竖井导井VCR开挖技术优化方法

对于竖井的导开开挖，当井深在40m以内时，为节约开挖成本，在施工过程中其导井开挖也可采用VCR 法进行开挖。

VCR 爆破法是在利文斯顿爆破漏斗理论基础上研究创造的、以球状药包爆破方式为特征的新型爆破采矿方法，适用于上部具备钻孔条件、下部有出渣通道、岩石可钻性较强、深度小于50m的竖井开挖。其施工工艺流程为:导井及孔位布置→钻孔→装药→VCR 法爆破→导井贯通→竖井扩挖→安全处理→跟进支护→出渣→下一循环进尺。

采用VCR 爆破法，可减少传统方法正导井开挖过程中的出渣慢的问题，较传统方法施工进度有很大提高，也避免了正、反导井开挖贯通时容易受岩体影响而发生的安全事故。以下分别结合仙居抽水蓄能电站下水库事故闸门竖井开挖以及绩溪抽水蓄能电站下水库导流泄放洞事故闸门井开挖介绍VCR 开挖法。

8.1.5.1　仙居抽水蓄能电站下水库事故闸门竖井开挖

(1)概况。

浙江仙居抽水蓄能电站下水库泄放洞全长730m，隧洞内径7.4m，包括引渠进口、事故闸门井前平洞、有压段、无压段、工作弧门室、出口消能工。泄放洞进口与下库进、出水口相邻，底板高程172m。下水库事故闸门井设置在泄放洞进口桩号泄0+651m处，形状为“盈凸月”型，半径4.5m，井深约35m，如图8-3所示。

图8-3　泄放洞事故闸门井结构示意图(单位:mm)

事故闸门井所处位置基岩为高坞组下段(J3g1)灰紫、灰白色晶屑熔结凝灰岩，地表呈弱风化，块状结构，基岩多裸露。

事故闸门井开挖采取“先导井，后扩挖”的方法施工。先根据洞口明挖情况，将井口渣料进行清理，并做好防护栏，保证施工人员安全。

导井开挖前进行了三个方案的比选:

方案一:自上而下手风钻分段爆破开挖导井，吊篮出渣方式。优点是分段爆破较为灵活，爆破安全性好，不易产生飞石;缺点是出渣时间长，不利于进度。

方案二:自下而上反导井钻机直接开挖成井方式。优点是操作简单，反导井开挖渣料出渣容易;缺点是经济投入大。

方案三:垂直漏斗后退式爆破法(简称VCR 爆破法)开挖。施工过程中采用自上而下进行一次性完成钻孔，自下而上进行分段爆破开挖措施。优点是能爆破质量好，对爆破轮廓周围岩体保护较好，且出渣难度小，经济投入与方案一相近。

相对比方案一、方案二、方案三，选用方案三VCR 爆破法最适合于本工程施工。

(2)VCR 法施工。

布孔:具体孔位布置如图8-4所示，钻爆参数见表8-1所示。

图8-4　导井爆破设计

表8-1　导井开挖爆破参数表

钻孔:钻孔利用100B 支架式潜孔钻，垂直于泄放洞钻孔，主爆孔孔径Φ70mm，空孔孔径Φ110mm，导井钻孔一次性成功，贯穿至泄放洞顶。每钻进5m，利用水平管进行检测钻机钻杆垂直度，确保布孔密集的情况下，各孔不发生交叉。

装药:掏槽孔采用连续装药方式，周边孔采用不连续装药方式，装药时药卷要均匀布置。装药孔分两头堵塞，下口采用快硬性混凝土进行堵塞，上口采用细渣料进行堵塞。因重力原因，在进行下口堵塞时，需先将炸药固定在孔内，将炸药绑在长竹条上，放入孔内，将竹条固定在孔外，待下口混凝土凝固即可，凝固前，孔口可用适度的块石进行简单封堵。上口堵塞料需采用细渣料，稍微捣实，一个循环爆破完成后，细渣料自动从下口流出，利于下一循环爆破的装药。同时为确保爆破效果，上口堵塞长度应加长到2m。

爆破:爆破采用分段装药爆破，先掏槽孔，再周边孔的爆破顺序。每次爆破长度约1.5m，爆破按规定做好爆破警戒。

出渣:人工松动岩体进行清撬，并查看爆破后的岩体，遇岩体不符施工要求时及时进行随机锚杆、超前锚杆进行支护。渣料通过导井掉落至泄放洞，所有渣料利用3m3侧卸装载机装车，15t 自卸车运输至弃渣场。

(3)竖井扩挖。

导井完成后，进行事故闸门井扩挖，自上而下进行。

钻孔:钻孔利用YT-28 手风钻，垂直于泄放洞钻孔，主爆孔孔径Φ42mm，光爆孔孔径Φ42mm，每个循环钻孔角度外偏5°，钻孔深度3.5m。

装药:主爆孔采用连续装药方式，光爆孔采用不连续装药方式，装药时药卷要均匀布置;采用黏土进度堵塞。

爆破:爆破采用光爆方式，首先进行主爆孔爆破，后进行光爆孔爆破。爆破分段长度3.5m，一次进尺长度约2.7m，爆破按时规定进行警戒。具体孔位布置及钻爆参数见表8-2，如图8-5所示。

表8-2　竖井扩挖爆破参数

图8-5　闸门井爆破设计图

出渣:扩挖渣料利用导井溜至泄放洞，在洞内利用3m3 侧卸装载机装车，15t 自卸车运输至弃渣场。

8.1.5.2　绩溪抽水蓄能电站下水库导流泄放洞事故闸门井开挖

(1)概况。

绩溪下水库导流泄放洞包括平洞段及事故闸门井两部分，事故闸门井布置在0+134.468 桩号，进洞口底部开挖高程为297.0m，自进口向出口坡度为0.7%。平洞段全长183.869m，洞身为城门洞型断面，开挖断面尺寸根据不同围岩石类别分为5.1m×(5.1m～5.6m)和4.5m×5m两种;事故闸门井开挖断面为直径7.2m的圆形，闸门井平台高程344.8m，对应洞底开挖高程296.06m，井深48.74m。如图8-6、图8-7所示。

图8-6　导流泄放洞纵剖面示意图

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图8-7　平洞段及事故闸门井断面图

下水库导流泄放洞进洞口位于右岸坝前4#沟沟口右侧山坡，山坡坡度25°～45°，岩性为粗颗粒花岗岩，地表为1.0m～2.0m的全风化层，下部为强风化层。根据地质资料分析，洞身段上覆岩体一般厚度20m～55m，沿线无大的断层通过，陡倾角节理较发育，主要为Ⅳ～Ⅴ类围岩，部分Ⅲ类围岩。

事故闸门井处于山梁，地表全风化层厚约3.0m～5.0m。井身段大部分为强风化岩体，断层不发育，节理较发育～不发育，部分节理有次生泥充填，近井底段为弱风化上段岩体，井身段围岩以Ⅳ类为主、井口为Ⅴ类。

(2)施工难点。

1)下水库导流泄放洞要求2014年11月1日开工、2015年3月31日完工，施工时间仅5 个月，需要完成进/出口及竖井约2×104m3土石方明挖，约184m隧洞开挖及49m竖井的开挖、支护，进、出口混凝土浇筑结构、灌浆、金属结构及机电设备安装等施工内容。施工工作面狭小，安全隐患大，质量要求高，工期极为紧张。

2)进/出口开挖边坡整体基本稳定，局部稳定性差。平洞洞身段围岩以强风化为主，事故闸门井井身段围岩以Ⅳ类为主、井口为Ⅴ类，围岩强度及类别低，成洞条件差，安全风险高，施工难度大。

(3)应对措施。

1)为保证导流洞整体工期要求，须加快土石方明挖及洞(井)挖施工进度，开工后优先安排进、出口及竖井部位土石方明挖、边坡支护施工;具备洞(井)挖条件后，安排进口/出口、竖井3 个工作面同时施工;由于竖井先期采用正井法全断面开挖施工进展缓慢，平洞贯通后竖井底部具备出渣条件，调整了施工方案采取“先导井，后扩挖”方法施工，大大地加快了竖井开挖进度。

2)洞(井)挖施工前，做好进洞口边坡削坡、坡面处理及锁口支护措施;施工过程中，做到“管超前、严注浆、短进尺、勤测量、早封闭”，采用钢拱架、钢格栅、钢筋拱肋支护区严格控制开挖进尺并及时支护，确保施工安全及围岩稳定;当围岩变形过大时，及时增强初期支护。

以下仅介绍后一阶段的“先导井，后扩挖”中的导井开挖，其正井法全断面开挖以及后期的扩挖施工从略。

(4)“先导井、后扩挖”施工技术。

事故闸门井“先导井，后扩挖”施工工艺流程如图8-8所示。

图8-8　“先导井、后扩挖”施工工艺流程图

1)VCR 爆破法施工技术。

受现场各方面因素影响，导流泄放洞平洞段贯通后竖井仅开挖进尺24.5m，平均2.5d～3d 一个循环、每循环进尺2m，剩余约20m未开挖。为保证竖井开挖施工进度，采取了“先导井，后扩挖”施工方法，其中导井开挖采用了VCR 爆破法。

2)导井及孔位布置。

导井直径2m，与竖井同圆心垂直布置;中间布置1 个空孔、掏槽孔间隔装药、外圈布置周边孔，具体孔位布置如图8-9所示。

图8-9　导井及孔位布置示意图

3)钻孔。

采用MQ-100B 潜孔钻钻垂直孔，自上而下一次性成孔，贯穿至导流洞顶，钻孔深度20m，每钻进5m利用测斜仪检测钻机钻杆垂直度，确保各孔不交叉。空孔采用Φ105mm钻头、孔径Φ110mm，爆破孔采用Φ75mm钻头、孔径Φ80mm。钻机采用汽车吊调入井内，由布置在进口附近位置的空压机供风。临近至井底部位时，在平洞与竖井交接部位做好安全警戒，严禁人员、设备进入。

4)装药。

①按照先掏槽孔、再周边孔的顺序。掏槽孔采用连续装药方式，周边孔采用不连续装药方式，装药时药卷均匀布置。具体爆破参数见表8-3。

表8-3　导井每延米爆破参数表

②为防止导流洞顶出现大面积塌方现象，进尺装药尺寸按第一循环1m、第二循环1.5m、第三循环2m、第四循环2.5m，第五循环3.0m，之后按照3.0m进尺循环施工。

③装药孔分两头堵塞。先利用预先置于孔内的竹条往上拽编织袋将孔底堵塞、高度为孔底往上0.5m，再用细砂或泥土堵塞0.5m～1m，而后按照爆破设计参数装药，最后将孔口堵塞，一般孔口堵塞长度要大于孔底堵塞长度、采用细砂堵塞2m。

5)VCR 法爆破。

自下而上分段爆破，具体如图8-10所示。

6)出渣。

导井爆破开挖渣料经自下而上分段爆破后堆积在导流泄放洞平洞内，竖井扩挖渣料经导井掉落至平洞段底板上。考虑到本工程事故闸门井围岩以Ⅳ类为主、地质条件差的特点，为防止出现“冒顶”安全事故，爆破开挖渣料堆积在事故闸门井井底，保持对平洞和竖井交叉部位的顶托作用，仅在每次爆破前进行少量清理，保证竖井爆破渣料能崩落即可，具体如图8-11所示。出渣时采用3m3装载机装运至进口临时堆渣场，集中倒运至指定地点。

图8-10　VCR爆破法施工示意图

图8-11　VCR爆破法出渣方法施工示意图

(5)实施效果。

绩溪下水库导流洞事故闸门竖井采用正井法全断面开挖，从2014年12月21日开工至2015年1月27日历时38d，进尺完成约25m，主要是因出渣时间较长、井口位于山梁开阔地带汽车吊作业受天气影响等因素导致施工进度缓慢，若剩余部分仍采用正井全断面开挖施工方法，需要25d～30d。剩余20m采用“先导井，后扩挖”施工方法，仅用了16d 就开挖完成，其中导井钻孔施工1d、VCR 爆破法施工3d、扩挖施工12d。竖井开挖施工进度满足整体工程建设要求，开挖质量满足合同文件及规范要求，未发生安全事故。

导井施工采用VCR 留渣爆破法，即采用“自上而下一次性钻孔，自下而上分段爆破，留渣顶托支撑”综合技术措施，施工进度明显加快。创新使用集中出渣施工方法，即爆破开挖渣料堆积在事故闸门井井底，保持对平洞和竖井交叉部位的顶托作用，仅在每次爆破前进行少量清理，保证竖井爆破渣料能崩落，不仅可防止出现“冒顶”等安全事故，同时集中出渣提高了施工效率、节约了施工成本。

本工程导流泄放洞竖井导井开挖成功采用VCR 留渣爆破法施工技术，解决了正导井开挖过程中出渣缓慢的问题，也避免了反导井开挖过程中出现“冒顶”等而发生的安全事故，较传统方法在施工进度、安全风险防范上有大幅提高。