CN107036495B - 单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法 - Google Patents

单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种旋转型单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法：其包含在水下或非水下岩塞上沿着至少1个与岩塞共轴的掏心双曲面和至少1个扩孔双曲面的左旋/右旋直线母线进行激光指向钻孔，获得高精度直线母线的双曲掏心孔与扩径孔，并于其内装药由内而外顺序爆破；由于掏心双曲腰部钻孔密集，爆破刹那为高温高压中心，爆破碎石向双曲两端抛掷，具双向掏心机制，且不耦合装药利于减小过粉碎和增大抛掷功的比例，对掏心体取得较好的抛掷爆破和轮廓爆破两方面成效，为后续爆破创造凌空条件；双曲扩孔则胜任岩塞掏心贯通后的腰部厚两端薄环形管状岩体的过渡衔接扩孔爆破。双曲孔亦可用于岩塞预裂或光面成型爆破。

Description

单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法
技术领域
本发明涉及岩塞爆破，包括水资源优化配置调水取水工程、水力发电取水工程、以及抽水蓄能发电取水工程的取水口工程水下或非水下岩塞贯通扩孔与成型爆破，亦可应用于交通、铁路、矿山、国防等建设隧道井巷洞室开挖贯通扩孔成型爆破工程。
背景技术
岩塞爆破一般采用炸药室爆破技术，以及较为新型的纯排孔爆破技术。但前者为保证过流断面炸药室爆破往往超爆并总体超爆破达10％，局部则严重超爆破达20％；而后者则被大多专业人员认为对岩塞难以贯通。
掏心爆破是岩塞爆破与隧道钻爆施工的共性要求，以便为后续(雷)管段爆破创造临空(凌空)空间与凌空时间条件。现有的岩塞爆破初始雷管段掏心贯通爆破，通常可能采用的是楔形掏心的方式，但是楔形掏心如对称延伸(从岩塞内口或小口)往岩塞外口或大口，最大孔密度处要求12以至更多的孔竖向排列，孔密度相对双曲布置的大，有双向掏心的可能但不具贯通的机制，无法满足岩塞既掏心又贯通的需求。
发明内容
本发明所解决的技术问题即在提供一种利用旋转型单叶双曲面的直线母线钻孔进行掏心贯通继而扩孔的岩塞爆破方法。
本发明所采用的技术手段如下：
一种单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，包含如下步骤：
(1)根据已知隧道钻爆施工参数确定用于岩塞爆破的单叶双曲面方程的参数，方程如式1
同时获得相应的左旋或右旋母线方程组及其参数，如式2的左旋母线参数方程组
或如式3的右旋母线参数方程组
其中，ɑ＝b且ɑ、c为正数；
所述单叶双曲面包含同轴的至少1个内部掏心单叶双曲面和至少1个外部扩孔单叶双曲面，掏心单叶双曲面公式内的ɑ掏心小于扩孔单叶双曲面公式内的ɑ扩孔，且ɑ掏心/c掏心>ɑ扩孔/c扩孔；
掏心单叶双曲面和扩孔单叶双曲面岩塞内口方向延长在隧道壁上相交，于该横截面获公共参照指示截圆，或分别与隧道相交，于相应横截面获各自专用参照指示截圆，所述截圆用于钻孔参照指向；
(2)根据双曲面方程和母线参数方程，确定母线与双曲岩塞内口掌子面开孔截圆的交点，即双曲掏心孔与扩孔双曲孔开孔点位，同时确定母线与公共参照指示截圆或专用参照指示截圆的交点，即钻孔指向参照点；
(3)重复(2)完成每个双曲面上的复数个双曲掏心孔、扩孔双曲孔开孔点位、及钻孔指向参照点；共直线母线的双曲掏心孔开孔点位与钻孔指向参照点，两点一线定位指向钻孔得到直线母线掏心孔；共直线母线的扩孔双曲孔开孔点位和钻孔指向参照点，两点一线定位指向钻孔得到直线母线扩径孔；
(4)向所述直线母线掏心孔内以及所述直线母线扩径孔内装药、封堵；
(5)由内部掏心单叶双曲面的直线母线掏心孔向外部直线母线扩径孔的顺序进行岩塞掏心与扩孔爆破。
根据上述方法，在步骤(2)中，根据双曲面方程并选择每个双曲面直线母线旋转方向及其参数方程，计算确定双曲面上2-4根用于检验和定位的特征直线母线，该特征直线母线与岩塞内口掌子面截圆的交点为特征掏心孔开孔点位或特征扩孔双曲孔开孔点位，特征直线母线与公共参照指示截圆或专用参照指示截圆的交点为特征参照点，放样并对所述特征掏心孔开孔点位和特征参照点进行截圆玄长、1/4周角以及半周角几何条件检核；根据上述已选择的母线参数方程及各钻孔直线母线以特征直线母线为基础的旋转角度θ计算确定该角度对应的直线母线，确定该直线母线在掌子面上的双曲掏心孔或扩孔双曲孔开孔点位，确定公共参照指示截圆或专用参照指示截圆上的钻孔指向参照点位，按共母线两点一线进行指向钻孔得到复数直线母线掏心孔与直线母线扩径孔。
或者根据上述方法，在步骤(2)中，根据双曲面方程并选择每个双曲面的母线旋转方向，确定双曲面上2-4根用于检验和定位的特征直线母线，该特征直线母线与掌子面截圆的交点为特征掏心孔开孔点位或特征扩孔双曲孔开孔点位，特征直线母线与公共截圆或专用参照指示截圆的交点为特征参照点，放样并对所述特征掏心孔和特征参照点进行截圆玄长、1/4周角以及半周角几何条件检核；对掌子面的特征掏心孔或特征扩孔双曲孔所在截圆圆周和特征参照点所在截圆圆周进行等分，对应的等分点两点一线进行指向钻孔得到复数双曲直线母线掏心孔与直线母线扩径孔。
根据上述方法，单叶双曲面由内至外包含4个同轴的双曲面即辅助掏心单叶双曲面、主掏心单叶双曲面、第一次扩孔单叶双曲面、第二次扩孔单叶双曲面；主掏心单叶双曲面公式内的ɑ主掏心/c主掏心最大，且第一次扩孔单叶双曲面与第二次扩孔单叶双曲面公式内的ɑ1扩/c1扩>ɑ2扩/c2扩；且主掏心单叶双曲面、第一次扩孔单叶双曲面、第二次扩孔单叶双曲面在岩塞内口方向延长交于隧道壁所在截面获得公共参照指示截圆，最内部的辅助掏心双曲面在岩塞内口方向延长交于隧道壁所在截面获得辅助参照指示截圆，且辅助参照指示截圆的位置相对公共参照指示截圆的位置更远离岩塞，即ɑ主掏心/c1主掏心>ɑ辅掏心/c辅掏心；确定辅助掏心单叶双曲面及主掏心单叶双曲面的直线母线掏心孔，及确定第一次扩孔单叶双曲面及第二次扩孔单叶双曲面的直线母线扩径孔。
根据上述方法，相邻双曲面的母线旋转方向相同或相反。
根据上述方法，双曲面母线掏心孔在双曲线腰部、孔最密集处的间距为12～30cm，最内侧的辅助掏心双曲面的腰部半径至少为0.3米。
根据上述方法，最内侧的辅助掏心双曲面的直线母线掏心孔数量为6～12眼，主掏心单叶双曲面的直线母线掏心孔数量为12～24眼，第一次、第二次扩孔双曲面13、14的直线母线扩孔的数量为12～32眼。
根据上述方法，厚度在6米或6米以下的中小岩塞，采用双曲岩塞掏心+双曲扩孔+排孔扩孔成型的方式进行施工钻孔及爆破，岩塞由轴心向外依次布置双曲面直线母线掏心孔、扩径孔，再外侧布置排孔扩孔或锥台面排孔扩孔、最外层布置锥台面光面爆破孔或预裂孔。
根据上述方法，厚度在6米或6米以上的大岩塞，采用双曲小岩塞掏心+小岩塞双曲扩孔+大岩塞中导洞+大岩塞排孔扩孔的方式进行施工钻孔及爆破，大岩塞内口洞室进行施工时，先成型台阶渐变中导洞，中导洞由外向内每半米钻爆逐段缩径，纵剖以岩塞轴线为中线呈对称台阶型，在中导洞台阶外侧进行排孔扩孔或布置锥台面排孔扩孔、最外层则布置光面爆破孔或预裂孔或锥台体光面爆破孔或预裂孔，中导洞底内部为小岩塞，进行各双曲面直线母线掏心孔、扩径孔布孔。
根据上述方法，岩塞外口设置隔水闭气的保护层岩体，所述各钻孔深均到设计保护层岩体截止；对直线母线掏心孔和直线母线扩径孔等在隧道岩塞内口端封堵，形成岩塞内口端闭气封堵段岩体。
本发明采用单叶双曲面母线钻孔掏心岩塞爆破可获得的效果如下：
1、相比现有的楔形掏心、圆锥型掏心方式，双曲掏心方式不仅能实现双向掏心，并且能实现贯通。
2、有利于掏心孔最小间距的保证与控制，因为现有楔形掏心如对称延伸(从岩塞内口或小口)往岩塞外口或大口，最大孔密度处要求12孔竖向排列；而单叶双曲则是12孔圆周排列，密度与间距相差2倍以上，根据需要还可以多做孔。
3、圆形断面的掏心体利于紧后爆破面岩层最小保护厚度与最大爆破厚度的设计与实现。某案例(引松一标引水隧道)现用楔形体底最大直径是3.9米，而双曲体底最大直径是3.2米。
4、掏心爆破孔以及扩大孔爆破孔还可以按相邻单叶双曲面分别左旋右旋异曲面相向交叉母线布孔，保证钻孔穿过围岩各地质结构层，改善爆破(破碎与抛掷)效果。
5、单叶双曲本身呈圆截面有利于岩塞圆形断面的几何成型。
6、从爆破学角度看，由于双曲腰部钻孔密集，孔内线性均匀装药(可根据需要在腰部增量装药)，爆破刹那腰部为高温高压中心，爆破碎石向双曲两端抛掷；并且在双曲掏心采用不耦合装药亦可降低爆炸初压，减小过粉碎和增大抛掷功的比例，对掏心体取得较好的抛掷爆破和轮廓爆破两方面成效。
而隧道光面爆破是弱装药，根本不足以对光爆层进行有效的破碎，更不要说抛掷。不破坏孔壁而又要有一定的破碎效果，应该在炮孔底部一定长度内加强装药，这一段药包起爆后，将产生足够大的能量，使底部加强装药段范围内的岩体充分破碎，失去强度，并向自由面方向抛出。
7、传统炸药包抛掷爆破指爆破作用指数(漏斗口半径与最小抵抗线之比，n＝r/W)n＞l为抛掷爆破，而0.75＜n＜l为减弱抛掷爆破，n＜0.75则为松动爆破；楔形掏槽可以实现楔形体底半长与掏槽深之比达到1.8/4；双曲抛掷爆破因为类爆破漏斗掏心体已为钻孔形成较完整薄弱面并以克服抗张强度(小于抗剪)破坏抛掷能实现外口半径与掏心长度之比达到1.6/4，而双向掏心计则达1.6/8。
附图说明
图1为本发明包含4个单叶双曲面的实施例的钻孔结构侧剖示意图。
图2为主辅掏心双曲面钻孔母线的结构示意图。
图3为扩孔双曲面钻孔母线的结构示意图。
图4为岩塞内口掌子面的截圆双曲孔与排孔布置示意图。
具体实施方式
本发明保护一种采用以单叶双曲面母线钻孔为基础进行掏心贯通与扩孔的岩塞爆破方法。步骤如下：
(1)根据已知取水岩塞内口地质或其紧下游隧道钻爆施工参数进行掏心体等体积更小表面积更优掏心角换算等计算，确定用于主掏心贯通单叶双曲面等爆破单叶双曲面方程参数，同时获得相应的左旋或右旋母线方程组；所述单叶双曲面包含同轴的至少1个内部掏心单叶双曲面和至少1个外部扩孔单叶双曲面，掏心单叶双曲面公式内的ɑ掏心小于扩孔单叶双曲面公式内的ɑ扩孔，一般情况下，ɑ掏心/c掏心>ɑ扩孔/c扩孔；掏心单叶双曲面和扩孔单叶双曲面在岩塞内口方向延长在隧道壁上相交，其所在横截面形成公共参照指示截圆，或分别与隧道相交，于该横截面形成各自的专用参照指示截圆，用于钻孔参照激光指向。
进一步来讲，根据已知隧道及其生产验证了的钻爆施工数据计算岩塞掏心贯通长度，对厚度在6米及以下的较小岩塞可采用双曲岩塞掏心+双曲扩孔+排孔扩孔爆破的方式爆破(选择比手风钻方向性更好深度更大的钻孔技术措施则不限于6米)，或者对厚度在6米或6米以上的较大岩塞，可采用双曲小岩塞掏心+小岩塞双曲扩孔+大岩塞中导洞+大岩塞排孔扩孔的方式进行施工钻孔及爆破。以图1所示的实施例，以双曲小岩塞轴的中点为坐标系原点，以岩塞中心向岩塞内口方向轴线为Z轴，以铅锤向上为X轴，以及以垂直纸面向外为Y轴，建立笛卡尔右手坐标系(简称双曲岩塞坐标系)。
根据岩塞爆破对主掏心双曲体辅助掏心以及扩孔的需要得到4个同轴的双曲面，如图1所示，由内而外依次是辅助掏心双曲面11、主掏心双曲面12、第一次扩孔双曲面13、第二次扩孔双曲面14。最内侧的辅助掏心双曲面11的腰部最小半径为0.3米，这样可保证双曲面掏心孔在孔最密集、最细腰部，打15cm、12cm间距孔，由于激光精确指向，相邻孔不会打交叉穿通。双曲面母线掏心孔在双曲线腰部孔最密集处的间距可为12-30cm。
用如下参数方程先行计算机绘图计算。已知单叶双曲线的方程是：
其中：ɑ＝b，且ɑ、c为正数。同时可确定掏心双曲面和扩孔双曲面在z＝0处(即双曲面的腰部中心)平面所截圆半径(即双曲面方程ɑ值)。
结合图1及上述公式，由内至外的4个同轴双曲面的参数ɑ逐渐增大，如图1所示。
当式中ɑ较小、ɑ/c较大时，适用于主掏心单叶双曲面，即适用于岩塞掏心贯通，如图2所示的双曲面，2个对称漏斗体完整闭合弱结构面仅需母线孔爆破张裂即成，而岩体抗张比抗剪强度还要小得多，因而利于掏心体分离围岩母体双向抛掷(抛射)爆破掏心贯通。
当式中ɑ较大、ɑ/c较小时，适用于如图3所示的扩孔单叶双曲面，即可适用于岩塞双曲掏心贯通后的紧后的扩孔爆破，以同时保证管状岩层的厚度变化控制在一定的幅度内(如30～40％，远远小于动抗张剪与动抗压强度差)，以适应均匀装药要求。
由此可知，掏心双曲面和扩孔双曲面区别和优势分别在于，掏心双曲腰部愈细，ɑ/c愈大，就愈具向两端口掏心的效果；而扩孔要求双曲腰依次递增而ɑ/c则递减使掏心形成的爆破厚度差较均匀分配到3次紧后爆破的3层环形管状岩体。
利用上述计算的双曲面方程，可获得如图1所示的主掏心双曲面12和扩孔双曲面13、14在岩塞内口的方向延长相交在隧道壁上的截圆，此处所在的横截面正好为3个双曲面的公共参照指示截圆21。最内部的辅助掏心双曲面11在岩塞内口的方向延长亦交在隧道壁上，获得如图1所示另一个隧道壁截面，即辅助参照指示截圆22。与上述不同的是，该辅助掏心双曲面11的ɑ/c比值应小于主掏心双曲面12的ɑ/c比值，甚至小于第一次、第二次扩孔双曲面13、14的比值，因此使得辅助参照指示截圆22的位置相对公共参照指示截圆21的位置更远离岩塞，目的是增加两掏心双曲面间岩体厚度，对掏心体均匀爆破。
上述4个双曲面均由左旋或右旋的直线母线族实现，其中左旋母线表示的相应参数方程是：
或右旋母线表示的相应参数方程是：
其中，0°≤θ<360°。所述式2和式3的2个母线参数方程，已获得样例验证，为本专利的保护内容；本领域技术人员可按照样例根据各项目岩塞地质隧道施工参数计算得到式1～式3的参数。
上述无论是掏心、还是扩孔单叶双曲面，每个双曲面仅采用一个方向的母线组，如图2及图3所示，即要么左旋双曲面母线，要么或右旋双曲面母线孔，而且相邻双曲面孔旋转方向相反会使爆破孔穿过更多的地质体，具有均匀爆破、更佳的掏心与扩孔爆破效果。
(2)根据双曲面方程和母线参数方程，确定母线与双曲岩塞内口掌子面截圆的交点，即双曲掏心孔与扩径孔开孔点位，同时确定母线与公共参照指示截圆或专用参照指示截圆的交点，即钻孔指向参照点。
具体来说，利用上述双曲线方程(式1)，令x＝±ɑ，可求取相应的4个y值，获得2对相交的左旋、右旋特征直线母线，再令y＝±ɑ，可求取相应的4个x值，获得另2对相交的左旋、右旋特征直线母线，由此可得出左旋/右旋特征直线母线在掌子面截圆开孔点位坐标，以及公共参照指示截圆或专用参照指示截圆或辅助参照指示截圆上的参照指示点位坐标。
选择母线旋转方向(左旋或者右旋)后，根据上述确定的4根用于检验和定位的特征直线母线与掌子面截圆的交点为特征掏心孔或特征扩径孔开孔点位；特征直线母线与公共参照指示截圆或专用参照指示截圆或辅助参照指示截圆的交点为特征参照点；对所述特征掏心孔开孔点位(或特征扩径孔开孔点位)和特征参照点进行截圆玄长、1/4周角以及半周角几何条件检核。
根据上述特征直线母线，有两种方式可以获得其他母线。
其一，解析函数计算法：根据上述母线参数方程式2(或式3)及对特征直线母线所需的旋转角度θ(如10°、15°或30°递增)确定该角度对应的直线母线，确定该直线母线在掌子面上的双曲掏心孔开孔点位、扩径孔开孔点位和公共参照指示截圆或专用参照指示截圆或辅助参照指示截圆上的钻孔指向参照点的点位坐标，按共母线两点一线进行激光指向钻孔得到精确的复数直线母线掏心孔与直线母线扩径孔，并保证钻孔在双曲腰部横向1cm的精度。
其二，截圆圆周等分法：对掌子面的特征掏心孔所在截圆圆周和特征参照点所在截圆圆周进行等分(如8～36等分)，对应的等分点两点一线进行激光指向钻孔得到复数直线母线掏心孔与直线母线扩径孔，并保证钻孔在双曲腰部横向1cm的精度。
在图1所示的辅助掏心双曲参照指向截圆22上所确定的辅助指向参照点愈远离岩塞内口，使辅助掏心孔在掏心体内布置愈均匀，掏心爆破愈均匀。
上述X＝±ɑ与Y＝±ɑ能确定4条特征直线母线，并以这四条(左旋或右旋的)特征直线母线为基准，而截圆精工制作安装并圆周mm刻度，对截圆圆周等分并达到(5mm)足够高精度，这样既便于各开孔点与各钻孔指向参照点的坐标计算、也便于全站仪放样与检核。
最内侧的辅助掏心双曲面11的直线母线掏心孔数量为6～12眼，主掏心单叶双曲面的直线母线掏心孔数量为12～24眼、第一次、第二次扩孔双曲面13、14的直线母线扩径孔位数量为12～32眼等。如图4所示的实施例，在掌子面23上，辅助双曲掏心孔231布置8眼，主双曲掏心孔232、第一次双曲扩孔233、第二扩孔双曲截圆234均布置16眼，第一层排孔扩孔235布置(>40mm孔径)12眼、第二层排孔扩孔236布置(>40mm孔径)24眼。当然，并不限定于图4上的孔位与孔数，根据实际情况进行计算做孔。上述主双曲掏心孔数量的增多，更利于掏心体脱离围岩母体掏心抛掷(抛射)爆破成型贯通；光面或预裂孔增多会使岩塞成型更光滑。
在公共参照指示截圆21及辅助参照指示截圆22(或专用参照指示截圆)安装精工制做H型钢完整圆形钢构，其里圈外沿mm刻度(如用mm刻度钢卷尺紧贴一圈闭合搭接截断0刻度端在外保护点焊于钢构上)，保证圆周等分(5mm)足够高精度。
根据上述计算结果进行小岩塞双曲激光指向钻孔，当然并不限定于此指向钻孔技术，其他现有的指向钻孔方式均可，钻孔深度到保护层岩体界面截止；对直线母线掏心孔和直线母线扩径孔在岩塞内口设置封堵段岩体。大岩塞进行排孔钻孔，可以采用多臂钻等以保证满足钻孔深度的要求。在下述实施例中包含台阶型的中导洞内侧进行锥台母线排孔扩孔31布置、最外层进行锥台面光面爆破孔32的布置。
如果追求取水口光滑流线型造型，锥台孔可以改布置特别双曲面孔，预裂或光面爆破双曲面腰在岩塞内口与隧道壁光滑连接，需要钻孔换杆以及对岩塞内口洞室壁超挖并在完成指向钻孔后回填喷混找型。
(3)装药。
在步骤2中的直线母线钻孔内，按火工设计装药，可装满或可间断装药，中间2个掏心双曲在钻孔中间(双曲腰部)的位置增量装药，并同时布管索，最后导爆连接。
岩塞外口保护层独立微型炸药室与扩大孔及其以外各孔底可增量装药，但与双曲掏心母线钻孔装药间严格封堵、互相独立。爆破用于覆盖抛掷，其爆破破坏半径与抛掷漏斗包络不得大于或逾越同(雷管)段爆破设计范围，不影响后续段的爆破并保证双曲两方向掏心贯通抛掷爆破。因而各爆破面在岩塞外口的间距原则上应不小于岩质覆盖厚度，该厚度取值介于0.50～1.00米之间某值。鉴于主单叶掏心爆破面与扩大孔爆破面在岩塞外口相距较小，在扩大孔爆破面钻孔底增量装药而不在主掏心双曲孔底增量装药。外口泥土覆盖如过厚则机械清理或提前(在岩塞作业前)单独水下抛掷爆破。
(4)爆破
岩塞爆破时小岩塞辅助双曲掏心孔、主掏心孔爆破首先贯通，再双曲扩孔爆破，再对大岩塞从内到外顺序排孔爆破，最后周边孔光面爆破成型。而具体的时间间隔是本领域技术人员可根据查阅爆破手册与计算推理得知的并可经试验确定，可参考有关案例特别是岩塞爆破前隧道钻爆施工的数据，因为水阻的原因，轴向掏心行程大于侧崩扩孔行程，水下岩塞掏心与第一次双曲扩孔时差宜略大于隧道掏心与其紧后爆破间的滞迟时间差。
另外，对厚度大于6米的大岩塞爆破，在步骤(1)之前，先行施工中导洞。即先在大岩塞内口洞室施工台阶渐变中导洞，如图1中所示，中导孔(洞)由外向内每半米钻爆逐段缩径，纵剖面以轴线对称呈对称台阶型，以方便小岩塞双曲钻孔与指向作业。其方式为本领域技术人员可参照现有的方式实现，不再做具体阐述。
在岩塞内口底设有封堵段岩体，其起到密闭高压气体实现破坏即高压气体抛掷的作用，设置方式为本领域技术人员根据岩体的抗剪强度设计，隧道施工的封堵厚度可为直接参考并因增量装药适当加厚。
本发明采用对岩塞进行双曲面母线钻孔的方式，可产生很好的掏心效果，即掏心体被完全爆破碎化并被爆破高压气体抛射出或抛射向口外(爆破段完全贯通)，为紧后(雷管段)扩大层环形管状岩体爆破以及后续层段环形管状岩体爆破直至保护孔爆破面与光面成型爆破创造足够凌空(凌水)空间与凌空时间条件，保证后续爆破(含部分挤压爆破)的效果。而掏心体构造节理面在掏心做眼与装药分布上是要予以考虑并可以利用的，借助结构节理面减少掏心阻力；装药时可以区分对待，掏心体结构面缝里的孔少装药以至于不钻孔不装药，穿完整地质结构体的眼多装药。钻孔装药外口0.50米以上封堵要严实牢固以保证双曲全孔爆破向两端口抛掷的掏心效果。
以下为一具体纯双曲岩塞实施例的实际参数。
表1：掏心双曲与扩孔双曲参数计算表(单位：m)
主掏心双曲面12在z＝0处(双曲面的腰部中心)平面所截圆半径0.6m；z＝4m处(掌子面)平面所截圆半径1.6m；z＝6m(工作平台中间后视点)平面所截圆半径2.33m；z＝9.846m平面所截圆半径3.70m，即隧道主洞半径，也是公共参照指示截圆半径，主掏心双曲面、2层扩孔双曲面可公共此圆来进行钻孔激光指向。
辅助掏心单叶双曲面参数：最细腰部半径0.3m，最大口半径0.7米，可以布6孔。如硬岩隧道钻爆双楔形掏槽一样助力掏心，掏心因为增量装药，孔距可以突破小于最小抵抗线原则。z＝14.768m，辅助参照指示截圆半径3.70m(即与隧道主洞半径相同)。以上皆为双曲钻孔定位与指向重要数据。在公共参照指示截圆及专用参照指示截圆处安装精工制安H型钢完整圆形钢构，其3.7m半径里圈外沿用mm刻度50米钢卷尺紧贴一圈闭合搭接截断0刻度端在外保护点焊于钢构上，用于截圆精确等分。
第一次扩大孔爆破面用单叶双曲面布孔，参见表1，最细腰部半径1.3m，32孔，腰部孔距(实际孔间弧段长)27.65cm，岩塞内底z＝3.5m最大口半径1.830m，3.5m封堵处孔距38.92cm；第一次扩大孔爆破面如图3(双曲腰较粗)，这样双曲腰部最大爆破厚度0.70m，而两端(掏心爆破时)最小保护厚度0.40m，爆破厚度差40％。
第二次双曲扩孔为32孔，中间腰部孔距41.23cm，3.5m封堵处孔距46.39cm；爆破厚度差30％。不同管段的双曲面设计在腰部中间进行最大爆破厚度的控制设计；而在双曲面两端口则进行最小保护厚度的设计控制；并遵守孔距小于最小抵抗线原则。尽管同一钻孔封堵后实际最小抵抗线有约30～40％的变化，但岩石的动抗张剪与动抗压强度相差悬殊(以至于不一数量级)，理论上可以均匀装药，简化作业；但对于最小抵抗线变化较大的情况则可根据爆破厚度精确线密度变化装药。
以下列举应用本发明的岩塞掏心贯通扩孔的具体实践实施例。
实施例1：
根据现有的长甸项目研究采用带中导洞的全排孔深孔大型岩塞爆破方案，通过引水洞内全断面岩塞生产性爆破试验，先行施工中导洞，岩塞爆破时小岩塞平行密集排孔(3米深)爆破首先贯通，大岩塞从内到外顺序爆破，最后周边孔光面爆破成型的施工爆破的方案并取得成功。
吉林引松可以把双曲的技术嫁接到长甸技术方案上，如图1所示，中导洞做由外到里每半米钻爆逐段缩径纵剖成对称台阶型调整，以方便小岩塞双曲钻孔作业，因为据引松通风竖井成型爆破，对竖井倒台阶布置设计，中间做小导井为自由面进行分层侧崩并对竖井依然倒台阶顶成型爆破是安全的成功的。用双曲的技术对更大一些的小岩塞贯通爆破，其中手风钻可钻5～6米深孔，小岩塞可约4～5米长。这样可以降低先导孔(中导孔)作业难度，提高生产效率；更重要的是因为钻爆施工预留小岩塞厚了1～2米，双曲爆破确有掏心的机制，为后续管段爆破创造了凌空条件，能更好的保证岩塞爆破顺利贯通扩孔与精确完美成型，保证生产安全。
吉林引松一标应该在1#支洞主洞内(上游下游皆可)进行全断面岩塞生产性爆破试验：先行中导洞短进尺弱爆破钻爆施工；再人工手风钻(定位与寻向指向精度高于多臂钻等，多臂钻操作手远离掌子面8米之外，在未采取有效措施情况下难以准确定位钻孔并准确指向)小岩塞双曲钻孔，大岩塞排孔钻孔(可以采用多臂钻等以保证满足钻孔深度的要求)；按火工设计装药，布管索，导爆连接；岩塞爆破时小岩塞双曲辅掏心孔、主掏心孔爆破首先贯通，再双曲扩孔爆破，再对大岩塞从内到外顺序排孔爆破，最后周边孔光面爆破成型。选择借鉴响洪甸、长甸等项目诸多成功的适用的措施保障：如采用岩塞爆破球壳形混凝土堵头，壳体厚度仅1.5m，既易于拆除，又大大节省了工程量；采用孔外预装药工艺，使用PVC管防水保护，在孔外预装药封口，加快双曲孔装药速度，确保操作安全、装药质量和引爆的可靠性；研究采用激光入孔测算验孔等保障措施；对岩塞爆破洞内外各要害关键措施部位视频集成监控辅助决策指挥等。双曲指向H型钢的圆钢构作为永久支护加强结构在完成指向任务后对钢构槽喷混凝土与洞壁齐平，并使钢构获得混凝土保护。该主洞内1:1比例试验岩塞爆破方案获得成功，就完全可以用于引松主岩塞爆破，并完全可以推广应用于其他项目岩塞爆破。该实施例隧道的形式、施工的形式，都是本领域技术人员知晓的，根据图1可以推导出来。
鉴于同样的地质岩性情况，6米厚小岩塞主掏心单叶双曲面方程(按3/4的比例对8米厚纯双曲岩塞爆破主掏心双曲缩小)为：
小岩塞厚6m；双曲8米直径指示截圆的轴向坐标z＝10.903m；岩塞外口到双曲8米直径指示截圆距离为13.903m；渐变中导洞可7m长。如此完全可以实现对12～13米厚(长)岩塞的贯通爆破、扩孔爆破以及光面成型爆破。
实施例2：
根据隧道钻爆施工计算的引松案例8米厚纯双曲岩塞爆破主掏心双曲面方程为：
另外，提供以下采用本发明的岩塞双曲掏心贯通方法的相关技术要求。
1、确保岩塞掏心贯通
为保证岩塞单叶双曲掏心贯通，让主双曲掏心体严格对称布置封堵，保证双曲2个方向对称掏心贯通。岩塞掏心应在迎水端根据水头与自重增量装药，可按照水下爆破装药增量比例20％～30％，岩塞内口封堵长也应相应的大于外口岩质保护厚度；更准确的表述是应使得内口堵塞段岩层体抗张剪强度等于外口保护层抗张剪强度加上水头压强以及2端保护堵塞岩体重量产生的轴向压强，保证双曲体2端在几乎同样最小爆破冲击高压条件下同时被冲击破坏。而双曲掏心实际增量60％～300％装药爆破冲击远远大于这样的抗冲击能力(要求扩孔1次岩体足够厚，参图1)，并把外口掏心石块抛射出爆破后过流水流场，而掏心腰部足够细抑制过流，并各段衔接良好，爆破持续高压期间无有过岩塞水流，这样可保证水下岩塞双曲2方向对称掏心贯通抛射爆破及其后续各扩孔成型爆破；从这方面来说，对岩塞外口进行八字洞口成型光面爆破对保证双曲掏心爆破是具有价值的，即能较好的实现岩塞均质双曲钻孔对称封堵，保证内外口封堵岩层体在最小(较小)双曲装药的情况下同时抛掷爆破。所以尽管岩塞外口大内口小，但双曲掏心体要求严格对称，保证掏心双曲体内外口等径。岩塞边孔成型亦可采用预裂爆破(特别是在小地应力与无地应力情况下)，让边孔面充分张裂并反射隔离爆振波，但为保证如上双曲掏心贯通，边孔预裂爆破毫秒雷管段位时点应安排在掏心爆破紧后(且装药量严格控制)。外口中心保护层界面独立微型炸药室抛掷爆破时点则置于双曲掏心爆破紧前。
2、在辅助掏心双曲以里的轴线上再钻102mm孔，在腰部中心相对集中增量装药并2头封堵孔各0.50～1.00米，助力双曲向2端口掏心抛射爆破，具改善爆破破碎与增加抛掷功的效果；并且可以在孔底装药封堵形成微型炸药室，对双曲掏心外口覆盖抛掷爆破需要使用多臂钻、电脑钻孔台车或潜孔钻来钻孔作业。
3、双曲掏心需要在最初雷管段爆破形成足够的临空空间，所以在岩塞内口隧道灌水、封堵注气并不适用，特别是在水平轴线的岩塞爆破情况下；为保护闸门井可以在取水斜隧道设置消能缓释爆破冲击气体的物理拦挡，如方便拆卸取出洞顶悬挂高分子材料充水囊柱排阵，借助粗钢筋框架绕隧道轴径向分层由外到里盘旋再由里到外轴向下一层盘旋的重复缠绕高分子材料管先充气后完全充水的封堵段；为保护集渣坑底板可以垫渣。
4、钻爆数据可视化等技术支持
借助现成既有的空间数据软件，把岩塞口(厘米精度)水下地形数据、水下地形泥土质覆盖层数据、土石分界面(亦厘米精度)数据输入该获得检验的成熟的现场熟练使用的可靠空间数据软件数据库；在钻孔作业中，实时输入钻孔数据，实现岩塞地学数据与钻孔数据的可视化，辅助指导钻孔作业。并对如上地上数据与地下控制数据、钻孔空间数据进行钻孔作业时的再检核；岩塞施工地表与地下测量控制通过2竖井(岩塞作业前已建成，具备条件)直接联测，可采用2井间距20米重铅锤阻尼投点技术建立平面坐标的直接联测与方向传递以及高程联测，建立独立的高精度的岩塞坐标系；并采用高精度陀螺仪的井上下方向直接定向联测，对地上与地下数据做全面检核修正再生成，保证钻孔底空间数据相对地表岩土分界面数据的厘米水平精度；保证钻孔底准确到达岩塞一致的均匀的(0.50～1.00米间的某值)岩质保护层厚界面；以保证岩塞爆破外口保护岩层与内口封堵孔段岩层体对等的端口抗剪爆破抛掷效果，并保证生产安全。
对岩塞爆破洞内外各要害关键措施部位视频集成监控辅助决策指挥等。

Claims (10)

1.一种单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)根据已知隧道钻爆施工参数确定用于岩塞爆破单叶双曲面方程的参数，方程如式1
同时获得相应的左旋或右旋母线方程组及其参数，如式2的左旋母线参数方程组
或如式3的右旋母线参数方程组
其中，ɑ＝b且ɑ、c为正数；
所述单叶双曲面包含同轴的至少1个内部掏心单叶双曲面和至少1个外部扩孔单叶双曲面，掏心单叶双曲面公式内的ɑ掏心小于扩孔单叶双曲面公式内的ɑ扩孔，且ɑ掏心/c掏心>ɑ扩孔/c扩孔；
掏心单叶双曲面和扩孔单叶双曲面岩塞内口方向延长在隧道壁上相交，相交点所在截面获公共参照指示截圆，或掏心单叶双曲面、扩孔单叶双曲面分别与隧道相交，各自的相交点所在截面获各自专用参照指示截圆，所述截圆用于钻孔参照指向；
(2)根据双曲面方程和母线参数方程，确定母线与双曲岩塞内口掌子面开孔截圆的交点，即双曲掏心孔与扩孔双曲孔开孔点位，同时确定母线与公共参照指示截圆或专用参照指示截圆的交点，即钻孔指向参照点；
(3)重复(2)确定每个双曲面上的复数个双曲掏心孔、扩孔双曲孔开孔点位、及钻孔指向参照点；共直线母线的双曲掏心孔开孔点位与钻孔指向参照点，两点一线定位指向钻孔得到直线母线掏心孔；共直线母线的扩孔双曲孔开孔点位和钻孔指向参照点，两点一线定位指向钻孔得到直线母线扩径孔；
(4)向所述直线母线掏心孔及直线母线扩径孔内装药、封堵；
(5)由内部掏心单叶双曲面的直线母线掏心孔向外部直线母线扩径孔的顺序进行岩塞掏心与扩孔爆破。
2.如权利要求1所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，步骤(2)中，根据双曲面方程并选择每个双曲面直线母线旋转方向，计算确定双曲面上2-4根用于检验和定位的特征直线母线，该特征直线母线与岩塞内口掌子面截圆的交点为特征掏心孔开孔点位或特征扩孔双曲孔开孔点位，特征直线母线与公共参照指示截圆或专用参照指示截圆的交点为特征参照点，放样并对所述特征掏心孔开孔点位和特征参照点进行截圆玄长、1/4周角以及半周角几何条件检核；
根据上述已选择的母线参数方程及各钻孔直线母线以特征直线母线为基础的旋转角度(θ)计算确定该角度对应的直线母线，确定该直线母线在掌子面上的双曲掏心孔或扩孔双曲孔开孔点位，确定公共参照指示截圆或专用参照指示截圆上的钻孔指向参照点位，按共母线两点一线进行指向钻孔得到复数直线母线掏心孔与直线母线扩径孔。
3.如权利要求1所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，步骤(2)中，根据双曲面方程并选择每个双曲面的母线旋转方向，确定双曲面上2-4根用于检验和定位的特征直线母线，该特征直线母线与掌子面截圆的交点为特征掏心孔开孔点位或特征扩孔双曲孔开孔点位，特征直线母线与公共截圆或专用参照指示截圆的交点为特征参照点，放样并对所述特征掏心孔和特征参照点进行截圆玄长、1/4周角以及半周角几何条件检核；
对掌子面的特征掏心孔或特征扩孔双曲孔所在截圆圆周和特征参照点所在截圆圆周进行等分，对应的等分点两点一线进行指向钻孔得到复数双曲直线母线掏心孔与直线母线扩径孔。
4.如权利要求1所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，单叶双曲面由内至外包含4个同轴的双曲面即辅助掏心单叶双曲面(11)、主掏心单叶双曲面(12)、第一次扩孔单叶双曲面(13)、第二次扩孔单叶双曲面(14)；主掏心单叶双曲面(12)公式内的ɑ主掏心/c主掏心最大，且第一次扩孔单叶双曲面(13)与第二次扩孔单叶双曲面(14)公式内的ɑ1扩/c1扩>ɑ2扩/c2扩；且主掏心单叶双曲面(12)、第一次扩孔单叶双曲面(13)、第二次扩孔单叶双曲面(14)在岩塞内口方向延长交于隧道壁所在截面获得公共参照指示截圆(21)，最内部的辅助掏心双曲面(11)在岩塞内口方向延长交于隧道壁所在截面获得辅助参照指示截圆(22)，且辅助参照指示截圆(22)的位置相对公共参照指示截圆(21)的位置更远离岩塞，即ɑ主掏心/c1主掏心>ɑ辅掏心/c辅掏心；确定辅助掏心单叶双曲面(11)及主掏心单叶双曲面(12)的直线母线掏心孔，及确定第一次扩孔单叶双曲面(13)及第二次扩孔单叶双曲面(14)的直线母线扩径孔。
5.如权利要求1至4任一所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，相邻双曲面的母线旋转方向相同或相反。
6.如权利要求5所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，双曲面母线掏心孔在双曲线腰部、孔最密集处的间距为12～30cm，最内侧的辅助掏心双曲面(11)的腰部半径至少为0.3米。
7.如权利要求4所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，最内侧的辅助掏心双曲面(11)的直线母线掏心孔数量为6～12眼，主掏心单叶双曲面的直线母线掏心孔数量为12～24眼，第一次、第二次扩孔双曲面13、14的直线母线扩孔的数量为12～32眼。
8.如权利要求5所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，厚度在6米以下的中小岩塞，采用双曲岩塞掏心+双曲扩孔+排孔扩孔成型的方式进行施工钻孔及爆破，岩塞由轴心向外依次布置双曲面直线母线掏心孔、扩径孔，再外侧布置排孔扩孔或锥台面排孔扩孔、最外层布置锥台面光面爆破孔或预裂孔。
9.如权利要求5所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，厚度在6米以上的大岩塞，采用双曲小岩塞掏心+小岩塞双曲扩孔+大岩塞中导洞+大岩塞排孔扩孔的方式进行施工钻孔及爆破，大岩塞内口洞室进行施工时，先成型台阶渐变中导洞，中导洞由外向内每半米钻爆逐段缩径，纵剖以岩塞轴线为中线呈对称台阶型，在中导洞台阶外侧进行排孔扩孔(31)或布置锥台面排孔扩孔、最外层则布置光面爆破孔或预裂孔(32)或锥台体光面爆破孔或预裂孔，中导洞底内部为小岩塞，进行各双曲面直线母线掏心孔、扩径孔布孔。
10.如权利要求8或9所述的单叶双曲面掏心扩孔岩塞爆破方法，其特征在于，岩塞外口设置隔水闭气的保护层岩体，所述各钻孔深均到设计保护层岩体截止；对直线母线掏心孔和直线母线扩径孔等在隧道岩塞内口端封堵，形成岩塞内口端闭气封堵段岩体。
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