CN111721169B - 海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，包括：将套管下沉至指定位置，并按照爆破设计钻设垂直炮孔；向炮孔底部填入海砂/岩屑以进行缓冲层铺设；将由弹性密封袋包装的特制联合体置于套管口，使其由重力下落至缓冲层上；特制联合体包括：防水弹性密封袋，和由下至上置于该防水弹性密封袋内的高压充气气囊、铁球、装药段，以及设置于高压充气气囊内部的充气罐；进行上部震源药柱的安装；对炮孔进行堵塞，拔出套管，并将各炮孔进行联网，通过雷管引爆药柱，进行岩石基础爆破。本方法能够有效控制桩基岩体的爆破损伤、保证嵌岩桩基础承载力，同时增强建待破碎岩体的开挖效果，充分保护桩基岩体，特别适用于深水条件下海上嵌岩桩的开挖。

Description

海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法

技术领域

本发明属于工程爆破技术领域，具体涉及一种海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法。

技术背景

随着经济的发展以及环境污染日益加剧，全球对清洁能源的需求不断增加。海上风能具有风力持久稳定、能量贮存高，且清洁无污染等诸多优点，目前已成为世界各国能源开发的重点。海上风电基础的结构型式可分为重力式基础、单桩基础和吸力筒式基础等。随着我国海上风电产业大力发展，大直径单桩基础由于其承载力大、安全度高、结构简单、便于运营期维护，已成为海上风机最常用的基础型式。针对于我国部分省份近海海床覆盖层浅的问题，为了提高基础承载力，深水嵌岩桩基应用较为广泛。

在深水嵌岩桩基施工中，岩体开挖是其关键环节，以往采用机械开挖时，存在大型钻机成本较高、现场操作复杂等诸多限制；水下爆破施工具有成本低、施工效率高等优点，近年来在嵌岩桩基开挖中得到广泛应用。但是采用水下爆破方法进行基础开挖施工时，基础开挖成型质量事关风机后期运行安全，需要严格控制桩筒基础的爆破损伤范围以保证嵌岩桩基础具有良好的承载力。因此，嵌岩桩基深水爆破开挖过程中，基础岩体损伤控制的重要性不言而喻。

中国专利CN108645300A公开了“一种复合反射聚能与缓冲消能装置及该装置的爆破施工方法”，其特征在于通过孔底布置的复合反射聚能与缓冲消能装置(主要包括缓冲消能垫层、刚垫层、反射聚能缓冲垫层和聚能射流器)来削减进入孔底的爆炸能量，进而减小炮孔底部的爆破损伤，该装置爆破损伤控制效果较好，但是结构复杂、现场施工不便；中国专利CN109870086A公开了“一种适用于岩石基础开挖成型的高波阻抗定向滑落组合消能体”，其特征在于设计提出了一种可以快速施工的组合消能结构，放置在炮孔底部可以实现增强建基面上部岩体破碎和保护孔底岩体的双重效果，该结构现场可操作性强、开挖成型效果好，但其结构单一，深水荷载作用下其损伤控制效果难以保证。

因此，研究提出一种能够考虑深水荷载作用的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其现场施工可操作性强，能够考虑深水荷载作用，有效控制桩基岩体的爆破损伤、保证嵌岩桩基础承载力，同时增强建基面上部待破碎岩体的开挖效果，充分保护桩基岩体免遭爆破损伤，特别适用于深水条件下海上嵌岩桩的开挖。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，通过定位或导向装置将套管下沉至指定位置，并按照爆破设计在预定位置钻设垂直炮孔；步骤2，测量炮孔孔深，向炮孔底部填入海砂/岩屑以进行缓冲层铺设；步骤3，将由弹性密封袋包装的特制联合体置于套管口，使其由重力下落至缓冲层上；特制联合体包括：防水弹性密封袋，和由下至上置于该防水弹性密封袋内的高压充气气囊、铁球、装药段，以及设置于高压充气气囊内部的充气罐，通过防水弹性密封袋将高压充气气囊、铁球、装药段捆绑在一起，防水弹性密封袋应具有良好的伸缩变形能力，能够适应高压充气气囊的充气变形；在下放特制联合体之前，打开充气罐的阀门开始充气；步骤4，待联合体落至缓冲层上后，进行上部常规震源药柱的安装；步骤5，待每个炮孔装药完成以及高压充气气囊充气完成后，对炮孔进行堵塞，通过雷管引爆药柱，进行岩石基础爆破，其中，装药段与震源药柱材料一致。

优选地，本发明所提供的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，还可以具有这样的特征：在步骤2中，缓冲层的铺设厚度为20～30cm。

优选地，本发明所提供的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，还可以具有这样的特征：在步骤3中，铁球的直径为Φ_铁球＝Φ_炮孔-(10～20mm)，装药段长度为30～40cm。

优选地，本发明所提供的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，还可以具有这样的特征：高压充气气囊充气完成后，在垂直方向上的长度为30～40cm、与炮孔呈现耦合状态，高压充气气囊、铁球、装药段的体积比为4：1：4。

优选地，本发明所提供的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，还可以具有这样的特征：高压充气气囊的充气膨胀过程应持续至上部震源药柱安装结束，使得在步骤4常规震源药柱安装时，防水弹性密封袋内的高压充气气囊仍在缓慢膨胀，在震源药柱重力与气囊充气压力共同作用下，能够实现充分挤压特制联合体内上部装药段使其与孔壁紧密贴合形成局部耦合装药。充气气囊的具体施工方法为：在下放特制联合体之前将气囊内的气罐阀门打开，设置气囊的充气速度，使得气囊在20min左右膨胀完毕。单个炮孔内特制联合体下放施工以及上部常规震源药柱安装时间需要10～15min，因此通过高压充气气囊的总体充气速度和充气时间可以实现常规震源药柱安装时，弹性密封袋内的气囊仍在缓慢膨胀。

优选地，本发明所提供的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，还可以具有这样的特征：高压充气气囊的压力不小于0.5MPa。

优选地，本发明所提供的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，还可以具有这样的特征：高压充气气囊的充气速度为2.0～2.8L/min。

发明的作用与效果

根据本发明提供的适用于海上嵌岩桩基爆破开挖的损伤控制方法，由于弹性密封袋中高压充气气囊缓慢充气膨胀，气囊膨胀压力通过铁球传到联合体上部装药段，在震源药柱重力压迫的联合作用下，能够实现不断挤压密封袋上部装药段、使其与炮孔壁紧密结合形成局部耦合装药；在炮孔内药柱起爆后，耦合装药结构爆炸冲击压力直接作用于孔壁，能有很好地实现基础面上部岩体的破碎，帮助获得良好的开挖成型效果；炮孔中向下传播的爆炸冲击波会首先到达铁球表面并在此界面发生第一次透反射，由于铁球的波阻抗大于爆生气体，根据波的透反射定律，冲击波将在铁球表面发生强透射，同时铁球可以向侧向反射爆炸冲击波，此冲击波为加载波、可以实现反射聚能的效果，进一步增强建基面上部岩体的破碎；在铁球表面透射的能量继续以应力波的形式向下传播，到达铁球与气囊的交界面、再次发生透反射，由于铁球的波阻抗远大于充气气囊，因此应力波将在此界面发生强反射，只有少部分的应力波能量进入气囊；同时，炮孔底部的松砂层能够发生大幅变形以继续缓冲消耗透射的爆炸能量。最终在孔底特制联合体与缓冲层的耦合作用下，能够实现在增强基础面上部岩体破碎的同时有效降低基础面下部岩体的爆炸冲击压力，最大程度地保护基础岩体免遭爆破损伤，保证嵌岩桩基具有良好的承载能力。

综上，本发明提供的适用于海上嵌岩桩基爆破开挖的损伤控制方法能够适应于深水条件的嵌岩桩基开挖，大幅削减基础面以下岩体的爆炸冲击压力，有效减少透射至孔底的爆炸能量，最大限度地控制基础岩体的爆破损伤。

附图说明

图1为本发明实施例中单个炮孔施工后的内部结构示意图；

图2为本发明实施例中特制联合体的结构示意图；

图3为本发明实施例中炸药起爆后爆炸冲击波的详细传播过程示意图。

图中，T、套管；D、堵塞段；S、海水；Z、常规震源药柱；L、特制联合体；H、松砂缓冲层；L1、防水弹性密封袋；L2、上部装药段；L3、铁球；L4、高压充气气囊。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

某海上风电结构嵌岩桩基基础开挖工程，基坑直径8m，基础水深50m，覆盖层为3～5m较薄，基岩主要为中、强风化岩石，现场采用的钻孔直径为160mm、药柱直径为120mm；该工程区域周围风浪大，需要实现快速开挖施工并且严格控制桩基基础岩体的爆破损伤，给现场施工带来较大的难题，采用传统水下爆破施工工艺难以有效控制对基础岩体的爆破损伤，为此本实施例采用如下方法进行施工。

本实施例所提供的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1.通过定位或导向装置将套管T下沉至指定位置，并按照爆破设计在预定位置钻设一定数目的垂直炮孔。

如图1所示，先借助定位或导向装置将套管T下放置与需要钻设炮孔的指定位置，然后在套管T导向作用下进行基岩炮孔的钻设工作，现场钻孔施工时，需要严格按照爆破设计控制每一个炮孔的孔底高程和钻孔直径。

步骤2.测量每个炮孔的孔深，向炮孔底部填入一定厚度的海砂/岩屑以进行缓冲层H铺设。

结合炮孔的孔底高程、孔深和设计建基面高程，计算每一个炮孔缓冲层H的铺设厚度，厚度一般为20～30cm，随后将海砂或者岩屑按照计算的厚度均匀地铺设在炮孔底部。

步骤3.将由防水弹性密封袋L1包装的特制联合体L置于套管T口，使其由重力下落至炮孔底部，在下放联合体之前，打开高压充气气囊L4内部的气罐阀门使气囊L4开始充气。

如图2所示，特制联合体L包括防水弹性密封袋L1、装药段L2、铁球L3、高压充气气囊L4以及充气罐(图中未显示)。装药段L2、铁球L3、高压充气气囊L4由上至下设置在防水弹性密封袋L1内。充气罐设置于高压充气气囊内部。联合体中铁球L3重力大，能够依靠自身重力带动联合体下落至炮孔底部。本实施例中，联合体中部铁球L3的直径为140mm，上部装药段L2的长度为40cm左右，高压充气气囊L4的充气速度在2.4L/min左右。上部装药段L2、中部铁球L3和下部高压充气气囊L4(充气完成后)的体积比约为4：1：4。

步骤4.待联合体落至炮孔底部后，进行上部常规震源药柱Z的安装。

在上部常规震源药柱Z安装时，联合体L内的高压充气气囊L4尚未充气完成，仍在持续膨胀，此时便与上部震源药柱Z联合作用，共同挤压上部装药段L2，使其与炮孔壁充分贴合，形成局部耦合装药段L2。

步骤5.对炮孔进行堵塞，拔出套管T，并将各炮孔进行联网，通过雷管引爆炸药，进行岩石基础爆破。

待每个炮孔装药完成以及高压充气气囊L4充气完成后，对各个炮孔进行堵塞，并将每个炮孔内的套管T拔出，确认网路以及周围环境安全条件下，通过雷管引爆炸药，进行岩石基础爆破。

本实施例中，高压充气气囊L4充气完成后在垂直方向上的长度为30～40cm，气囊L4自充气开始到充气结束整个过程持续约20min，气囊L4充气完成后的压力为0.6MPa。

如图3所示，在炮孔内药柱起爆后，耦合装药结构爆炸冲击压力直接作用于孔壁，实现基础面上部岩体的破碎；炮孔中向下传播的爆炸冲击波首先到达铁球L3表面并在此界面发生第一次透反射，由于铁球L3的波阻抗大于爆生气体，根据波的透反射定律，冲击波将在铁球L3表面发生强透射，同时铁球L3可以向侧向反射爆炸冲击波，此冲击波为加载波、可以实现反射聚能的效果，进一步增强建基面上部岩体的破碎；在铁球L3表面透射的能量继续以应力波的形式向下传播，到达铁球L3与高压充气气囊L4的交界面、再次发生透反射，由于铁球L3的波阻抗远大于高压充气气囊L4，因此应力波将在此界面发生强反射，只有少部分的应力波能量进入高压充气气囊L4；同时，炮孔底部的松砂缓冲层H能够发生大幅变形以继续缓冲消耗透射的爆炸能量。最终在孔底特制联合体L与缓冲层H的耦合作用下，能够实现在增强基础面上部岩体破碎的同时有效降低基础面下部岩体的爆炸冲击压力，最大程度地保护基础岩体免遭爆破损伤，保证嵌岩桩基具有良好的承载能力。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，通过定位或导向装置将套管下沉至指定位置，并按照爆破设计在预定位置钻设垂直炮孔；

步骤2，测量炮孔孔深，向炮孔底部填入海砂或者岩屑以进行缓冲层铺设；

步骤3，将由弹性密封袋包装的特制联合体置于套管口，使其由重力下落至缓冲层上；特制联合体包括：防水弹性密封袋，和由下至上置于该防水弹性密封袋内的高压充气气囊、铁球、装药段，以及设置于高压充气气囊内部的充气罐；在下放特制联合体之前，打开充气罐的阀门开始充气；

步骤4，待联合体落至缓冲层上后，进行上部震源药柱的安装；

步骤5，待每个炮孔装药完成以及高压充气气囊充气完成后，对炮孔进行堵塞，拔出套管，并将各炮孔进行联网，通过雷管引爆药柱，进行岩石基础爆破，

其中，装药段与震源药柱材料一致。

2.根据权利要求1所述的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于：其中，在步骤2中，缓冲层的铺设厚度为20～30cm。

3.根据权利要求1所述的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于：

其中，在步骤3中，铁球的直径为Φ_铁球＝Φ_炮孔-(10～20mm)，装药段长度为30～40cm。

4.根据权利要求1所述的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于：

其中，高压充气气囊充气完成后，在垂直方向上的长度为30～40cm、与炮孔呈现耦合状态，高压充气气囊、铁球、装药段的体积比为4：1：4。

5.根据权利要求1所述的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于：

其中，高压充气气囊的充气膨胀过程应持续至上部震源药柱安装结束。

6.根据权利要求1所述的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于：

其中，高压充气气囊的压力不小于0.5MPa。

7.根据权利要求1所述的海上嵌岩桩基爆破开挖损伤控制方法，其特征在于：

其中，高压充气气囊的充气速度为2.0～2.8L/min。

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