本发明属于爆破工程技术领域，具体涉及一种用于基坑开挖的预裂爆破炮孔装药装置及参数设计方法。
背景技术：
预裂爆破在地下开挖工程、边坡治理及大型爆破的防震减震等工程中得到广泛应用。预裂爆破是指进行石方开挖时，在主爆区爆破之前沿设计轮廓线先爆出一条具有一定宽度的贯穿裂缝，以缓冲、反射开挖爆破的振动波，控制其对保留岩体的破坏影响，使之获得较平整的开挖轮廓。预裂爆破不仅在垂直、倾斜开挖壁面上得到广泛应用；在规则的曲面、扭曲面、以及水平建基面等也采用预裂爆破。
目前在预裂爆破中主要采用串联间隔装药结构，其根据规定的线装药密度的大小，把标准药卷或自行改制的小药卷每隔一定距离捆扎在导爆索上，并一起绑扎在竹片上或竹竿上，放入孔内。其存在的问题是实施中安装的位置难以精确控制，最终影响到预裂爆破效果。
技术实现要素：
本发明提出了一种用于基坑开挖的预裂爆破参数设计方法，在成排的炮孔内部设置有装药装置，采用该装药装置并结合优化设计的炮孔孔距、炮孔直径、药卷直径和孔间距等参数，确保了预裂效果和轮廓线的完整度，并降低了爆破冲击波压力峰值，减小了对爆破岩石的破坏。
本发明的具体技术方案如下：
一种用于基坑开挖的预裂爆破参数设计方法，其特征在于：在爆破岩石上设置的一排炮孔，炮孔内部独立设置有装药装置，装药装置的炸药与外部的起爆器通过导线联接，在爆心所在的主爆区爆破前起爆器无时差引爆起爆装药装置，使岩石在开挖面处拉断，形成整齐贯通裂隙的轮廓线；
所述的装药装置包括密封圆筒和设置在圆筒中的支杆、底部垫层、电子雷管和若干个由导爆索串联的炸药包，所述的底部垫层安装在圆筒的底部，支杆嵌入至底部垫层内部并固定在圆筒中心位置，所述的炸药包固定在支杆上，电子雷管与其中的某一只炸药包固定在一起，并通过导线与外部的起爆器连接；所述的圆筒顶端安装有孔塞，所述的圆筒中充满水介质；
所述的炮孔按照以下的参数设置：
l＝0.5a；
d＝(2～4)d；
e＝a/d＝7～12；
b<50cm；
其中l为轮廓线与炮孔之间连线的距离，a为炮孔的孔距；d为炮孔直径，d为药卷直径，e为孔间距系数，b为相邻炸药包的间距。
进一步的，所述的支杆为铁丝，嵌入在底部垫层内部。
进一步的，圆筒采用pvc材料制成。
进一步的，密封圆筒的上部设置有孔塞，实现内部密封。
进一步的，所述的孔塞为橡胶制成的圆锥面结构。
进一步的，底部垫层采用可发性聚苯乙烯泡沫成型制成。
进一步的，雷管的导线通过孔塞中部的通孔穿出。
进一步的，底部垫层的中心设置有固定孔，支杆安装在固定孔上。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明通过精确控制爆破时差、炮孔参数、不耦合系数、孔间距系数、装药剂量等参数，实现了微风化花岗岩、中风化花岗岩等岩体的精确预裂缝宽及预裂壁面平整度控制，比传统的爆破减振效果提高30％，有效保护了岩壁和边坡稳定，可用于城市地铁车站基坑爆破开挖等基坑的预裂爆破，达到减震和保护岩壁的双重效果。
2、本发明在爆破岩石上设置的一排炮孔，炮孔内部独立设置有圆筒状的装药装置，通过电子雷管对炮孔进行无时差起爆，确保了预裂效果。同时炸药设置在圆筒的中心线上，且圆筒的外径和炮孔内径相接近，确保了安装及爆炸过程中炸药处于炮孔的中心位置上，进而克服了传统预裂爆破中炸药位置安装随意性大、爆破精度不高的问题，确保了预裂爆破轮廓线的完整度。
3、本发明在装药圆筒的底部设置了底部垫层，且可以根据需要来改变底部垫层的高度，适应了爆破工程中对炮孔不同高程参数的要求，同时该底部垫层采用泡沫制成，对炸药爆炸进行缓冲，起到了保护对爆破轮廓线的保护作用。
4、本发明圆筒采用密封结构同时在内部充满了水介质，炸药爆炸过程中，降低了爆破冲击波压力峰值，减小了对爆破岩石的破坏，确保了轮廓线的完整度；同时水介质还可以充当填充物，堵塞炮孔，减少炸药能量的损耗，并防止爆炸施工中的冲泡事故发生。
5、本发明的孔塞中心设置有通孔，底部垫层的中心设置固定孔，支杆的一端安装在固定孔上，另一端穿过孔塞中心的通孔，从而确保了支杆处于圆筒的中心线上，最终确保了炸药处于圆筒的中心位置，提高了预裂爆破的精度，而且具有结构简单、大规模实施方便的特点。
附图说明
图1为本发明预裂爆破系统组成原理示意图；
图2本发明预裂爆破炮孔装药装置的结构示意图；
图3为本发明装药装置在预裂爆破炮孔中安装示意图；
附图标记如下：
1—支杆；2—电子雷管；3—水介质；4—炸药包；5—导爆索；6—圆筒；7—孔塞；9—导线；10—炮孔；11—爆心；12—主爆区；13—轮廓线；14—岩石；15—底部垫层；16—通孔；20—装药装置；21—起爆器。
具体实施方式
一、预裂爆破炮孔装药系统及装置
如图1所示，预裂爆破是在爆破岩石14上钻一排炮孔10，装药装置20设置在炮孔10内部，采用不耦合装药方式，在爆心11所在的主爆区12爆破前起爆器21引爆内部的电子雷管，起爆这一排装药装置，使岩石14在开挖面处拉断，形成整齐贯通裂隙的轮廓线13。
为了实现预裂爆破的效果进行精确控制，并获得理想的爆破轮廓线，本专利的构想是克服传统的随意装药的方式，而采用精确设计的装药结构，确保炸药在炮孔的设定的位置进行爆破，同时降低爆炸的冲击波峰值，对孔壁进行保护。
如图2和3所示，本发明的装药装置包括密封圆筒6和设置在圆筒6中的支杆1、底部垫层15、电子雷管2和若干只由导爆索5联为串状的炸药包4，炸药包4的药量根据理论计算精确控制，其中电子雷管2与其中的某一只炸药包4固定在一起，并通过导线9与外部的起爆器连接；炸药包4和炸药包4之间由导爆索5联接，其目的是确保在其中的一只炸药包4被雷管引爆后，能可靠地引爆其他炸药包4爆炸。
底部垫层15安装在圆筒6的底部，支杆1嵌入至底部垫层15内部并固定在圆筒中心位置，所述的炸药包固定在支杆上，可确保炸药处于圆筒6的中心线位置，而实施中，圆筒6的外径小于炮孔10内径5-10mm，且圆筒6放置在炮孔10的中心位置，可确保每只炸药包4从炮孔10的中心线处开始起爆，从而对预裂效果进行精确控制。
为了减小对炮孔岩壁的破坏，本发明圆筒6的顶端设置孔塞7，孔塞7可采用橡胶制成的圆锥面结构，压紧在在圆筒6的顶端。孔塞7的中心设置有通孔16，电子雷管2的导线9通过孔塞7的通孔16穿出，并在挤压力的作用下实现圆筒6的内部密封。
圆筒6内部充满水介质3，可降低爆炸冲击波的初始峰值压力，延长冲击波的作用时间，减少对岩壁的破坏，确保保留岩壁的稳定度，同时水介质3还可以充当填充物，堵塞炮孔，减少炸药能量的损耗，防止爆炸施工中的冲泡事故发生。
圆筒6的底部设置了底部垫层15，且可以根据需要来改变底部垫层15的厚度，适应了爆破工程中对炮孔不同高程参数的要求，同时该底部垫层15采用泡沫制成，对炸药爆炸进行缓冲，减少对岩壁的破坏，起到了保护对爆破轮廓线的保护作用。
圆筒6采用了pvc圆管结构，自身也有部分缓冲作用，底部垫层15固定在圆筒6的底部，底部垫层15的中部开有固定孔，支杆1固定在该固定孔中，确保其处于圆筒6的中心位置。底部垫层15可采用可发性聚苯乙烯泡沫成型制成，支杆1可采用铁丝，下端直接插入并固定在泡沫中部，上端则穿过孔塞8的中心通孔16，上下进行了限位，确保了固定位置的精度。
二、预裂爆破参数设计
预裂爆破设计中主要考虑爆破时差、炮孔参数、不耦合系数、孔间距系数、装药参数等。
(1)爆破时差
理论分析与工程实践均表明，一排预裂孔起爆时差越短，预裂效果就越好。本专利使用数码电子雷管对正排的炮孔进行同时起爆，起爆时差接近为零，而一般的导爆管雷管时差难以控制，通常至少在几个毫秒。目前数码电子雷管可在水介质中浸泡10小时左右而仍然可靠引爆。
(2)炮孔参数
炮孔直径为90mm、120mm两种。一般情况下炮孔深度即预裂孔底应达到开挖基坑层底高程。本发明预裂孔深比孔底要超深1.0～2.0m。如果此超深对基岩的破坏为工程所不允许，则应适当提高孔底高程，或者孔底高程不变，而在孔底部0.5～1m处不装炸药。本发明则通过改变圆筒6底部的底部垫层15厚度，很简单满足了此方面的要求。
(3)不耦合系数ξ
预裂爆破时，为使岩体开裂而又不使岩壁遭受破坏，希望爆炸冲击波作用于孔壁上的径向压力要低于岩体的极限抗压强度，而由此派生的切向拉伸应力则要超过岩体的抗拉强度。这对于岩石、混凝土等一些脆性材料来说，是比较容易达到的。通常岩石的抗压强度为10～100mpa以上，而抗拉强度却要低得多，还不到它的1/10，这就为满足上述要求，提供了有利的条件。
在一般情况下，炸药爆炸时药包表面的冲击波压力峰值，可达1000mpa以上，这个数值已远远超过了岩石的抗压强度，因此，药包周围的岩体，被压碎成粉状，为了减轻作用于岩壁上的压力，除了采用低猛度、低爆速炸药以外，尚需采取不耦合装药结构，即炮孔直径d要大于药卷直径d。不耦合系数ξ的定义为ξ＝d/d。因为d≥d，故总有ξ≥1。不耦合系数可用下列经验公式确定：
ξ＝1+18.32σ-0.26，式中，σ为岩石极限抗压强度，等于105pa。本发明的参数设计中取ξ＝2～4，即d＝(2～4)d。
(4)孔间距系数
孔间距系数e为孔距a与炮孔直径d的比值，即
e＝a/d
孔距a与孔间距系数e是预裂爆破的重要参数。若仅从提高施工效率来讲，选取较大的孔距可以减少预裂孔钻孔数量，但这将使单孔药量增加，不能保证预裂壁面的平整和保留基岩的完整。理论研究与工程实践均证明，采用小孔距、分散装药的办法，其预裂爆破效果比较好。
当d一定时，在ξ＝2～4范围内，若将a与d成正比地增加，必然引起预裂质量的下降；换言之，要保持一定的预裂质量，随着d的增加，尤其是对于重要工程要求预裂壁面平整度高时，应采用较小的e值。本发明的孔间距系数e＝7～12，且轮廓线与炮孔之间连线的距离l约为孔距a的一半。
(5)装药参数
线装药密度一般取250～400g/m3，药包结构采用分散药卷的形式固定值支杆上，分散药卷的相邻间距b不大于药卷的殉爆距离50cm。考虑到孔底的夹制作用，底部药包应加强当量，约为中上部线装药密度的2～5倍。装药时距孔口1m左右的深度内不装药，可通过调节最上端的药包与圆筒顶部的距离来实现。
多次试验验证结果表明：本发明的装药装置及爆炸参数设计，实现了预裂缝在微风化花岗岩中缝宽大于1.0cm，在中风化花岗岩岩石中缝宽达到1.5cm以上，且实测振动参数比无水介质的装药装置减振效果提高30％，预裂面开挖后的不平整度小于5cm，超欠率为正负5cm以内，预裂面上的炮孔痕迹保留率应不低于90％，且炮孔附近岩石不出现严重的爆破裂隙。本发明有效保护了岩壁和边坡稳定，可用于城市地铁车站基坑爆破开挖等基坑的预裂爆破，达到减震和保护岩壁的双重效果。