利用爆炸法进行溜渣井堵塞处理技术

罗福勇，程  江

摘  要：目前水利水电工程建设中，在具有下部施工通道的竖井施工时，其开挖出渣大多采用先施工溜渣井，再利用溜渣井出渣的施工工艺。在精河一级电站调压井开挖施工中，由于溜渣井断面较小、爆破形成超径石、溜渣井底部渣料堆积区没有及时清渣等原因，出现了堵井的现象，采用了气球携带炸药进行爆破疏通的方案，取得了较好的效果，为今后解决竖向溜渣井堵塞问题提供了处理的思路和方法。

关键词：溜渣井；堵塞体；氦气；气球

1 工程概况

  精河一级电站发电引水系统工程II标由引水发电工程、调压室工程、压力管道工程组成。调压室位于引水隧洞末端，为水室式调压室。调压室竖井采用圆形断面，上室无压断面采用城门洞形。竖井内径12m，底板高程l104.62m，顶部平台高程1225m，坚井高120.38m。上室设在隧洞上游侧，长200m，城门洞形断面，宽8m，高l0m～12m，进口底板高程1202m，倾向竖井的排水底坡为1%。调压室检修闸门布置在竖井下游侧，平板闸门尺寸为6.2m×6.2m。闸门井后的混凝土中设通气孔，调压室顶部下游侧设置闸门启闭检修平台。

  调压室所在地层主要为泥盆系中统千古杂组第二段，岩性以灰黑色中厚层夹薄层状疑灰质砂岩、凝灰质硅质砂岩为主，夹有中厚层凝灰质砂岩和厚层凝灰岩。受附近区域性构造影响，基岩岩层产状多变，总体走向NIV280º～300º倾向SW，倾角65º～75º，浅部岩体风化及卸荷裂隙发育，岩石破碎。围岩以Ⅳ类为主，Ⅴ类次之，开挖后应及时采取喷锚、支护等措施。

2 溜渣井简介

  调压室位于引水隧洞末端，为水室式调压室。调压室竖井为圆形断面，上室为城门洞形断面，调压室竖井顶部平台高程1225m，调压室上室底部开挖高程1200.7m。溜渣井位于调压室竖井中心，直径1.2m。调压室上室和调压室竖井开挖弃渣料通过溜渣井出渣。溜渣井与周边建筑物的相对位置见图1。

3 堵井原因及范围

  竖井上室开挖溜渣过程中，由于溜渣井断面较小，溜渣时大的块石相互挤压；爆破形成超径石；溜渣井底部渣料堆积区没有及时清渣，导致石渣堆积在竖井下部，挤压密实等原因，发生溜渣井被弃渣料堵塞，形成由溜渣井顶部向井内方向延伸的一段堵塞体。为了探明堵井范围，便于研究如何处理溜渣井内堵塞体，采用充有氦气的气球将测绳通过溜渣井底部送至堵塞体底部，带有测绳的气球到达的位置见图2。由于溜渣井顶部高程1201m、底部高程1101m和进入溜渣井内测绳的长度（L2=50m）已知，根据图中几何关系（L1=H-L2），经过计算，溜渣井内堵塞体范围在高程1151m～1201m之间，堵塞体长度约50m；溜渣井高程1151m～1101m之间，未发生堵井。

图1  溜渣井与周边建筑物相对位置图

 图2   堵塞体位置量测图

4 处理方案选择与分析

  通过对堵塞体所处位置、长度和溜渣井的方向分析，可以使用的作业面有两处：一处是从上部进行，另一处是从下部进行。处理堵井的基本方法主要指标见表1。

    表1                           主要指标分析表

  综合分析，选择方案4从底部采用充有氦气的气球携带雷管和炸药至堵塞体底部引爆炸药分批次进行爆破的方法，利用炸药爆炸冲击波对形成堵塞体的渣料产生扰动以后，使渣料在自身重力作用下掉落，从而达到疏通溜渣井的目的。

5 主要受力计算与结构设计

  在自然空气环境中，一个充有1m³氦气的气球（暂不考虑气球材料本身的质量）所产生的浮力（F）、氦气自身的重力(G₁)和向上的升力（N₁）（按零摄氏度和一个标准大气压下），采用如下方法计算：

  忽略充气后气球自身材质的体积，该气球排开空气的体积为V₁ =1m³，其内部充氦气也为1m³。通过查阅资料：空气的密度为（在零摄氏度、一个标准大气压时候）1.293kg/m³，氦气的密度为（在零摄氏度、一个标准大气压时候）0.178kg/m³。

  产生的浮力，按排开空气的体积V₁ =1m³计算，则根据阿基米德原理：

  F=ρ_空气V₁ g=1.293×1×10=12.93N

  1m³氦气自身的重力：

  G₁=ρ_氦气V₁ g=0.178×1×10=1.78N

  产生向上的升力:

  N₁ =F-G₁=12.93-1.78=11.15N

     根据处理溜渣井内堵塞体现场实际情况，将气球充气至直径70㎝（体积用V₂，直径用R表示），则每个气球产生的升力N₂ （一个充气至直径70㎝的气球材料自重G₂按0.25N计，由于生产厂家不同，自重会有所差异）。

  实际充气后气球的体积按近似于标准球体进行计算，则

  通过以上公式计算所得结果，经过换算得出结论：一个充氦气至直径70㎝的气球能携带物体的质量约175g（由于气球充气后未完全达到直径70㎝，现场利用天平实测一个气球能携带物体的质量为M=160g）。

  为了获得较好的爆炸效果，初步拟定需要携带的雷管和炸药为700g。由此，需要将气球串连起来整体受力才能将雷管和炸药携带至堵塞体底部。为了保证气球串连以后的整体性，结合材质特点和轻便要求，气球的串连采用透明胶带完成；为了保证充气后的气球在使用过程中不易损坏，采用塑料薄膜进行保护（如果有损坏，需要及时更换）。气球的串连结构和保护方法见图3，方案所用各种材料的名称和质量（天平称量）统计汇总见表2。

图3  气球串连与保护结构图（单位：mm）

表2                     各种材料的名称和质量（天平称量）统计汇总表

通过表2的数据统计分析，如果需要携带雷管炸药700g至堵塞体底部，则串连起来的气球总的提升质量必须大于1436.8g。根据现场利用天平实测一个气球能携带物体的质量，至少需要9个相同规格尺寸的气球。考虑到气球充气后尺寸的偏差，所用辅助材料透明胶带、塑料薄膜等实际用量的偏差，串连气球的数量用10～12个为宜。另外，随爆破位置的升高，所需引爆电线的质量随之增加，故需要适时增加充气气球的数量来获得更大的升力。

6 处理方法的现场实施简述

  在现场分别对每个气球充气至直径70㎝，尽可能保证大小一致，将每一个充气后气球临时固定在一根长度约10m左右的PVC管上并使之保持整齐排列，再利用透明胶带顺PVC管方向从第一个气球依次粘接至最后一个气球，顺PVC管方向共计粘接4道。以上工作完成以后，分别将相邻两个气球之间的4道胶带上面再环向通过胶带粘接一道，直到将最后一个气球之间的4道胶带完成粘接为止。所有粘接完成以后拆除PVC管，再套上塑料薄膜，气球组装照片见图4。完成气球的串连成整体以后，将炸药和雷管固定在气球的顶端，爆破电缆顺气球串连的方向引至尾部，该电缆既作为控制气球上升速度的牵引“绳索”，也用来起爆电子雷管，利用串连起来的气球产生的向上升力将雷管和炸药携带至堵塞体底部对其进行爆破震动。另外，在气球完全进入溜渣井之前需要人工辅助，见图5。由于堵塞体是由开挖渣料和喷射混凝土产生的回弹料组成的混合物，该混合物中水泥的凝结使混合物产生了一定的固结，造成每次爆破的效果不佳，利用这种方法，经过十余次爆破，成功地疏通了溜渣井。

图4    气球组装照片

图5  人工辅助气球组携带雷管炸药进入溜渣井照片

7 运用后效果与建议

  竖向溜渣井在使用过程中，发生开挖渣料堵塞溜渣井的现象时，对溜渣井内堵塞体的清除、处理是竖井施工过程中的难点，特别是遇堵塞体长度较长，而一般的钻孔设备能力达不到时，在综合考虑安全、费用、工期、适宜性等方面因素以后，采用充有氦气的气球携带雷管和炸药到达溜渣井堵塞体底部进行爆破疏通的方案，为今后解决竖向溜渣井堵塞问题提供了新的思路和方法，具有一定的实用价值。