基坑岩层定向静态爆破施工方法及其组合导向装置与流程

本发明属于建筑施工领域,具体涉及一种基坑岩层定向静态爆破施工方法及其组合导向装置。

背景技术：
目前，在工程建设工程中，对于地下岩石层开挖大多采用传统的炸药进行爆破施工；炸药在搬运、存储和使用的过程中，都可能对周边环境和人员造成潜在的安全危害。静态破碎剂具有遇水发生水化反映，体积膨胀的特性；将静态破碎剂与水或将无声破碎剂与水按一定的比例调制成均匀浆体，灌入需要破裂的岩石体孔眼中，随着水化反应的进行；无声破碎剂在一定时间内产生较大的膨胀压力施加于孔壁，当岩石体内部所受的拉力大于其抗拉强度时（岩石的抗拉强度一般为5.0MPa～10.0MPa），岩石体开始出现裂纹，在膨胀压力的继续作用下裂纹扩展直至岩石体破碎，具有无振动、无飞石、无毒气、无有害残留物的特点。对于位于城市中心人口密集地区和建设项目周边环境复杂的房屋建筑与土木工程的基坑岩石爆破施工；为确保施工中的安全采用静态破碎剂代替传统炸药进行施工是必然的选择。如矮寨观光电梯工程位于吉首至茶洞高速公路矮寨大桥茶洞左侧的山崖上，距矮寨大桥水平距离31.0m。该工程自动扶梯安装所需空间的基坑岩石层开挖施工工程量约2400m3，其爆破方法是否恰当直接影响着矮寨大桥、行人、车辆及建筑物的安全和爆破的效能。专利CN104776765A中公开了一种静态爆破聚能装置及其爆破方法。该装置及其爆破方法是采用两瓣带有劈裂角尖端的未连接的圆弧形钢模板，并使劈裂角的尖端与预裂线位于同一直线上的一种应用静态聚能装置进行爆破的方法。该装置与方法存在三个方面的不足：其一，该装置构造复杂，其装置设计外径与钻孔孔径一致，对爆破成孔的孔径和垂直度要求高，但爆破钻孔系人工辅助机械施工，施工过程中容易产生偏差，稍有偏差难以安装。其二，该装置安装时要求钢模板劈裂角的尖端与预裂线位于同一直线上；实际操作时要确保所有钻孔中的劈裂角尖端与预裂线一致比较费时。其三，实现爆破的临空面条件未明确，爆破实施的效果难以确定。

技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种安全可靠的基坑岩层定向静态爆破施工方法及其组合导向装置。本发明所依据的工艺原理如下：（1）无声破碎剂（HSCA）的主要成分是CaO，它与水拌合后生成Ca（OH）2，在自由状态下，Ca（OH）2体积膨胀为CaO的3倍左右，空隙率也随之增大，不会产生膨胀压，只是体积膨大而已；但是在膨胀空间受到限制的状态下，Ca（OH）2体积增大，互相挤压，空隙率变小，则产生膨胀压，这种固体膨胀成为破碎岩石的动力。（2）在岩石等破碎体钻孔中，灌入无声破碎剂与水按比例调制成均匀浆体后，随时间经过对孔壁产生膨胀压作用，被破碎体产生压缩变形。同时，在与压缩变形的垂直方向上发生张拉变形，当张拉变形量超过被破碎体固有的抗拉断裂的变形量时，便发生裂纹；在膨胀压力的继续作用下裂纹扩展直至岩石体破碎。（3）当岩石体孔眼中（即后文中的药孔）插入长条钢片时，由于钢片本身的强度较之岩石的强度高很多，无声破碎剂发生膨胀时钢片两边的膨胀压力同时作用因而不能破坏钢片，却对岩石起到相当于撕裂拉应力的作用；拉应力在钢片与岩石体接触处集中，应力集中处弱单元体在拉应力作用下首先开始破坏，相邻弱单元体的破坏贯通萌生微裂纹，微裂纹的进一步扩展就形成了主裂纹。由此，在钢片的导向作用下，主裂纹沿预想方向扩展，与常规静态爆破方法比药孔孔距增大1.3倍～1.5倍。（4）当工程中需要有规则地进行岩体破碎时，按所需破裂面和现场试验所得的参数布设药孔；并依据石材切割面的方向通过组合导向装置将钢片沿宽度方向连成直线；从而达到定向破裂岩体、形成开挖所需要的孔洞。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基坑岩层定向静态爆破施工方法，包括如下步骤：（1）施工准备根据市场购买的无声破碎剂的说明书进行施工前现场试验，以确定所需要爆破岩层的施工参数（包括：药孔孔径D、药孔孔距A、药孔排距R、药孔孔深L）；再根据确定的药孔的孔距、药孔孔径以及药孔孔深加工组合导向装置。（2）布设药孔孔眼首先，清理岩石表面以便于钻孔位置的测放；再根据破碎岩体的部位和破裂形状进行布孔，同一破裂面的药孔布设不少于2个；岩体静态爆破区域要求至少确保有一个临空面；当有两个以上互交的破裂面时，则需在互交破裂面的交线上设自由端孔；紧邻自由端孔的药孔的中心与所述自由端孔的中心之间的距离，或紧邻临空面的药孔的中心与临空面之间的距离均不大于A/2。（3）钻设药孔药孔中心位于破裂面上，药孔的孔底标高要求保持一致，药孔垂直度控制在1%以内；每次钻药孔的深度控制在1000mm～2000mm；药孔孔径控制在36mm～50mm，以使得药剂充分发挥效力且不易冲孔；在装药前应该保证药孔孔内和孔旁洁净，余水和余渣应用高压风吹洗干净。（4）配浆按每次需灌药孔的体积称取无声破碎剂和洁净水；无声破碎剂与水的重量之比为1：0.26～0.36；若气候温度高于10℃时，水的温度与气候温度一致，若气候温度低于10℃时，应在水和无声破碎剂混合前将水加热至20℃～30℃；用木棍或手提式搅拌机搅拌均匀，使水和无声破碎剂混合物成为流质糊状或胶泥状的浆液即可。（5）灌装浆液每次装填浆液前，检查药孔内外是否干净；对于从上往下钻的垂直药孔可直接将水与无声破碎剂的混合物注入药孔中，使混合物体填充密实，灌满为止；对于水平孔、斜孔、向上孔可将无声破碎剂与水在拌和后用灰浆泵压入，孔口留30mm～50mm用黄泥封堵，保证水和无声破碎剂的混合物不会流出。（6）安放组合导向装置待装药完成后，先在确定的破裂面岩石上放置组合导向装置的带有导向方孔的金属方管；然后将与导向方孔尺寸匹配的长条钢片通过导向方孔插入静态爆破药孔中。（7）爆破出碴、回收组合导向装置当药孔孔眼上表面裂纹宽度≥3mm时，即可进行清碴和外运；清碴过程中回收组合导向装置，循环使用。（8）降水维持若施工区域存在地下水的情况时，则须在布设药孔孔眼至爆破出碴、回收组合导向装置期间将地下水位降至操作面标高以下不少于500mm。进一步，所述步骤（1）中，无声破碎剂的型号选择根据被破碎岩石的物理力学性质、边界条件、施工季节和气温、施工工序时间、膨胀压等因素对应厂家提供的产品说明书进行综合确定。施工参数的具体确定应根据被破碎物的坚硬程度以及厂家提供的钻孔参数经验值进行现场试验确定。进一步，所述步骤（3）钻设药孔，具体如下：（3-1）若岩体静态爆破区域无临空面时，可选用全密封式金刚石工程水磨钻机进行临空面钻孔，通过连续的钻孔形成贯通型临空面。金刚石工程水磨钻机的钻头直径宜为100mm～120mm，功率≥4kw，金刚石工程水磨钻机的水磨钻定位支架应安装牢靠、便于钻机移位，为了便于取碴，每次钻孔深度可控制在500mm～600mm。（3-2）钻设药孔时可使用手持式风动凿岩机成孔，耗气量≥2.8m3/min；每次钻孔深度控制在500mm～3000mm。进一步，步骤（4）所述配浆，具体如下：（4-1）搅拌时，应将无声破碎剂倒入已经盛好洁净水的容器中，而不是将洁净水倒入无声破碎剂中；静态破碎剂倒入过程中应采用边搅拌边倒入的方法进行；搅拌速度控制在120r/min～420r/min，搅拌的时间控制在3min～5min；从无声破碎剂加入水中至水和无声破碎剂的混合物灌入钻孔结束的时间应控制在5min～10min，否则易冲孔。实施如前所述基坑岩层定向静态爆破施工方法的组合导向装置，包括长条钢片和金属方管，所述长条钢片的宽度为（D-2mm）～（D-5mm）、长度为（L＋40mm）～（L＋60mm）、厚度为2.0mm～3.4mm（优选3mm）。D表示药孔的孔径，L表示药孔的孔深。该段中，“-”表示“减号”，“＋”表示“加号”。所述金属方管的截面尺寸为20mm×20mm～30mm×30mm，金属方管的长度为400mm～4000mm、具体长度根据破裂面上需破裂岩体的长度确定，金属方管长度方向中心线上设有可穿过长条钢片的上下对称的导向方孔，同一水平面上相邻导向方孔之间的水平中心距离等于药孔孔距，导向方孔的长度比长条钢片的宽度大10mm～30mm（优选20mm），导向方孔的宽度比长条钢片的厚度大0.5mm～1.0mm。进一步，所述长条钢片可由扁钢制成，金属方管可为铝方管或钢方管。与现有技术相比，本发明之基坑岩层定向静态爆破施工方法及其组合导向装置的有益效果为：1、本发明方法的整体工艺流程包括现场试验、布设药孔孔眼、钻设药孔、配浆、灌装浆液、安放组合导向装置、爆破出碴及回收组合导向装置、降水维持，明确了无声破碎剂浆液与水倒入容器中的先后顺序、搅拌的速度以及搅拌与灌装时间，确保了无声破碎剂与水反应充分、施工过程中的安全。2、在静态爆破药孔中插入导向长条钢片，无声破碎剂与水的水化反应所产生的膨胀压力在钢片与岩石体接触处出现拉应力集中，导致岩体在长条钢片宽度方向产生贯通性主裂纹。该方法与常规静态爆破方法比药孔孔距增大了1.3～1.5倍，既达到了定向破裂岩体的效果，同时也提高了爆破效能。3、采用金属方管与长条钢片的组合导向装置，取材方便、构造与加工简单；且该组合导向装置在设计时已经考虑施工过程中容易产生偏差的情况以及导向控制允许的合理偏差，从而确保了实际操作时所有钻孔中的导向钢片宽度方向与破裂面的重合。4、明确了爆破所需的临空面条件及其施工方法，确保了爆破的效果。5、使用本发明，操作简便，实现了岩体破裂区域可进行选择性定向爆破的效果，且不损伤需要保留的岩体，有利于确保工程质量。使用本发明，还可结合垂直运输机械起重能力和石材二次利用的要求,进行石块规格尺寸的控制破裂。6、使用本发明进行岩石破裂时，无噪音、无振动、无飞石、无毒气、无冲击波、无有毒有害残留物，其组合导向装置可重复利用，具有安全、绿色、环保的特点；有利于避免传统炸药施工准备周期长以及运输、存储和使用过程中存在可能危及周边环境和人员的安全风险。本发明适用于房屋建筑与土木工程中的基岩保护性开挖、城市人口密集区或因周边环境复杂不宜采用传统炸药进行爆破的工程施工、石材开采的成型切割等。附图说明图1为本发明定向破裂原理图；图2为本发明基坑岩层定向静态爆破施工方法的流程图；图3为本发明施工参数示意图；图4为本发明组合导向装置装配示意图；图5为本发明中破碎岩体只有一个临空面时的药孔布孔平面示意图；图6为本发明中组合导向装置长条钢片就位平面示意图；图7为本发明中组合导向装置安装就位剖面示意图；图中：1——药孔；2——长条钢片；3——金属方管；4——互交破裂面自由端孔；5——导向方孔；6——破裂面；7——临空面；8——岩体；L——药孔孔深；D——药孔孔径；A——药孔孔距；R——药孔排距；H——爆破深度。具体实施方式以矮寨观光电梯工程的自动扶梯安装所需空间的基坑岩石层开挖施工为例以及结合附图对本发明作进一步说明。参照图1，本发明所依据的工艺原理如下：（1）无声破碎剂（HSCA）的主要成分是CaO，它与水拌合后生成Ca（OH）2，在自由状态下，Ca（OH）2体积膨胀为CaO的3倍左右，空隙率也随之增大，不会产生膨胀压，只是体积膨大而已；但是在膨胀空间受到限制的状态下，Ca（OH）2体积增大，互相挤压，空隙率变小，则产生膨胀压，这种固体膨胀成为破碎岩石的动力。（2）在岩石等破碎体钻孔中，灌入无声破碎剂与水按比例调制成均匀浆体后，随时间经过对孔壁产生膨胀压作用，被破碎体产生压缩变形。同时，在与压缩变形的垂直方向上发生张拉变形，当张拉变形量超过被破碎体固有的抗拉断裂的变形量时，便发生裂纹；在膨胀压力的继续作用下裂纹扩展直至岩石体破碎。（3）当岩石体孔眼中（即后文中的药孔1）插入长条钢片2时，由于钢片2本身的强度较之岩石的强度高很多，无声破碎剂发生膨胀时钢片2两边的膨胀压力同时作用因而不能破坏钢片，却对岩石起到相当于撕裂拉应力的作用；拉应力在钢片2与岩石体接触处集中，应力集中处弱单元体在拉应力作用下首先开始破坏，相邻弱单元体的破坏贯通萌生微裂纹，微裂纹的进一步扩展就形成了主裂纹。由此，在钢片2的导向作用下，主裂纹沿预想方向扩展，与常规静态爆破方法比药孔孔距增大1.3倍～1.5倍。（4）当工程中需要有规则地进行岩体破碎时，按所需破裂面和现场试验所得的参数布设药孔1；并依据石材切割面的方向通过组合导向装置将钢片2沿宽度方向连成直线，从而达到定向破裂岩体、形成开挖所需要的孔洞。参照图2，基坑岩层定向静态爆破施工方法，包括如下步骤：（1）施工准备（1-1）选择无声破碎剂：无声破碎剂的选择根据工程项目所在地的地质岩层为寒武系灰岩、一面临空、施工期间气温在18℃～25℃之间、可安排在每工作班下班前完成无声破碎剂灌装灌装等因素确定选用Ⅱ型无声破碎剂。（1-2）施工参数的确定：根据被破碎物的坚硬程度以及厂家提供的钻孔参数经验值（如表1给出了某厂家的静态爆破钻孔参数经验取值表）并经现场试验验证进行最后确定如下：药孔孔径D=40mm，药孔孔距A=300mm，药孔排距R=500mm，药孔孔深L=1000mm（参见图3）。表1某厂家静态爆破钻孔参数经验取值表注：孔深一列中，H代表爆破深度。（1-3）在施工前结合工程实际情况编制施工方案。（2）布设药孔孔眼首先，清理岩石表面以便于钻孔眼位置的测放；再根据破碎岩体的部位和破裂形状进行布孔，同一破裂面的药孔布设不少于2个。岩体静态爆破区域要求至少确保有一个临空面；当有两个以上互交的破裂面时，则需在互交破裂面的交线上设自由端孔；紧邻互交破裂面6交线上自由端孔4的药孔1的中心与所述自由端孔4的中心之间的距离，或紧邻临空面7的药孔1的中心与临空面7之间的距离均不大于A/2。本实施例中，该工程基坑岩层定向静态爆破药孔布孔方式具体可参见图5、图6。图5示出了破碎岩体只有一个临空面时的药孔布孔图，图6示出了组合导向装置长条钢片就位示意图。（3）钻设药孔（3-1）临空面的形成根据现场情况该岩层爆破区域已存在一个临空面7，只需按设定的破裂面6进行钻孔。（3-2）药孔的成孔在岩石的破裂面6钻设药孔1，药孔1的孔底标高误差控制在±10mm内；药孔孔径为40mm，以使得药剂充分发挥效力且不易冲孔；使用Y26型手持式风动凿岩机成孔（耗气量为2.8m3/min）；在岩体8表面破裂线上按设定的药孔孔距进行定位并使药孔中心位于破裂面6上，当有两个以上互交的破裂面6时，则需在互交破裂面的交线上设自由端孔4；药孔1垂直度控制在1%以内，每次钻药孔1的深度控制在1000mm。（3-3）钻孔清理在装药前应该保证药孔1旁洁净，余水和余渣用高压风吹洗干净。（4）配浆（4-1）按每次需灌药孔1的体积称取无声破碎剂的重量，该工程无声破碎剂与水的重量之比为1：0.34。（4-2）先将洁净的自来水按比例装在容器中，然后将无声破碎剂倒入已经盛好的水的容器中，而不是将水倒入无声破碎剂中；静态破碎剂倒入过程中应采用边搅拌边倒入的方法进行；加搅拌速度控制在300r/min，搅拌的时间为3min；搅拌时采用用手提式搅拌机搅拌，待搅拌均匀使之成为流质糊状后，迅速倒入药孔1内；从无声破碎剂加入水中至无声破碎剂与水的混合物灌满药孔1的时间控制在10分钟以内，以避免冲孔。（5）灌装浆液（5-1）每次灌装浆液前，将药孔1内的余水和余渣用高压风吹洗干净，同时也确保孔口旁应干净无土石渣。（5-2）将水与无声破碎剂的混合物注入药孔1中，使混合物体填充密实，灌满为止。（6）安放组合导向装置（6-1）制作导向装置的长条钢片2采用截面尺寸为3mm×35mm、长度为1040mm的扁钢制成，长条钢片2的宽度为35mm，长条钢片的厚度为3mm，长条钢片的长度为1040mm。金属方管3采用截面外形尺寸为25mm×25mm的铝方管制成，长度为2000mm，在铝方管长度方向中心线上开设可穿过长条钢片2的上下对称导向方孔5，同一水平面上相邻导向方孔5之间的水平中心距离等于药孔孔距，导向方孔5长度为：长条钢片的宽度+20mm，导向方孔5宽度为：长条钢片2的厚度+1mm。（6-2）安放：先在确定的破裂面6岩石上放置带有导向方孔5的金属方管3；沿破裂面6的药孔1方向将长条钢片2通过导向方孔5插入药孔1（参见图4），调整长条钢片2方向并确保其宽度方向与破裂面6一致（参见图5、图6、图7）。（7）爆破出碴、回收组合导向装置本工程药孔1内无声破碎剂与水进行化学反应的时间约为6h，当孔眼上表面裂纹宽度≥3mm时，即可进行清碴和外运；清碴过程中回收组合导向装置，循环使用。以上对本发明的一种优选具体实施方式作了详细介绍。所述具体实施方式只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本发明权利要求的保护范围。