CN107024153B - 水下岩塞爆破陀螺分布式药室法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下岩塞爆破陀螺分布式药室法，属于水下岩塞爆破工程中的岩塞体爆破方法。在岩塞周边按岩塞体尺寸的要求钻预裂孔，陀螺平面位置拟定，陀螺轴线上部药包Z上、下部药包Z下位置与药量计算，陀螺平面药包Y1～Ym位置布置与药量计算，陀螺分布式药室布置最终确定，药室和施工通道，爆破顺序及起爆时间间隔。优点是药室布置层次分明，各药室相互关系清楚，爆破机理和作用对象明确，结构简单，容易掌握；应用前景广阔，填补了大型水下岩塞爆破集中药包布置理论与实践的空白，是水下岩塞爆破药室布置的新突破，对于水下岩塞爆破设计与施工具有明显的实际应用意义。
Description
技术领域
本发明属于水下岩塞爆破工程中的岩塞体爆破方法，适用于水利水电工程取水口、引水工程取水口的水下岩塞爆破工程，也适用于潜艇地下机库通道采用水下岩塞爆破的工程
背景技术
水下岩塞爆破是一种水下控制爆破技术，在已建水库或天然湖泊中取水、发电、灌溉供水和泄洪时，为修建隧洞的取水口，避免在深水中建造围堰，采用岩塞爆破是一种经济而有效的方法。
目前，传统的大洞径水下岩塞爆破多采用分散型药室、逐层起爆方法，如单层王字型和多层分散型药室分布形式，传统的分散型药室方案存在着如下问题：
(1)爆破震动大，各个药室主次不明确，药量大的药室距离轮廓线近，爆破震动破坏影响大，不利于被保留岩体的保护，不利于附近已有建筑物的安全。
(2)夹制作用明显，前序药室不能给后续药室提供完整且足够大的临空面，夹制作用贯穿整个爆破过程，不利于爆通与成型。
(3)岩塞体残留，爆破后，容易造成岩塞腔体内有部分岩石没有爆除，形成残留，影响过水流量。
(4)开口形状和尺寸不易保证，由于药室布置格局没有与设计岩塞口的形状相匹配，仅靠预裂来限制轮廓，在强大的爆破力作用下往往达不到预期目的，超欠挖情况出现的概率较高。
因此，鉴于目前药室布置和起爆方法对于水下岩塞爆破的重要性，研究探讨更有利于减少爆破震动、削弱夹制作用、保证开口形状和尺寸、有利于克服淤泥和水的影响、有利于岩塞安全爆通，有利于爆破岩渣的集渣和下泄的新型药室布置和起爆方法已成为设计和科研人员迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明提供一种水下岩塞爆破陀螺分布式药室法，以解决爆破震动大、夹制作用明显、岩塞体残留和开口形状和尺寸不易保证的问题。
本发明采取的技术方案是：包括下列步骤：
(一)在岩塞周边按岩塞体尺寸的要求钻预裂孔；
(二)陀螺平面π位置拟定；
(1)以岩塞轴线作为陀螺轴线，假设在岩塞轴线与陀螺平面交点Z处布置一中心药包，计算两个方向抵抗线的比值W’下/W’上，并以此确定中心药包位置，亦即陀螺平面π位置，W’下/W’上在1.1～1.5范围内选取，岩塞上口有深水或厚淤泥覆盖时应取大值；
(2)岩塞厚度H已知，由H＝W’上+W’下，由此确定陀螺平面位置；
(三)陀螺轴线上部药包Z上、下部药包Z下位置与药量计算
(1)为使Z处药包爆破作用对象明确，将Z处药包沿岩塞轴线分为陀螺平面圆上部药包Z上和下部药包Z下，两个药包主要任务是完成岩塞的上开口和下开口，同时也为其它药包爆破创造临空条件；
(2)分成的上部药包Z上、下部药包Z下，其间距h为岩塞厚度H的1/4～1/3；
(3)上部药包Z上、下部药包Z下的最小抵抗线分别用W上、W下表示，W下/W上在1.1～1.5范围内，岩塞上部有深水或厚淤泥取1.5；
(4)选取爆破作用指数n，n的范围为1.25～2.0；
(5)由鲍列斯可夫药量计算公式：Q＝KW3f(n)，得上部药包Z上、下部药包Z下两个药包药量计算式分别为：两个药包药量平衡：Q上＝Q下，有：经过整理得：W下/W上的计算式(1)，经公式(1)计算的W下/W上仍需要满足1.1～1.5范围；
式中：W上、W下——上部药包、下部药包最小抵抗线(m)；
n上、n下——上部药包、下部药包的爆破作用指数，按照步骤4)选取；
f(n上)、f(n下)——上部药包、下部药包的爆破指数：
K上、K下——上部药包、下部药包的岩石单位耗药量，统称单耗K,kg/m3；
单耗K可通过以下方法选取：取按下述方法确定的各岩石单位耗药量K的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量K：
①根据岩石级别参照经验公式(2)计算：
K＝0.8+0.085N (2)
式中：K——岩石单位耗药量(kg/m3)；
N——岩石级别(按16级分级)。
②根据岩石的容重按经验公式(3)计算：
式中：K——岩石单位耗药量(kg/m3)；
γ——岩石容重(kg/m3)；
③通过现场标准抛掷爆破漏斗试验确定；
(四)陀螺平面药包Y1～Ym位置布置与药量计算
(1)在陀螺平面内，相邻陀螺平面药包之间的圆心角θ＝360°/m，陀螺平面药包数量m应满足相邻药包之间最小间距要求；
(2)陀螺平面药包的位置应关于过陀螺轴线的铅垂面ω对称布置，
(3)单耗K的计算，取按下述方法确定的各岩石单位耗药量K的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量K：
1)根据岩石级别参照经验公式(2)计算；
2)根据岩石的容重按经验公式(3)计算；
3)通过现场标准抛掷爆破漏斗试验确定，
(4)药包与岩塞侧向边界或预裂面距离ρ，ρ由下式(4)计算：
ρ＝Rc+0.7B (4)
式中：B——药室宽度m，取0.8m；
Rc——压缩圈半径m，压缩圈半径计算公式(5)如下：
式中：μ——岩石压缩系数，根据岩石等级查有关文献或规范得到；
Δ——炸药密度，根据药包质量和体积即可计算出其密度，kg/m3；
Q——药包药量kg，药量计算公式(6)如下：
Q＝KW3f(n) (6)
式中：Q——药包药量kg；
K——标准抛掷爆破单位耗药量kg/m3，其计算方法与步骤(三)的(5)相同；
W——最小抵抗线，m，由设计图纸实际量得；
n——爆破作用指数；
f(n)——爆破作用指数函数，其计算公式(7)如下：
f(n)＝0.4+0.6n3 (7)
(5)将公式(7)代入(6)再代入(5)整理后得：
上式μ、K、Δ、n一定时，压缩圈半径Rc仅与最小抵抗线W有关，据此可以初步估算Rc的值，一般取W＝0.45H估算Rc值，以便确定各陀螺平面药包与边线的距离ρ；
(五)陀螺分布式药室布置最终确定
(1)相邻陀螺平面药包间距a计算，水下岩塞爆破条件下，为确保爆通及考虑岩石的夹制作用，相邻陀螺平面药包间距a应采用下式(9)计算:
式中：a——药包间距(m)；
Wcp——相邻药包的平均最小抵抗线(m)；
f(ncp)——相邻药包的平均爆破作用指数函数；
(2)爆破漏斗破裂范围复核计算，为坡面爆破漏斗示意图，上破裂半径R＇和下破裂半径R计算公式(10)、(11)如下：
式中：R＇——上爆破漏斗半径(m)；
R——下爆破漏斗半径(m)；
β——考虑地形地质条件系数；
(3)漏斗开口应满足设计过流开口要求，开口大小主要由Z上药包决定：
AB应大于满足过流要求的开口；
其中，点A为上破裂半径与坡面交点，点B为下破裂半径与坡面交点，点O为药包中心点，AB为爆破漏斗开口尺寸，M为直线AB上的点，且OM垂直AB,OM的长度等于最小抵抗线W；
(4)药室的布置是一个循环设计过程；
(六)药室和施工通道
1)药室中心应与计算药包中心重合，其尺寸应考虑炸药装填体积；
2)药室开挖及装药施工通道，将陀螺平面与岩塞轴线交点作为分界点，分界点及以上药室共用一个通道，分界点以下共用一个通道。整个岩塞药室分成上部和下部两个施工通道区；
3)施工通道在满足施工条件下，断面尺寸应尽量小，一般宽度80～100cm，高度120～150cm；
4)为提高爆破效果，轴线上的两个药室Z上、Z下之间不应直接设置通道相连；
5)各药室装药、联网、堵塞、回填、灌浆，之后等强，一般等强3～5天；
(七)爆破顺序及起爆时间间隔
(1)先起爆预裂孔，预裂孔全部爆破完成之后，再同时起爆陀螺轴线药室中的上部药包Z上、下部药包Z下，起爆完成后，岩塞已经形成上开口和下开口，并初步形成通道和为陀螺平面内药室爆破创造了临空面；
(2)接着按高程从上至下，分段起爆陀螺平面内各药室；
(3)分段起爆时间间隔，分段起爆时间间隔按下式计算：
式中：t——分段时间间隔(s)；
A——系数，取0.0021。
本发明的优点：
本发明药室布置层次分明，各药室相互关系清楚，爆破机理和作用对象明确，结构简单，容易掌握；
(1)主爆破药室位于岩塞中间，且远离轮廓线，减少爆破震动破坏影响，有利于岩塞围岩稳定，有利于工程安全；
(2)主爆破药室位于岩塞中间靠近库区，有利于克服淤泥和水的影响，有利于岩塞安全爆通；
(3)先行起爆岩塞轴线上的两个药室，有利于爆破岩渣的集渣和下泄，防止淤堵；
(4)周圈药室在轴线上药室之后起爆，使之作用方向向着岩塞体轴线方向，有利于保护岩塞轮廓线外的保留岩体，避免超挖，避免出现工程隐患；
(5)周圈药室由上到下分层起爆，爆破作用方向明确，减少夹制影响，减少围岩体的振动。
本发明应用前景广阔，填补了大型水下岩塞爆破集中药包布置理论与实践的空白，是水下岩塞爆破药室布置的新突破，对于水下岩塞爆破设计与施工具有明显的实际应用意义，本发明适用于所有大型水下岩塞爆破，尤其是深水厚淤积高密度覆盖条件下的岩塞爆破，本发明为采用岩塞爆破修建取水口的水电站机组扩容，城乡调水，水库和江河湖泊的排淤减淤，生态环境保护等提供了强有力的技术支撑，具有广泛深远的社会意义。
附图说明
图1是本发明陀螺分布式药室结构示意图；
图2是本发明陀螺平面位置示意图；
图3是本发明陀螺轴线药包位置示意图；
图4是本发明陀螺平面关于过陀螺轴线的铅垂面ω对称示意图；
图5是本发明陀螺平面与侧向边界距离示意图；
图6是本发明上部药包爆破漏斗示意图；
图7是本发明实例1陀螺平面内各药包圆周布置示意图；
图8是本发明实例1爆破后岩塞口处淤积覆盖物地形图。
具体实施方式
包括下列步骤：
(一)在岩塞周边按岩塞体尺寸的要求钻预裂孔；
在岩塞体爆破之前，首先进行预裂爆破，使岩塞所处的使岩塞所处的岩体被预裂面切割成孤立的岩塞体，岩体预裂爆破技术有关文献报道很多，在此不做赘述；
(二)陀螺平面π位置拟定；
(1)以岩塞轴线作为陀螺轴线，假设在岩塞轴线与陀螺平面交点Z处布置一中心药包，计算两个方向抵抗线的比值W’下/W’上，并以此确定中心药包位置，亦即陀螺平面位置，W’下/W’上在1.1～1.5范围内选取，岩塞上口有深水或厚淤泥覆盖时应取大值；
(2)岩塞厚度H已知，由H＝W’上+W’下，由此确定陀螺平面位置，陀螺平面位置如图2所示；
(三)陀螺轴线上部药包Z上、下部药包Z下位置与药量计算
(1)为使Z处药包爆破作用对象明确，将Z处药包沿岩塞轴线分为陀螺平面圆上部药包Z上和下部药包Z下，两个药包主要任务是完成岩塞的上开口和下开口，同时也为其它药包爆破创造临空条件；
(2)分成的上部药包Z上、下部药包Z下，其间距h为岩塞厚度H的1/4～1/3；陀螺轴线药包Z上、Z下位置如图3所示；
(3)上部药包Z上、下部药包Z下的最小抵抗线分别用W上、W下表示，W下/W上在1.1～1.5范围内，岩塞上部有深水或厚淤泥取大值；
(4)选取爆破作用指数n，对于水下岩塞爆破的n值选择，一般仍然以陆地抛掷爆破条件选用，在考虑地表坡度和开口尺寸时，应考虑岩塞上覆水深和淤积物的厚度，n的范围为1.25～2.0；
(5)通过爆破参数(单耗K、抵抗线W、爆破作用指数函数f(n))计算的两个药包的药量应符合平衡原则；由鲍列斯可夫药量计算公式：Q＝KW3f(n)，得上部药包Z上、下部药包Z下两个药包药量计算式分别为： 两个药包药量平衡：Q上＝Q下，有：经过整理得：W下/W上的计算式(1)，经公式(1)计算的W下/W上仍需要满足1.1～1.5范围；
式中：W上、W下——上部药包、下部药包最小抵抗线(m)；
n上、n下——上部药包、下部药包的爆破作用指数，按照步骤4)选取；
f(n上)、f(n下)——上部药包、下部药包的爆破指数：
K上、K下——上部药包、下部药包的岩石单位耗药量，简称单耗(kg/m3)；
单耗K可通过以下方法选取：(从权)
取按下述方法确定的各岩石单位耗药量K的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量K：
①根据岩石级别参照经验公式(2)计算：
K＝0.8+0.085N (2)
式中：K——岩石单位耗药量(kg/m3)；
N——岩石级别(按16级分级)；
②根据岩石的容重按经验公式(3)计算：
式中：K——岩石单位耗药量(kg/m3)；
γ——岩石容重(kg/m3)；
③通过现场标准抛掷爆破漏斗试验确定，其试验方法有关文献有介绍和报道。
(四)陀螺平面药包Y1～Ym位置布置与药量计算
(1)在陀螺平面内，相邻陀螺平面药包之间的圆心角θ＝360°/m，可根据工程实际情况进行合理调整，陀螺平面药包数量m应满足相邻药包之间最小间距要求；
(2)陀螺平面药包的位置应关于过陀螺轴线(岩塞轴线)的铅垂面ω对称布置，以6个药包为例，Y1与Y2、Y3与Y6、Y4与Y5的位置应关于过陀螺轴线的铅垂面ω与陀螺平面π交线Y对称，如图4所示；
(3)单耗K的计算，取按下述方法确定的各岩石单位耗药量K的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量K：单耗K(K1、K2、……、Km)应综合以下方法所得的值进行对比分析，选择合适的岩石单位耗药量；
1)根据岩石级别参照经验公式(2)计算；
2)根据岩石的容重按经验公式(3)计算；
3)通过现场标准抛掷爆破漏斗试验确定，其试验方法有关文献有介绍和报道。
(4)药包与岩塞侧向边界或预裂面距离ρ(如图5所示)，其目的是为了减少药包对岩塞周边原岩的破坏影响；ρ由下式(4)计算：
ρ＝Rc+0.7B (4)
式中：ρ——药包与岩塞侧向边界或预裂面距离m；
B——药室宽度m，取0.8m；
Rc——压缩圈半径m，压缩圈半径计算公式(5)如下：
式中：μ——岩石压缩系数，根据岩石等级查有关文献或规范得到；
Δ——炸药密度，根据药包质量和体积即可计算出其密度，(kg/m3)；
Q——药包药量kg，药量计算公式(6)如下：
Q＝KW3f(n) (6)
式中：Q——药包药量kg；
K——标准抛掷爆破单位耗药量kg/m3，其计算方法与步骤(三)的(5)相同；
W——最小抵抗线，m，由设计图纸实际量得；
n——爆破作用指数；
f(n)——爆破作用指数函数，其计算公式(7)如下：
f(n)＝0.4+0.6n3 (7)
(5)将公式(7)代入(6)再代入(5)整理后得：
上式μ、K、Δ、n一定时，压缩圈半径Rc仅与最小抵抗线W有关，据此可以初步估算Rc的值，一般取W＝0.45H估算Rc值，以便初步确定各陀螺平面药包与边线的距离ρ；
1)根据以上计算结果和要求，对各药包进行布置，根据各药包布置图，结合地形测量图，在图上进行抵抗线的量测和计算。
2)对布置的药包进行阻抗平衡复核计算，各药包向库区(迎水)方向和隧洞(背水)方向的抵抗线W1、W2，则W2/W1宜控制在1.1～1.5之间。岩塞上口有深水或厚淤泥覆盖时应取大值。
(五)陀螺分布式药室布置最终确定
(1)相邻陀螺平面药包间距a计算，水下岩塞爆破条件下，为确保爆通及考虑岩石的夹制作用，相邻陀螺平面药包间距a应采用下式(9)计算:
式中：a——药包间距(m)；
Wcp——相邻药包的平均最小抵抗线(m)；
f(ncp)——相邻药包的平均爆破作用指数函数；
(2)爆破漏斗破裂范围复核计算，图6为坡面爆破漏斗示意图，上破裂半径R＇和下破裂半径R计算公式(10)、(11)如下：
式中：R＇——上爆破漏斗半径(m)；
R——下爆破漏斗半径(m)；
β——考虑地形地质条件系数；
(3)漏斗开口应满足设计过流开口要求，开口大小主要由Z上药包决定，由图6可知：
AB应大于满足过流要求的开口；
其中，点A为上破裂半径与坡面交点，点B为下破裂半径与坡面交点，点O为药包中心点，AB为爆破漏斗开口尺寸，M为直线AB上的点，且OM垂直AB。OM的长度等于最小抵抗线W；
(4)药室的布置是一个循环设计过程，在满足以上要求时，允许根据具体实际情况进行小量调整。
(六)药室和施工通道
6)药室中心应与计算药包中心重合，其尺寸应考虑炸药装填体积；
7)药室开挖及装药施工通道，将陀螺平面与岩塞轴线交点作为分界点，分界点及以上药室共用一个通道，分界点以下共用一个通道。整个岩塞药室分成上部和下部两个施工通道区；
8)施工通道在满足施工条件下，断面尺寸应尽量小，一般宽度80～100cm，高度120～150cm；
9)为提高爆破效果，轴线上的两个药室Z上、Z下之间不应直接设置通道相连；
10)各药室装药、联网、堵塞、回填、灌浆，之后等强，一般等强3～5天；
(七)爆破顺序及起爆时间间隔
(1)先起爆预裂孔，预裂孔全部爆破完成之后，再同时起爆陀螺轴线药室中的上部药包Z上、下部药包Z下，起爆完成后，岩塞已经形成上开口和下开口，并初步形成通道和为陀螺平面内药室爆破创造了临空面；
(2)接着按高程从上至下，分段起爆陀螺平面内各药室，以陀螺平面6个药室Y1～Y6为例：按高程分段，其中2个药室在上部、2个药室在中部、剩余2个药室在下部，从上部到下部的药室分段起爆；
(3)分段起爆时间间隔，应满足爆破漏斗形成和在抵抗方向岩石开始移动时间，分段起爆时间间隔按下式计算：
式中：t——分段时间间隔(s)；
A——系数，取0.0021；
为了减少爆破震动破坏影响，应控制最大单响药量不超过周围建筑物抗震允许标准。
下面通过具体工程实例来进一步说明本发明。
工程实例1
(1)工程概述
黄河刘家峡洮河口排沙洞及扩机工程，进水口采用水下岩塞爆破技术，设计岩塞体近似倒置截锥圆台体，其轴线与水平面夹角为45°，母线与轴线呈15°夹角。岩塞上开口呈椭圆形，尺寸为21.60m×20.98m，下开口为圆形，直径10m，岩塞厚度12.30m，岩塞处于正常蓄水位以下70m，且上有厚淤泥沙层覆盖。
岩塞部位的岩石为云母石英片岩，主要为弱风化岩石，见有少量微风化岩石，弱风化岩石厚度2.0～6.0m，岩石强度较高，岩石饱和抗压强度平均值为60.MPa，平均饱和容重2820kg/m3，为坚硬岩，岩石较完整，属于Ⅱ类岩石(按16级分级，相当于10级)。
工程实例1采用的炸药为高能乳化炸药，炸药密度1.21g/cm2。雷管为高精度数码雷管，延期精度为±1ms。
(2)岩塞周边预裂孔及装药
在岩塞周边布置一圈预裂孔，共计98个，预裂孔自岩塞下底面，直径为10m的圆周上钻孔，钻孔方向与岩塞轴线成15°，预裂孔孔深为11.9m～17.2m，孔径76mm，最小孔距32cm，最大孔距51cm。线装药密度950～1100(g/m)；
(3)陀螺平面位置拟定
陀螺平面位置选择在距岩塞下口7.30m处，岩塞厚度H为12.3m，则距上口为5.0m。设平面与轴线交点处有一虚拟药包Z，有W’下/W’上＝1.46，满足1.1～1.5范围；
(4)轴线药包位置拟定
1)为取得较好的爆破效果，使爆破方向和作用明确，设置上部药包Z上、下部药包Z下；
2)两药包相距3.3m，相距满足岩塞厚度H的1/3～1/4要求；
3)两个药包最小抵抗线W下/W上＝5/4＝1.25，满足1.1～1.5范围，
4)爆破作用指数n选取
工程实例中，陀螺平面布置了6个药包，药包编号为#1、#2、#3、#4、#5、#6，根据岩塞口上部水深、淤泥厚、岩面起伏情况等，参照以往工程经验，结合本工程特点，各药室爆破作用指数选取结果如下表1：
表1 各药室爆破作用指数
| 药包编号 | 爆破作用指数n | 药室编号 | 爆破作用指数n |
| Z上 | 1.98 | #3 | 1.35 |
| Z下 | 1.35 | #4 | 1.35 |
| #1 | 1.35 | #5 | 1.55 |
| #2 | 1.35 | #6 | 1.55 |
5)轴线药包平衡条件复核
对于药包Z上和药包Z下，由公式(7)计算的相应爆破作用指数函数值为：
f(n上)＝0.4+0.6n上 3＝5.08；f(n下)＝0.4+0.6n下 3＝1.88
取药包Z上和药包Z下所爆破的岩石单位耗药量相同K上＝K下，由公式(1)计算得：W下/W上＝1.39，比值在1.1～1.5范围内，轴线药包爆破作用指数选取比较合理。
(5)陀螺平面药包位置拟定
1)陀螺平面布置的6个药包，先按等分圆周布置，相邻药包之间的圆心角为θ＝360°/6＝60°。
2)按高程将#1和#2药包布置在上部，#3、#4药包在中部，#5、#6药包在下部。考虑药包Z上和Z下起爆后，防止上部药包之间及底部药包之间的岩石夹制作用，将#1、#2药包之间，#5、#6药包之间的圆心角调整为45°(虚线为调整前)，直线Y两侧药包关于Y对称，药包布置如图7所示。
3)单位耗药量K选取
①岩石相当于10级，公式(2)中N＝10，计算得：K＝1.65kg/m3；
②岩石容重γ＝2820kg/m3，由公式(3)计算得：K＝1.72kg/m3；
③通过现场爆破漏斗试验确定，试验结果为K＝1.71(kg/m3)；
取通过以上三种方法得的算术平均值，岩塞的岩石单位耗药量K为1.70kg/m3；
4)药包与预裂面边界距离
炸药密度Δ＝1210kg/m3，岩石等级Ⅹ级，查压缩系数μ为10，取W＝0.45H＝0.45×12.3＝5.535，陀螺平面内药包作用指数n为1.35和1.55；由公式(8)得压缩圈半径Rc分别为1.02和1.14，取药室宽度为1m，由公式(4)计算保护层厚度分别为1.72和1.84，因而，取药包与岩塞侧向边界距离为1.84m；
5)由以上步骤各药包位置基本确定，将各药包布置在图上。
6)各药包岩塞轴线方向抵抗线
根据岩塞坡面地形图和岩塞下口位置图，量测和计算各药包迎水(上口)方向和背水(下口)方向的抵抗线W1、W2，如下表2：
表2 各药包迎水和背水方向抵抗线表
| 药包名称 | W1 | W2 | W2/W1 |
| #1药室 | 4.99 | 6.91 | 1.39 |
| #2药室 | 5.47 | 7.79 | 1.42 |
| #3药室 | 5 | 6.51 | 1.30 |
| 上部药室 | 5.4 | 8.3 | 1.54 |
| #4药室 | 5.88 | 7.7 | 1.31 |
| #5药室 | 5.09 | 6.82 | 1.34 |
| #6药室 | 5.34 | 7.59 | 1.42 |
由于Z下药室上部有Z上药室，不予考虑Z下抵抗线的平衡影响。其它各药室W2/W1基本在1.1～1.5之间，因岩塞上覆淤泥，W2/W1值较大，符合实际要求。
(6)陀螺分布药室位置最终确定
1)相邻药包间距复核计算
在图中量得各药包最小抵抗线后，由公式(9)计算相邻药包允许间距a，见下表3：
表3 相邻药包允许间距表
| 相邻药室 | 实际间距 | 计算允许间距a(m) |
| #1和#2药室 | 4.06 | 6.97 |
| #1和#3药室 | 5.98 | 6.48 |
| #1和Z上药室 | 4.99 | 7.97 |
| #2和Z上药室 | 5.58 | 8.27 |
| #2和#4药室 | 6.19 | 7.71 |
| #3和Z上药室 | 5.54 | 7.68 |
| #3和#5药室 | 5.98 | 6.48 |
| Z上和#4药室 | 5.42 | 7.64 |
| Z上和#5药室 | 5.81 | 8.86 |
| Z上和#6药室 | 5.98 | 8.27 |
| #4和#6药室 | 6.49 | 7.71 |
| #5和#6药室 | 4.14 | 6.97 |
表3说明，各药包实际间距满足计算的允许间距要求，药包布置是合理的。
2)爆破漏斗破裂范围复核计算
工程地面坡度在30°～50°，岩石为坚硬与致密岩石，则地形地质条件系数β取为2。由公式(10)和(11)、(12)计算Z上药包的上破裂半径R＇＝15.1m，下破裂半径R＝10.7m，开口25.8m，开口满足设计过流尺寸要求。
3)陀螺分布式药室布置结果。由前述计算结果，确定各药室的大地坐标如下表4：
表4 陀螺分布式药室位置表
4)爆破参数药量计算。由前述计算和选取的爆破参数，及公式(6)计算各药室药量如下表5。
表5 爆破参数及药量计算结果表
(7)药室和施工通道
药室和施工通道采用“短进尺，小药量”开挖方式。为减少施工干扰，将药室施工分成两个独立区域进行，即上部施工区和下部施工区。对应施工区共布置2条主导洞、6条连通洞。在岩塞下方布置1#主导洞，连接#3、#4、#5、#6、Z下药室。在岩塞上方布置2#主导洞，连接#1、#2、Z上药室。主导洞与各药室由连通洞相连。主导洞进出口布置在岩塞下口。主导洞和连通洞的开挖尺寸为80×150cm(宽×高)。
(8)起爆时间间隔和顺序
1)分段起爆时间间隔
由公式(13)计算各药室分段时间间隔如下表6：
表6 各药室起爆时间间隔计算结果表
表6中各药室最大起爆时间间隔为25ms。爆区内周围建筑物不发生振动破坏影响时，现场试验确定的最大单响控制药量为2000kg，而本工程Z上和Z下同时起爆最大单响药量为1752.5kg，满足不发生破坏要求。
2)确定的起爆顺序和时间间隔
第一响，预裂孔起爆，岩塞体由周围岩体切割；
第二响，75ms后，Z上和Z下药室起爆，爆除岩塞上、下口岩石，形成上、下开口和沙漏状通道；
第三响，100ms后，#1和#2药室起爆，借助沙漏通道爆除岩塞上部岩石，并形成新的临空面；
第四响，125ms后，#3和#4药室起爆，借助新的临空面和沙漏通道，爆除岩塞中部岩石，并再次形成新的临空面；
第五响，150ms后，#5药室起爆，借助沙漏通道和新的临空面爆除岩塞下部岩石，形成新的临空面；
第六响，175ms后，#6药室起爆，借助新的临空面和沙漏通道爆除下部最后岩塞岩石。
通过数值模拟计算，岩塞能够达到完全爆通。本工程于2015年9月岩塞圆满成功爆通，监测结果表明：出口实测流量为870m3/s，岩塞开口满足过流流量600m3/s要求。爆区周围建筑物没有受到振动破坏影响，边坡岩体没有新的裂缝产生和塌落现象。爆破后立即进行水下声纳地形图测量，结果见图8，由于坡面覆盖淤沙，地形图呈漏斗状。结果表明岩塞爆通。
工程实例2
(1)工程概况
某工程现场试验，进口段岩体边坡陡峭，坡度一般75°～85°，局部形成反坡。进口段围岩岩质坚硬，岩石呈弱～微风化状态，表部岩石完整性较差，岩石饱和抗压强度平均值为118MPa，岩石平均饱和容重2900kg/m3，属于Ⅱ类岩石(按16级分级，相当于10级)，设计岩塞下开口为圆形，内径7m，外口近似椭圆，尺寸11.96m×12.63m；岩塞最小厚度9.8m，岩塞进口轴线与水平面夹角72°，采用高能乳化炸药，密度1210kg/m3；
(2)岩塞预裂孔
为保证岩塞体成型良好，在岩塞周边布置68个预裂孔，扩散角为15°，预裂孔线装药密度为270g/m，药卷直径20mm；
(3)陀螺平面位置
该平面位于岩塞体中上部，距离岩塞下口垂直距离为5.3m，距离上口最小距离为4.5m，W下/W上＝5.3/4.5＝1.2，在1.1～1.5之间；
(4)陀螺轴线药室布置
1)药室布置
岩塞布置8个药室，按陀螺型布置药室，即岩塞轴线上布置2个药室，Z上药室和Z下药室，Z上药室中心距离上开口中心点的距离为3.0m，Z下药室中心距离内侧塞口中心点的距离为3.8m，两个药室中心距离为3.0m。Z上和Z下两个药包最小抵抗线W下/W上＝3.8/3.0＝1.27，满足1.1～1.5范围，两个药室中心距离为岩塞厚度H的0.3倍左右，在(1/3～1/4)H之间。
2)爆破作用指数n和单耗K
Z上药室爆破作用指数取n＝2；Z下药室爆破作用指数取n＝1.4；#1、#2、#3、#4药室爆破作用指数取n＝1.4；#5、#6在下部，为了消除夹制作用，取n＝1.57，单位耗药量由公式计算后取K＝1.8kg/m3；
3)药室平衡条件复核
由公式(7)计算的Z上和Z下药室爆破作用指数函数值分别为：f(n上)＝5.20；f(n下)＝2.05，取Z上和Z下所爆破的岩石单位耗药量相同K上＝K下，由公式(1)计算得：W下/W上＝1.36，比值在1.1～1.5范围内；
(5)陀螺平面药室布置
1)药室分布
陀螺平面布置6个药室，即#1、#2、#3、#4、#5、#6药室，相邻药室圆心角为60°，药室按高程分布，上部2个药室为#1、#2药室，中部3个药室为#3、#4药室，下部2个药室为#5、#6药室。
2)药室与预裂面边界距离
炸药密度1210kg/m3。岩石等级Ⅹ级，查压缩系数μ为10。取W＝0.45H＝0.45×9.8＝4.41，陀螺平面内药包作用指数n为1.4、1.57。由公式(8)得压缩圈半径Rc分别为0.86、0.95，取药室宽度为0.5m，由公式(4)计算保护层厚度分别为1.1、1.3m，因而，取药包与岩塞侧向边界距离为1.3m。
3)各药室抵抗线
初步确定各药包位置，将各药包布置在图上。根据岩塞坡面地形图和岩塞结构图，量测和计算各药包迎水方向和背水方向的抵抗线W1、W2。陀螺平面内各药包W2/W1在1.1～1.5之间。
(6)各药室位置最终确定
1)相邻药室间距复核，见表7。
表7 相邻药包允许间距表
| 相邻药室 | 实际间距 | 计算允许间距a(m) |
| #1和#2药室 | 3.64 | 4.23 |
| #1和#3药室 | 3.70 | 4.23 |
| #1和Z上药室 | 4.15 | 4.74 |
| #2和Z上药室 | 4.15 | 4.74 |
| #2和#4药室 | 3.70 | 4.23 |
| #3和Z上药室 | 4.14 | 4.74 |
| #3和#5药室 | 3.70 | 4.49 |
| Z上和#4药室 | 4.14 | 4.74 |
| Z上和#5药室 | 4.14 | 5.00 |
| Z上和#6药室 | 4.14 | 5.00 |
| #4和#6药室 | 3.70 | 4.49 |
| #5和#6药室 | 3.64 | 4.75 |
相邻药室间距均满足药室允许间距的要求；
2)爆破漏斗破裂范围复核计算
工程地面坡度在75°～85°，岩石为坚硬与致密岩石，则地形地质条件系数β取为4。由公式(10)和(11)、(12)计算#4上药包的上破裂半径R＇＝12.4m，下破裂半径R＝6.7m，开口18m。开口满足设计过流尺寸要求；
3)陀螺分布式药室布置结果，见表8
表8 陀螺分布式药室位置表
(七)药室和施工通道
药室分成上部和下部两个施工区，共布置了2条主导洞。在下部施工区1#主导洞，连接#3、#4、#5、#6、Z下药室；在上部施工区2#主导洞，连接#1、#2、3#、Z上药室，主导洞与各药室由连通洞相连；
(八)起爆顺序和时间间隔
各药室总装药量为1375kg，最大单响为#4上和#4下同时起爆，药量为443kg。
预裂孔首先起爆；75ms后，Z上和Z下药室起爆；间隔25ms，顺次起爆#1、#2药室，#3、#4药室，#5、#6药室，各次起爆间隔25ms。
工程于2008年4月岩塞圆满爆破成功，各项监测结果表明：岩塞开口符合设计要求，爆区周围建筑物没有受到振动破坏影响，边坡岩体没有新的裂缝产生和塌落现象。
Claims (3)
1.一种水下岩塞爆破陀螺分布式药室法，其特征在于：包括下列步骤：
(一)在岩塞周边按岩塞体尺寸的要求钻预裂孔；
(二)陀螺平面π位置拟定；
(1)以岩塞轴线作为陀螺轴线，假设在岩塞轴线与陀螺平面交点Z处布置一中心药包，计算两个方向抵抗线的比值W’下/W’上，并以此确定中心药包位置，亦即陀螺平面π位置，W’下/W’上在1.1～1.5范围内选取；
(2)岩塞厚度H已知，由H＝W’上+W’下，由此确定陀螺平面位置；
(三)陀螺轴线上部药包Z上、下部药包Z下位置与药量计算
(1)为使Z处药包爆破作用对象明确，将Z处药包沿岩塞轴线分为陀螺平面圆上部药包Z上和下部药包Z下，两个药包主要任务是完成岩塞的上开口和下开口，同时也为其它药包爆破创造临空条件；
(2)分成的上部药包Z上、下部药包Z下，其间距h为岩塞厚度H的1/4～1/3；
(3)上部药包Z上、下部药包Z下的最小抵抗线分别用W上、W下表示，W下/W上在1.1～1.5范围内；
(4)选取爆破作用指数n，n的范围为1.25～2.0；
(5)由鲍列斯可夫药量计算公式：Q＝KW3f(n)，得上部药包Z上、下部药包Z下两个药包药量计算式分别为：两个药包药量平衡：Q上＝Q下，有：经过整理得：W下/W上的计算式(1)，
式中：W上、W下——上部药包、下部药包最小抵抗线，单位为m；
n上、n下——上部药包、下部药包的爆破作用指数，按照步骤4)选取；
f(n上)、f(n下)——上部药包、下部药包的爆破指数：
K上、K下——上部药包、下部药包的岩石单位耗药量，统称单耗K，单位为kg/m3；
单耗K通过以下方法选取：
取按下述方法确定的各岩石单位耗药量K的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量K：
①根据岩石级别参照经验公式(2)计算：
K＝0.8+0.085N (2)
式中：K——岩石单位耗药量，单位为kg/m3；
N——按16级分级的岩石级别；
②根据岩石的容重按经验公式(3)计算：
式中：K——岩石单位耗药量，单位为kg/m3；
γ——岩石容重，单位为kg/m3；
③通过现场标准抛掷爆破漏斗试验确定；
(四)陀螺平面药包Y1～Ym位置布置与药量计算
(1)在陀螺平面内，相邻陀螺平面药包之间的圆心角θ＝360°/m，陀螺平面药包数量m应满足相邻药包之间最小间距要求；
(2)陀螺平面药包的位置应关于过陀螺轴线的铅垂面ω对称布置，
(3)单耗K的计算，取按下述方法确定的各岩石单位耗药量K的算术平均值作为本塞体岩石的单位耗药量K：
1)根据岩石级别参照经验公式(2)计算；
2)根据岩石的容重按经验公式(3)计算；
3)通过现场标准抛掷爆破漏斗试验确定，
(4)药包与岩塞侧向边界或预裂面距离ρ，ρ由下式(4)计算：
ρ＝Rc+0.7B (4)
式中：B——药室宽度，单位为m，取0.8m；
Rc——压缩圈半径，单位为m，压缩圈半径计算公式(5)如下：
式中：μ——岩石压缩系数，根据岩石等级查有关文献或规范得到；
Δ——炸药密度，根据药包质量和体积即可计算出其密度，单位为kg/m3；
Q——药包药量，单位为kg，药量计算公式(6)如下：
Q＝KW3f(n) (6)
式中：Q——药包药量，单位为kg；
K——标准抛掷爆破单位耗药量，单位为kg/m3，其计算方法与步骤(三)的(5)相同；
W——最小抵抗线，单位为m，由设计图纸实际量得；
n——爆破作用指数；
f(n)——爆破作用指数函数，其计算公式(7)如下：
f(n)＝0.4+0.6n3 (7)
(5)将公式(7)代入(6)再代入(5)整理后得：
上式μ、K、Δ、n一定时，压缩圈半径Rc仅与最小抵抗线W有关，据此可以初步估算Rc的值，取W＝0.45H估算Rc值，以便确定各陀螺平面药包与边线的距离ρ；
(五)陀螺分布式药室布置最终确定
(1)相邻陀螺平面药包间距a计算，水下岩塞爆破条件下，为确保爆通及考虑岩石的夹制作用，相邻陀螺平面药包间距a应采用下式(9)计算:
式中：a——药包间距，单位为m；
Wcp——相邻药包的平均最小抵抗线，单位为m；
f(ncp)——相邻药包的平均爆破作用指数函数；
(2)爆破漏斗破裂范围复核计算，上破裂半径R＇和下破裂半径R计算公式(10)、(11)如下：
式中：R＇——上爆破漏斗半径，单位为m；
R——下爆破漏斗半径，单位为m；
β——考虑地形地质条件系数；
(3)漏斗开口应满足设计过流开口要求，开口大小主要由Z上药包决定：
AB应大于满足过流要求的开口；
其中，点A为上破裂半径与坡面交点，点B为下破裂半径与坡面交点，点O为药包中心点，AB为爆破漏斗开口尺寸，M为直线AB上的点，且OM垂直AB，OM的长度等于最小抵抗线W；
(4)药室的布置是一个循环设计过程；
(六)药室和施工通道
1)药室中心应与计算药包中心重合，其尺寸应考虑炸药装填体积；
2)药室开挖及装药施工通道，将陀螺平面与岩塞轴线交点作为分界点，分界点及以上药室共用一个通道，分界点以下共用一个通道，整个岩塞药室分成上部和下部两个施工通道区；
3)施工通道在满足施工条件下，断面尺寸应尽量小，宽度80～100cm，高度120～150cm；
4)为提高爆破效果，轴线上的两个药室Z上、Z下之间不应直接设置通道相连；
5)各药室装药、联网、堵塞、回填、灌浆，之后等强，等强3～5天；
(七)爆破顺序及起爆时间间隔
(1)先起爆预裂孔，预裂孔全部爆破完成之后，再同时起爆陀螺轴线药室中的上部药包Z上、下部药包Z下，起爆完成后，岩塞已经形成上开口和下开口，并初步形成通道和为陀螺平面内药室爆破创造了临空面；
(2)接着按高程从上至下，分段起爆陀螺平面内各药室；
(3)分段起爆时间间隔，分段起爆时间间隔按下式计算：
式中：t——分段时间间隔，单位为s；
A——系数，取0.0021。
2.根据权利要求1所述一种水下岩塞爆破陀螺分布式药室法，其特征在于：步骤(二)的(1)中，当岩塞上口有深水或厚淤泥覆盖时，W’下/W’上＝1.5。
3.根据权利要求1所述一种水下岩塞爆破陀螺分布式药室法，其特征在于：步骤(三)的(3)中，当岩塞上部有深水或厚淤泥时，W下/W上＝1.5。
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