證鉆孔精度。所采取的自下而上、分層爆破、人工裝藥、堵孔均在斜井上部作業(yè)，采用竹片綁定藥卷及堵孔，避免反井作業(yè)，極大程度保證了施工人員的安全；每層渣料堆至洞內(nèi)，最后由裝載機出渣，提高了施工效率。直徑為3 m的導井開挖完成后再進行正井擴挖，渣料從平洞出渣，安全可靠，開挖速度快，較井內(nèi)卷揚正井出渣安全可靠程度高。該斜井采用吊炮法施工技術，僅用1個月的時間即安全、高效地完成了開挖任務，所取得的經(jīng)驗可為日后類似中短斜井施工提供借鑒。