45°斜井正向掘進(jìn)一次成型控制爆破技術(shù)

李鵬國，鄭正勤，張學(xué)彬

(1.中國水利水電第七工程局有限公司, 四川成都 610081;2.國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司， 四川甘孜 626005 )

1 工程概況

正在建設(shè)的位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)的猴子巖水電站開挖一條傾角為45 °緩坡斜井。施工中由于斜井傾角較小，爆破塊度控制與小傾角溜渣能力會受到較大程度的影響。這將關(guān)系到斜井開挖效果和速度甚至工程建設(shè)成敗，為確保斜井一次性正向擴(kuò)挖成型，需要在溜渣、爆破設(shè)計(jì)、施工方案等進(jìn)行詳細(xì)分析。根據(jù)猴子巖水電站面臨的工程難題，本文提出一整套全斷面一次性正向擴(kuò)挖成型的振動控制等控制爆破技術(shù)。

2 斜井正向開挖方法的比較與選擇

斜井正向開挖有多種方法，在此主要對標(biāo)準(zhǔn)輪廓線和非標(biāo)準(zhǔn)輪廓線開挖兩種方法進(jìn)行分析。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)輪廓線開挖

標(biāo)準(zhǔn)輪廓線開挖法是指掌子面垂直斜井底板，其斜井輪廓線為標(biāo)準(zhǔn)斷面(圖1)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)輪廓線開挖法

2.2 非標(biāo)準(zhǔn)輪廓線開挖

非標(biāo)準(zhǔn)輪廓線開挖法是指掌子面為水平面，其斜井輪廓線為非標(biāo)準(zhǔn)斷面(圖2)。

圖2 全斷面正向開挖

2.3 兩種開挖方法比較

比較以上兩種開挖方式，標(biāo)準(zhǔn)輪廓線開挖方式便于設(shè)計(jì)，但實(shí)際施工實(shí)現(xiàn)難度大，一般不采用。非標(biāo)準(zhǔn)輪廓線在水平面上其輪廓線為非標(biāo)準(zhǔn)的斷面，不容易控制斷面的形狀和大小，需特別進(jìn)行開挖結(jié)構(gòu)線控制及爆破控制。

3 全斷面正向一次成型控制爆破開挖技術(shù)

常規(guī)豎井、斜井采用反井鉆機(jī)開挖形成導(dǎo)孔后一般均需采用兩次擴(kuò)挖后方可成型，第一次擴(kuò)挖為由下而上反擴(kuò)，最后一次為全斷面自上而下正向全斷面擴(kuò)挖。施工難度大、工期長、通風(fēng)排水困難、施工安全隱患突出。

由于斜井傾角接近渣料溜渣內(nèi)摩擦角，采用全斷面一次性正向擴(kuò)挖堵井風(fēng)險(xiǎn)高，斜井正向擴(kuò)挖非常困難，如鉆孔臺車傾斜固定困難、鉆孔方向不好把握、井壁質(zhì)量難以控制等。而如果要在確保爆破質(zhì)量的同時還須考慮巖塊是否能夠順利由緩坡斜井出渣則難上加難。為此，通過對爆破設(shè)計(jì)的試驗(yàn)及調(diào)整，提出一整套包括鉆孔、循環(huán)進(jìn)尺、炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)、微差間隔、起爆分段以及振動控制等控制爆破技術(shù)，在保證全斷面一次性正向擴(kuò)挖成型的前提下，也能很好地控制塊度及爆堆拋擲與形狀，為后續(xù)出渣提供便利條件。

3.1 總體施工方案

3.1.1 爆破開挖總體原則與要求

由于需要開挖隧道為45 °傾斜狀態(tài)，如果按照常規(guī)正對掌子面進(jìn)行鉆孔很不方便，甚至?xí){生命安全。因此在前期擬開挖隧道掌子面處開挖一個孔洞進(jìn)行隧道的出渣，出渣受重力作用滑落至隧道底部。隧道掌子面前期出渣孔洞如圖3所示，溜渣模型如圖4所示。人站在平地上斜向下進(jìn)行45 °打孔(圖5)。此方法可以保障出渣順利進(jìn)行而且可以保障人的生命安全。施工順序?yàn)椋凑Ｊ┕そM織，從進(jìn)口開始一直往里爆破開挖，并進(jìn)行出渣，直到最終里程。

圖3 隧道掌子面前期出渣孔洞(單位:cm)

圖4 溜渣模型

圖5 人站在平地上斜向下進(jìn)行45°打孔

3.1.2 爆破方案

結(jié)合隧道地質(zhì)、斷面條件、臨空面、既有隧道安全以及整體工期要求，排除常規(guī)隧道垂直作業(yè)面鉆孔爆破方式，采用傾斜小爆破和機(jī)械清渣方式進(jìn)行。依據(jù)前述原則，采用方便施工且速度快的斜向鉆眼爆破方法。結(jié)合本工程的地形特點(diǎn)，為了提高爆破效果，擬采用淺孔與控制爆破相結(jié)合的方法進(jìn)行爆破施工。為了對大塊巖石進(jìn)行二次破碎，按需要在安全位置進(jìn)行二次爆破作業(yè)，以保證巖體塊度滿足運(yùn)輸要求。

3.2 控制爆破設(shè)計(jì)

3.2.1 控制爆破參數(shù)確定

爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)巖石種類、巖性、巖石結(jié)構(gòu)和裂隙情況進(jìn)行計(jì)算，同時通過爆破試驗(yàn)確定調(diào)整爆破參數(shù)，在局部地段采用預(yù)裂控制爆破技術(shù)。

3.2.1.1 鉆孔直徑

由于采用淺孔鑿巖設(shè)備，孔徑為φ42 mm，藥卷直徑一般為φ32 mm。

3.2.1.2 炮孔深度

爆破孔和周邊空炮孔深度均為150 cm。

3.2.1.3 單耗q與單孔裝藥量Qq

單位巖體炸藥消耗量不僅影響巖石破碎塊度、巖石飛散距離和爆堆形狀，而且影響炮眼利用率、鉆眼工作量、勞動生產(chǎn)率、材料消耗、掘進(jìn)成本、斷面輪廓質(zhì)量以及圍巖的穩(wěn)定性。合理的單耗決定于多種因素，其中有巖石的力學(xué)性質(zhì)、斷面、炸藥性能、炮眼直徑和深度等。

單耗：q=2.14kg/m

總裝藥量：Qq=3.21kg

3.2.1.4 孔距

爆破孔距為a=30～60cm，周邊空孔距為b=50cm。

3.2.2 炮孔布置

炮孔布置時需要將掌子面向水平面投影進(jìn)行布控。由于在斜井開挖的過程中需要對導(dǎo)孔軌跡進(jìn)行精度控制，當(dāng)鉆機(jī)從斜井頂部中心位置處起鉆時，爆破炮孔布置如圖6所示；在導(dǎo)孔軌跡精度控制條件下，當(dāng)鉆機(jī)到達(dá)斜井的中部時，在保證爆破控制距離范圍內(nèi)，導(dǎo)孔與斷面的上邊緣剛好相切，爆破炮孔布置如圖7所示；當(dāng)鉆機(jī)剛好從斜井底部穿出時，此時的爆破炮孔布置如圖8所示。其中爆破孔布設(shè)7排，排距為0.3～0.6 m，周邊孔孔距為0.5 m，每排布置炮孔根據(jù)實(shí)際控制需要定。

圖6 斜井頂部中心爆破炮孔布置(單位:cm)

圖7 斜井中部上邊緣爆破炮孔布置(單位:cm)

圖8 斜井底部下邊緣爆破炮孔布置(單位:cm)

3.2.3 炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)

一般情況按設(shè)計(jì)藥量裝藥進(jìn)行爆破施工，根據(jù)現(xiàn)場爆破經(jīng)驗(yàn)、巖石種類、巖性、結(jié)構(gòu)、抵抗線大小是否有變化，在保證填塞高度原則下，爆破安全的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增減炮孔裝藥量。裝藥和填塞結(jié)構(gòu)：從孔口到孔底連續(xù)柱狀裝藥。所有炮眼的剩余部分應(yīng)用炮泥封堵，炮眼封泥不足或不嚴(yán)不應(yīng)進(jìn)行爆破。炮泥應(yīng)用水炮泥和黏土泡泥。水炮泥外剩余的炮眼部分應(yīng)用黏土炮泥填滿封實(shí)。

3.2.4 爆破微差間隔時間及起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

(1)微差間隔時間確定。起爆順序從中間向外依次微差起爆。微差間隔時間△t=25～50ms是比較合適。

(2)起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)。本工程爆破工程使用毫秒電雷管、非電雷管、導(dǎo)爆索進(jìn)行排間微差松動控制爆破，起爆網(wǎng)路圖如圖6所示。

4 小結(jié)

斜井正向開挖爆破實(shí)踐表明，開發(fā)出的45 °斜井正向掘進(jìn)控制爆破技術(shù)能夠確保一次性開挖成型、同時還可保證爆破塊度滿足溜渣要求。運(yùn)用控制爆破理論和現(xiàn)場試驗(yàn)等方法得到一整套45 °斜井正向掘進(jìn)異形斷面輪廓線一次成型控制爆破技術(shù)，包括鉆孔、循環(huán)進(jìn)尺、炸藥單耗、孔網(wǎng)參數(shù)、微差間隔、起爆分段以及振動控制等控制爆破技術(shù)，能很好地確保斜井?dāng)嗝娉尚鸵约傲镌蟆Ｒ?guī)避了斜井二次擴(kuò)挖面臨的難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題，既能保證安全、快速且輪廓線不走樣變形、有利于45 °斜井溜渣，還能適應(yīng)導(dǎo)井軌跡引起斜井爆破掌子面導(dǎo)孔位置不斷變化。這一成果對解決緩傾角斜井的施工難題具有重大意義。