用於豎直孔爆破的衝擊塑形複合球狀消能結構的製作方法
2023-05-16 10:29:51
本發明涉及一種用於豎直孔爆破的衝擊塑形複合球狀消能結構，適用於水利水電、核電、交通等領域中的保護層巖體爆破開挖。
背景技術：
巖基面作為工程建築物的基礎，其開挖質量直接影響其上建築物的穩定與安全。巖體爆破開挖過程中，由於爆炸荷載的作用，在完成巖石爆破破碎的同時，不可避免地對保留巖體產生動力損傷，其施工質量對巖基面的開挖質量密切相關。因此，亟需對常規爆破進行改進，在保證質量的同時，高效率地完成對巖基的開挖。為了降低爆破作用對基巖的影響，在壩基與邊坡馬道的開挖成型過程中，中國普遍採用了預留保護層的方法。在長期的工程實踐中，一系列的保護層控制開挖方法得以總結和形成。常見的壩基保護層開挖方法有以下四種方法：傳統的保護層分層爆破開挖法、孔底充填柔性墊層的小梯段孔間微差順序起爆、水平預裂輔助以淺孔梯段爆破法以及保護層一次爆除的水平光面爆破法。保護層分層開挖由於開挖分層多達3層，施工幹擾大，施工進度慢且施工步驟繁瑣，「層層剝皮」的施工方法已越來越難以適應工程施工進度的要求；柔性墊層的施工方法的運用不適應裂隙發育、脆性較大的巖石，因此在很多工程中限制了其使用；水平預裂法施工方法較第一種工藝上先進，參數也容易確定，而且工效高，小梯段淺孔輔以水平預裂孔應用範圍較廣，對巖石地質條件要求較低，在大多數巖性條件下都可通過先起爆水平孔，再爆小梯段淺孔爆破的方式，利用水平預裂縫的隔震、反射應力波以及防止裂隙擴展的效果來有效地降低爆破對建基面的震動影響，並能有效阻止爆破產生和原有的裂隙擴張、層面的破壞作用延伸至建基面以及降低對預裂縫以下建基面保留巖體的損傷，同時可以大幅減輕建基面的清理工作，但水平預裂爆破孔的鑽設需要垂直工作面，導致在施工中前次爆破的清渣工作與鑽孔工作施工幹擾大，影響施工進度。保護層一次爆除的水平光面爆破法能有效保護建基面巖體以及保持建基面平整，但同預裂法相似，爆破的清渣工作與鑽孔工作施工幹擾大，影響施工進度。
近年提出了在豎直炮孔中，在孔底利用消能-聚能裝置反射改變應力波作用方向的方法，在試驗中取得了良好的爆破效果。然而現有的消能-聚能結構呈圓錐或斜圓臺形，受現有施工條件影響，鑽孔形成的孔壁並不是光滑的，當從孔口從上往下放置消能-聚能結構，難免會與孔壁碰撞摩擦，造成卡孔，施工效率極其低下。另外，安裝完成後，圓錐形結構絕大多數情況不水平，導致部分爆炸應力波會向下反射，反而對孔底加大了損傷。因此，在保證爆破開挖質量的同時，降低安裝要求，提高施工進度，設計一種新的消能結構進行改進，促進其推廣使用是有重要意義的。
技術實現要素：
針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種用於豎直孔爆破的衝擊塑形複合球狀消能結構，在豎直炮孔中該消能結構能夠實現在控制保護層一次開挖質量的同時提高安裝效率。
本發明採用的技術方案具體如下：
一種用於豎直孔爆破的衝擊塑形複合球狀消能結構，包括複合球狀消能座和位於複合球狀消能座下方的緩衝層，所述複合球狀消能座主要由軟質外球和包裹於軟質外球內的硬質內球構成，軟質外球和硬質內球的球心重合，呈現「外軟內硬」的雙層結構。
所述軟質外球的直徑為φ外＝φ炮孔-(4～6mm)，所述硬質內球的直徑為所述軟質外球採用素混凝土製作，所述硬質內球採用摻入鐵砂的高強度混凝土或鑄鐵製作。
所述摻入鐵砂的高強度混凝土包括水泥、水、鐵砂和高效減水劑，其中，水灰比為0.24～0.28，水泥和鐵砂的質量比為1:(1.6～3.0)，高效減水劑質量為水泥質量的1.0％～2.0％，具體配比與混凝土強度可根據實際情況選擇。
上述水泥選擇強度等級為42.5以上的矽酸鹽水泥或摻有混合材料的矽酸鹽水泥或其他水泥品種；
上述水泥優選強度等級為52.5的矽酸鹽水泥。
所述的緩衝層厚度10～20cm，緩衝層材料可為細砂、巖粉、松沙中的一種或多種的混合。
所述複合球狀消能座的中心線與爆破開挖基面平齊。
一種用於豎直孔爆破的衝擊塑形複合球狀消能結構，包括複合球狀消能座和位於複合球狀消能座下方的緩衝層，所述複合球狀消能座主要由硬質外球和包裹於硬質外球內的軟質內球構成，硬質外球和軟質內球的球心重合，呈現「外硬內軟」的雙層結構。
所述硬質外球的直徑為φ外＝φ炮孔-(4～6mm)，所述軟質內球的直徑為所述硬質外球採用摻入鐵砂的高強度混凝土製作，所述軟質內球為由氣體組成的球體。
所述摻入鐵砂的高強度混凝土包括水泥、水、鐵砂和高效減水劑，其中，水灰比為0.24～0.28，水泥和鐵砂的質量比為1:(1.6～3.0)，高效減水劑質量為水泥質量的1.0％～2.0％，具體配比與混凝土強度可根據實際情況選擇。
上述水泥選擇強度等級為42.5以上的矽酸鹽水泥或摻有混合材料的矽酸鹽水泥或其他水泥品種。
上述水泥優選強度等級為52.5的矽酸鹽水泥。
所述的緩衝層厚度10～20cm，緩衝層材料可為細砂、巖粉、松沙中的一種或多種的混合。
所述複合球狀消能座的中心線與爆破開挖基面平齊。
本發明消能結構的消能原理：
對於「外軟內硬」和「外硬內軟」結構，為使得複合球狀消能座能順利放入炮孔底部，複合球狀消能座與炮孔壁間留出(4～6)mm的間隙；考慮複合球狀消能座結構在起爆後的衝擊作用下不至於完全破碎，消能座從而失去反射應力波的作用，球座應具有一定結構強度，選擇具有更高強度的高波阻抗混凝土或鑄鐵。
起爆後，應力波首先在消能座與空氣界面發生透射與反射，對於反射部分應力波：
對於「外軟內硬」結構的複合球狀消能座，外部「軟」性結構採用工程現場易於獲得的素混凝土，內部「硬」性結構採用具有更高強度高波阻抗混凝土或鑄鐵。外部軟性結構在被爆炸應力波破壞和塑性變形的同時，吸收一部分能量，此時外部軟性結構呈橢球型，其上部外形曲率小於未變形的球形，改變了應力波反射的角度，相對減小應力波向孔底的反射，內部硬的球由於具有更高強度則能限制複合球狀消能座結構破壞程度，使該結構發揮反射應力波的作用，促進上方巖體破碎，消能原理如圖7。
對於「外硬內軟」結構的複合球狀消能座，爆炸應力波會將複合球狀消能座的上部結構破壞，由於複合球狀消能座中心為空，上部碎渣落入空的區域，使得複合球狀消能座的中部高度要低於兩側，形成漏鬥形結構，將應力波向上及斜上方反射，促進水平巖體的破碎，進一步加強了對孔底的保護，消能原理如圖8。
對透射入消能座的應力波：
應力波傳播到墊層與消能結構交界面處，由於高波阻抗材料的存在，使得墊層的波阻抗小於「外軟內硬」和「外硬內軟」消能結構的波阻抗，應力波在該界面上發生強反射，只有較少部分的應力波透射入以細砂、巖粉、松沙中的一種或多種的混合為材料的柔性墊層，墊層材料的大幅度變形和壓實將進一步消耗入射應力波的能量，最後被急劇削弱的應力波穿透柔性墊層，作用於底部巖體。最終波在消能結構內不斷發生反射與透射，爆炸引起的應力波在消能結構的變形與破碎，以及透射到墊層的應力波在墊層的壓實與破碎的過程中被消耗，有效地降低了作用於炮孔底部的能量，起到保護炮孔底部保留巖體的作用。
無論「外軟內硬」，還是「外硬內軟」結構，其目的都是將衝擊波引導向兩側水平巖體，避免衝擊波向孔底傳遞，從而實現孔底保護。
本發明由於採用以上技術方案，其具有以下優點：
1、相較於圓錐或斜圓臺-圓柱形要求豎直安放的不便，球形無正反豎直之分，外表更為圓滑，受孔壁粗糙地影響小，安裝時也無需夾持結構，待墊層鋪好之後，直接將結構從炮孔孔口扔入即可，球座依靠自重即可到達炮孔底部，極大地提高了安裝的便捷性，加快了施工進度。
2、相比於採用實心球型，本發明在爆炸應力波的作用下，球形消能座具有可二次塑性的特點，能發揮出更好的應力波發射效果。
3、球形結構相比於錐形，頂部無尖角，可以避免上部炸藥在自重和下方尖角的擠壓下產生自爆，提高了安全性。
4、發明成本低、易於操作；製作材料在工程中易於得到，用來製備消能座的模具只需炮孔直徑一個關鍵資料，易於製作。
附圖說明
圖1為帶「外軟內硬」消能結構的豎直炮孔布置圖；
圖2為帶「外硬內軟」消能結構的豎直炮孔布置圖；
圖3為採用「外軟內硬」消能結構的炮孔底部示意圖；
圖4為採用「外硬內軟」消能結構的炮孔底部示意圖；
圖5為採用「外軟內硬」消能結構的炮孔底部三維示意圖；
圖6為採用「外硬內軟」消能結構的炮孔底部三維示意圖；
圖7為豎直炮孔中「外軟內硬」消能結構的消能原理圖；
圖8為豎直炮孔中「外硬內軟」消能結構的消能原理圖。
附圖中：1-堵塞段，2-炸藥，3-複合球狀消能座，4-緩衝層，5-建基面，6-摻入鐵砂的高強度混凝土，7-空心球，8-素混凝土，9-炮孔壁。
具體實施方式
為了詳細說明本發明的結構特點及具體操作步驟，下面通過實例，並結合附圖，對本發明作進一步具體的說明。
實例1：
某水利水電工程的巖基爆破開挖工程，需要提高建基面的平整度。採用深孔臺階爆破，豎直炮孔，鑽孔直徑為φ炮孔＝90mm，巖基面水平，鑽孔深度10m，其中超深0.3m，堵塞長度2m，孔間距為2.0～2.5m，採用孔底起爆方式。
採用本發明的「外軟內硬」型孔底消能結構，具體實施步驟如下：
步驟1：預製消能結構，
根據設計炮孔直徑，預製消能結構，結構形狀如圖3、5所示，尺寸要求：
φ內＝70mm，φ外＝84mm。
根據施工現場擁有的水泥、水、鐵砂和高效減水劑的材料情況，製作高強度混凝土與普通素混凝土：現場試驗選擇波阻抗最大的混凝土配比(質量比)為水泥：水：鐵砂：高效減水劑＝1190：285.7：2916：11.9，水泥採用強度等級為42.5的矽酸鹽水泥，素混凝土採用42.5等級水泥。內球倒入高強度混凝土，外球倒入普通素混凝土，養護10d後，抗拉強度達到18mpa,抗壓強度達到85mpa，縱波波速達到4.4km/s以上，進行下一步。
步驟2：鑽豎直炮孔，控制孔底高程與鑽孔直徑，
首先對炮孔區域進行人工清理，並用高壓風管吹面。對炮孔進行逐孔放樣，點位用紅油漆做明顯標識。在爆區內嚴格按照爆破設計進行炮孔布孔，並對每個炮孔的孔口高程進行水準測量，根據實際孔口高程計算實際需要的造孔深度。
對布孔精度檢查合格後進行鑽孔作業，造孔結束後，測量鑽孔的實際深度，根據鑽孔深度和傾角來計算松砂或細小碎石的填放厚度，在炮孔底部填適當厚度的松砂或細小碎石粒，使所有炮孔底部處於同一高程。炮孔布置如圖1所示。
步驟3：消能結構的安放，
從孔口將消能結構放入炮孔，靠自重使其自由滑入炮孔底部。
步驟4：裝藥，堵塞及起爆，
消能結構安放好後，繼續向炮孔中裝直徑φ70mm藥卷，直到裝藥完成，然後用碎沙石堵塞炮孔口，堵塞深度2m。最後在確認整個起爆網絡安全以後，通過雷管引爆炮孔中的裝藥。
步驟5：爆破效果檢測，
在爆破完成之後，可採用相關結構檢驗壩基的起伏差，對單個炮孔可利用聲波檢測結構來測量炮孔底部的損傷深度。和未採用消能球座的爆破對比，採用本發明的消能球座的爆破孔底損傷減少10％～20％。
實例2：
某水利水電工程的巖基爆破開挖工程，需要提高建基面的平整度。採用深孔臺階爆破，豎直炮孔，鑽孔直徑為φ炮孔＝90mm，巖基面水平，鑽孔深度10m，其中超深0.3m，堵塞長度2m，，孔間距為2.0～2.5m，採用孔底起爆方式。
採用本發明的「外硬內軟」型孔底消能結構，具體實施步驟如下：
步驟1：預製消能結構，
根據設計炮孔直徑，預製消能結構，結構形狀如圖4、6所示，尺寸要求：
φ內＝15mm，φ外＝84mm。
根據施工現場擁有的水泥、水、鐵砂和高效減水劑的材料情況，製作高強度混凝土：現場試驗選擇波阻抗最大的混凝土配比(質量比)為水泥：水：鐵砂：高效減水劑＝1190：285.7：2916：11.9，水泥採用強度等級為42.5的矽酸鹽水泥，內球留出空心，外球倒入高強度混凝土，養護10d後，抗拉強度達到18mpa,抗壓強度達到85mpa，縱波波速達到4.4km/s以上,，進行下一步。
步驟2：鑽豎直炮孔，控制孔底高程與鑽孔直徑，
首先對炮孔區域進行人工清理，並用高壓風管吹面。對炮孔進行逐孔放樣，點位用紅油漆做明顯標識。在爆區內嚴格按照爆破設計進行炮孔布孔，並對每個炮孔的孔口高程進行水準測量，根據實際孔口高程計算實際需要的造孔深度。
對布孔精度檢查合格後進行鑽孔作業，造孔結束後，測量鑽孔的實際深度，根據鑽孔深度和傾角來計算松砂或細小碎石的填放厚度，在炮孔底部填適當厚度的松砂或細小碎石粒，使所有炮孔底部處於同一高程。炮孔布置如圖2所示。
步驟3：消能結構的安放，
從孔口將消能結構放入炮孔，靠自重使其自由滑入炮孔底部。
步驟4：裝藥，堵塞及起爆，
消能結構安放好後，繼續向炮孔中裝直徑φ70mm藥卷，直到裝藥完成，然後用碎沙石堵塞炮孔口，堵塞深度2m。最後在確認整個起爆網絡安全以後，通過雷管引爆炮孔中的裝藥。
步驟5：爆破效果檢測，
在爆破完成之後，可採用相關結構檢驗壩基的起伏差，對單個炮孔可利用聲波檢測結構來測量炮孔底部的損傷深度。和未採用消能球座的爆破對比，採用本發明的消能球座的爆破孔底損傷減少10％～20％。