CN112432567A - 一种聚能电爆破孤石方法 - Google Patents

Abstract

一种聚能电爆破孤石方法，特征是，包括聚能电爆破碎孤石和打捞孤石两个过程，实现对浅部工程地铁建设基坑成槽和盾构掘进遇孤石或孤石群时利用聚能电爆进行精准破碎孤石：预制好电爆护筒、V形聚能射流器、储水箱、锥形射水管、喇叭形打捞嘴、残渣回流管、残渣收集箱；锥形射水管底端设置的小开口喷嘴结构；优先将高能流集中施加在其下端对应的孤石的岩壁上产生集中压力能，而小开口V形喷嘴呈正方形布设，压力能沿孤石表面形成正方形状聚能流，致使小开口V形喷嘴处的聚能高能流优先突破孤石岩壁的极限承受强度，对孤石呈漏斗状聚能破碎孤石；驱使孤石破碎块随高压水流经喇叭形打捞嘴流入残渣回流管内排出至残渣收集箱内以完成孤石的破碎打捞。

Description

一种聚能电爆破孤石方法

技术领域

本申请属于岩土体中孤石聚能电爆破碎技术领域。

背景技术

孤石是岩体不均匀风化形成的坚硬球状体且与周围岩土体在性质上有明显区别，以孤立的形式埋藏于残积土、全风化以及强风化的岩层中，具有体量小、直径不等、空间分布随机等特征，是当前地铁建设过程中遇到的难题之一。孤石的存在，受现有勘测技术的限制很难通过地质钻探找到其分布规律，是影响地铁车站地下连续墙成槽质量、桩基成桩质量和盾构掘进刀具刀盘磨损的重要因素。

现有关于孤石处理的方法，主要是地面处理和洞内处理。地面处理包括冲孔破碎和人工挖孔破碎。冲孔破碎法包括综合利用铣槽机、成槽机、旋挖钻、冲击锤等直接冲击破碎孤石，地层适应性较好，但易受施工场地限制，钻头损耗大，费用高、工程量大、工期长；人工挖孔破碎需要将孤石上覆的土层挖除，但工程量巨大，费用高、工程长，还需占用较大的场地，且开挖空洞稳定性不易控制，易引发岩土体坍塌。洞内处理主要包括盾构直接推进、钻孔爆破、静态爆破、人工进仓处理等。盾构直接推进是利用盾构刀具直接切削破碎孤石，由于孤石的强度不均、大小不一，其在切削过程中刀具磨损严重，需频繁更换，且施工风险高、延误工期和增加施工成本，如强行通过孤石区会导致盾构损坏；钻孔爆破需在孤石上方钻出炮孔再安放炸药进行处理，但孤石的精准探测难度大，其处理前需对施工区域进行详细的补勘，准确找出孤石所处的埋深和体积，由于受工程建设成本和勘察技术限制，很难精准预测每一个测孔之间的地质变化，加之爆破时振动冲击大，在高密集的城市中心区域很难实施；静态爆破需经过盾构开仓才能实施，增加了盾构施工的风险，局限性大，不能主动预先发现孤石和破除孤石，且静态爆破剂工效低，作业人员空间受到很大限制，增加了施工成本，工期较长；人工进仓处理是使用分裂机破除孤石或更换刀具刀盘，适用于地质情况较好的地层，但需要人工进入开挖区作业，人工成本高、施工风险大，处理孤石的工效较差，对复合地层孤石的处理难度较大，易造成人员伤亡。

综上所述，目前还没有系统开展聚能电爆破碎孤石的研究，也没有涉及耦合电爆和高水压射流以打捞孤石的研究。聚能电爆破碎孤石的方法不同于传统的爆破法，它是利用高压储能器放电产生高压冲击波的力学效应，使其沿预先设定的V形聚能射流器产生集中能量流致使岩体产生破坏。因此，研发的聚能电爆破碎孤石的高水压冲刷装置，能安全高效地对复杂环境下复合地层遇孤石或孤石群进行精准破碎，节约施工成本，缩短建设工期。

发明内容

本申请的目的是，为了克服上述现有技术的不足，提供一种聚能电爆破碎孤石的高水压冲刷装置，具有高压放电压力冲击波能量在设定聚能射流方向集中释放、导电铜棒沿面与孤石多维度接触放电、聚能能量利用率高、孤石破碎效果好、打捞速度快的特点。

为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：

一种聚能电爆破孤石方法，特征是，包括聚能电爆破碎孤石和打捞孤石两个过程，实现对浅部工程地铁建设基坑成槽和盾构掘进遇孤石或孤石群时利用聚能电爆进行精准破碎孤石；具体步骤为：

步骤1，预制好电爆护筒1、V形聚能射流器2；V形聚能射流器2下端设有小开口 V形喷嘴，小开口V形喷嘴下端对应孤石18岩壁，小开口V形喷嘴呈正方形布设；

同时，预制好储水箱12、锥形射水管4、喇叭形打捞嘴3、残渣回流管5、残渣收集箱13；锥形射水管4底端设置的小开口喷嘴结构，储水箱12、锥形射水管4相互连通，残渣回流管5、残渣收集箱13相互连通；

步骤2，将电爆护筒1设置于在孤石18的上部，钻孔20内的地下水充满V形聚能射流器2的整个空间以及均匀充填在电爆护筒1的底端外围和喇叭形打捞嘴3、锥形射水管4的下部空间；

步骤3，通过控制高压储能放电系统8对高压储能器803内的能量进行放电，放电电能遇水17后致使V形聚能射流器2内部的温度迅速升高，并引起V形聚能射流器2 内部的压力迅速升高并膨胀，在水17中形成高速扩张的水压冲击波，电能转化为高压爆炸式机械能并不断向外辐射能量，并迅速在V形聚能射流器2下端的小开口V形喷嘴处形成高能流，优先将高能流集中施加在其下端对应的孤石18的岩壁上产生集中压力能，而小开口V形喷嘴呈正方形布设，压力能沿孤石18表面形成正方形状聚能流，致使小开口V形喷嘴处的聚能高能流优先突破孤石18岩壁的极限承受强度，对孤石18 呈漏斗状聚能破碎孤石；

步骤4，通过控制储水箱12内的水17高压压入锥形射水管4内，通过锥形射水管 4底端设置的小开口喷嘴结构汇聚高压水的动态冲刷力，使高压水经过小开口喷嘴射向破碎后的孤石18时形成高速射流，致使高速射流能迅速作用于电爆破碎后的孤石块表面形成压力，驱使孤石破碎块随高压水流经喇叭形打捞嘴3流入残渣回流管5内排出至残渣收集箱13内以完成孤石18的破碎打捞。

公开一种孤石聚能电爆破碎装置，实现对浅部工程地铁建设基坑成槽和盾构掘进遇孤石或孤石群时利用聚能电爆进行精准破碎孤石。一种孤石聚能电爆破碎装置包括电爆护筒1、V形聚能射流器2、喇叭形打捞嘴3、锥形射水管4、残渣回流管5、导电铜棒6、绝缘电流导线7、高压储能放电系统8、水平稳固系统9、耐高压软管10、水压增压控制器11、储水箱12、残渣收集箱13、门式固定架14、吊环15、吊索16、水 17、孤石18、软土19、钻孔20、放电预留孔21、射能器预留孔22；

电爆护筒1的中心位置设残渣回流管5；残渣回流管5的下端与喇叭形打捞嘴3焊接连接，其上端通过耐高压软管10与残渣收集箱13连接；连接残渣回流管5的耐高压软管10的直径与残渣回流管5的直径一致；喇叭形打捞嘴3的形状为喇叭状，用于排出破碎后的孤石18；

残渣回流管5的外围布设锥形射水管4，共设4个，4个锥形射水管4互为90°布设；锥形射水管4为圆柱体结构，其下端布设为圆锥台形式，圆锥台的开口布设为小开口喷嘴结构，用于汇聚高压水的动态冲刷力，使高压水经过圆锥台的小开口喷嘴射向孤石时形成高速射流，致使高速射流能迅速作用于电爆破碎后的孤石块表面形成压力，驱使孤石破碎块随高压水流经喇叭形打捞嘴3流入残渣回流管5内排出至残渣收集箱13内；锥形射水管4的上端通过耐高压软管10依次与水压增压控制器11和储水箱12连接；水压增压控制器11作用是控制储水箱12注入锥形射水管4内的水流压力和流量；

锥形射水管4的左右两侧布设放电预留孔21，共设2个，用于为绝缘电流导线7 与导电铜棒6的连接提供通道；放电预留孔21的下端与V形聚能射流器2焊接连接；

V形聚能射流器2呈正方形布设，是内部中空的V形体结构，其下端布设有小开口的V形喷嘴，其上部中心布设2个射能器预留孔22，为导电铜棒6与绝缘电流导线7 的连接提供通道；V形聚能射流器2用于确保能量高能流迅速在V形聚能射流器2的下端的小开口V形喷嘴处快速汇聚，并优先集中竖向施加在其对应的孤石18的表面岩壁上产生集中压力能进而破碎孤石18；

导电铜棒6布设在V形聚能射流器2的内部中心，其上端与V形聚能射流器2焊接连接；导电铜棒6的首端和末端分别与绝缘电流导线7的正极和负极连接，并由下往上依次穿过射能器预留孔22、放电预留孔21后与高压储能放电系统8中的放电控制器804的正极和负极连接；

水平稳固系统9，包括第一水平稳固器901、第二水平稳固器902、第三水平稳固器903、第四水平稳固器904；第一水平稳固器901的作用是支撑V形聚能射流器2底部V形喷嘴、锥形射水管4底部小开口喷嘴结构和喇叭形打捞嘴3在压力作用不发生变形，起稳固作用；第二水平稳固器902、第三水平稳固器903、第四水平稳固器904 的作用是分别支撑布设在电爆护筒1内部的放电预留孔21、锥形射水管4、残渣回流管5的底部、中部和上部，确保电爆护筒1内设结构的稳定性；

门式固定架14布设在钻孔20两侧的软土19上部，其中部下端布设2个吊环15，通过吊索16与设在电爆护筒1上的对应吊环15连接，用于实时根据钻孔20内孤石18 的破碎情况调整吊装深度，方便施工。

本申请与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.本申请装置具有将高压电能在V形聚能射流器内部转换为高压冲击波压力的力学效应致使孤石沿面聚能破碎的特点。本申请装置通过控制高压储能放电系统中的放电控制器对高压储能器内的能量进行快速放电，致使放电电能在V形聚能射流器内部遇水后温 度迅速升高，并引起V形聚能射流器内部的压力也迅速升高并膨胀，在水中形成高速扩张的 水压冲击波，并迅速在V形聚能射流器下端的小开口V形喷嘴处形成高能流，优先将高能流 集中施加在其下端对应的孤石的岩壁上产生集中压力能，致使小开口V形喷嘴处的聚能高 能流优先突破孤石岩壁的极限承受强度，造成孤石呈漏斗状聚能破碎孤石。

2.本申请装置具有高压水高速射流沿面冲刷打捞孤石的特点。本申请装置通过控制水压增压控制器控制储水箱内的水高压压入锥形射水管内，通过锥形射水管底端设置的 小开口喷嘴结构汇聚高压水的动态冲刷力，使高压水经过小开口喷嘴射向破碎后的孤石时 形成高速射流，致使高速射流能迅速作用于电爆破碎后的孤石块表面形成压力，驱使孤石 破碎块随高压水流经喇叭形打捞嘴流入残渣回流管5内排出至残渣收集箱内。

3.本申请装置具有孤石破碎块度均匀、性能可靠、施工速度快、成本低和节能环保的特点。

附图说明

图1为一种聚能电爆破碎孤石的高水压冲刷装置的正剖面示意图。

图2为图1顺时针旋转90°后的剖面示意图。

图3为图1中A-A剖面示意图。

图4为图1中B-B剖面示意图。

图5为图1中C-C剖面示意图。

图6为图1中D-D剖面示意图。

图7为图1中V形聚能射流器的三维示意图。

图8为一种聚能电爆破碎孤石的高水压冲刷装置的工作示意图。

其中，

1为电爆护筒、2为V形聚能射流器、22为射能器预留孔、3为喇叭形打捞嘴、4 为锥形射水管；

6为导电铜棒、7为绝缘电流导线、21为放电预留孔、

9为水平稳固系统、901为第一水平稳固器、902为第二水平稳固器、903为第三水平稳固器、904为第四水平稳固器、10为耐高压软管、

11为水压增压控制器、12为储水箱、8为高压储能放电系统、801为变频升压控制器、802为高压形成器、803为高压储能器、804为放电控制器；

13为残渣收集箱、5为残渣回流管；

14为门式固定架、15为吊环、16为吊索、17为水；

18为孤石、19为软土、20为钻孔。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本申请作进一步的说明。

实施例

如图1～图8所示，一种聚能电爆破碎孤石的高水压冲刷装置，包括电爆护筒1、V形聚能射流器2、喇叭形打捞嘴3、锥形射水管4、残渣回流管5、导电铜棒6、绝缘电流导线7、高压储能放电系统8、水平稳固系统9、耐高压软管10、水压增压控制器11、储水箱12、残渣收集箱13、门式固定架14、吊环15、吊索16、水17、孤石18、软土 19、钻孔20、放电预留孔21、射能器预留孔22。

本发明聚能电爆破碎孤石和打捞孤石的原理(创新点)：

孤石18埋藏于钻孔20内，先将电爆护筒1通过门式固定架14吊装在孤石18的上部，此时，钻孔20内的地下水充满V形聚能射流器2的整个空间以及均匀充填在电爆护筒1的底端外围和喇叭形打捞嘴3、锥形射水管4的下部空间；然后，通过控制高压储能放电系统8中的放电控制器804对高压储能器803内的能量进行放电，此时放电电能通过导电铜棒6遇水17后致使V形聚能射流器2内部的温度迅速升高，并引起 V形聚能射流器2内部的压力也迅速升高并膨胀，在水17中形成高速扩张的水压冲击波，此时电能转化为高压爆炸式机械能并不断向外辐射能量，并迅速在V形聚能射流器2下端的小开口V形喷嘴处形成高能流，优先将高能流集中施加在其下端对应的孤石18的岩壁上产生集中压力能，而小开口V形喷嘴呈正方形布设，因而此时的压力能沿孤石18表面形成正方形状聚能流，因而致使小开口V形喷嘴处的聚能高能流优先突破孤石18岩壁的极限承受强度，造成孤石18呈漏斗状聚能破碎孤石，避免了能量耗散；最后，通过控制水压增压控制器11控制储水箱12内的水17高压压入锥形射水管 4内，通过锥形射水管4底端设置的小开口喷嘴结构汇聚高压水的动态冲刷力，使高压水经过小开口喷嘴射向破碎后的孤石18时形成高速射流，致使高速射流能迅速作用于电爆破碎后的孤石块表面形成压力，驱使孤石破碎块随高压水流经喇叭形打捞嘴3流入残渣回流管5内排出至残渣收集箱13内以完成孤石18的破碎打捞。

各部分连接关系为：

电爆护筒1的中心位置设残渣回流管5；残渣回流管5的下端与喇叭形打捞嘴3焊接连接，其上端通过耐高压软管10与残渣收集箱13连接；连接残渣回流管5的耐高压软管10的直径需与残渣回流管5的直径一致；喇叭形打捞嘴3的形状为喇叭状，主要作用是以最大的收纳空间快速排出破碎后的孤石18。

残渣回流管5的外围布设锥形射水管4，共设4个，4个锥形射水管4互为90°布设；锥形射水管4为圆柱体结构，其下端布设为圆锥台形式，圆锥台的开口布设为小开口喷嘴结构，主要作用是汇聚高压水的动态冲刷力，使高压水经过圆锥台的小开口喷嘴射向孤石时形成高速射流，致使高速射流能迅速作用于电爆破碎后的孤石块表面形成压力，驱使孤石破碎块随高压水流经喇叭形打捞嘴3流入残渣回流管5内排出至残渣收集箱13内；锥形射水管4的上端通过耐高压软管10依次与水压增压控制器11 和储水箱12连接；水压增压控制器11作用是控制储水箱12注入锥形射水管4内的水流压力和流量；

锥形射水管4的左右两侧布设放电预留孔21，共设2个，主要作用是为绝缘电流导线7与导电铜棒6的连接提供通道；放电预留孔21的下端与V形聚能射流器2焊接连接；

V形聚能射流器2呈正方形布设，是内部中空的V形体结构，其下端布设有小开口的V形喷嘴，其上部中心布设2个射能器预留孔22，主要作用是为导电铜棒6与绝缘电流导线7的连接提供通道；V形聚能射流器2的主要作用是确保能量高能流迅速在V 形聚能射流器2的下端的小开口V形喷嘴处快速汇聚，并优先集中竖向施加在其对应的孤石18的表面岩壁上产生集中压力能进而破碎孤石18；

导电铜棒6布设在V形聚能射流器2的内部中心，其上端与V形聚能射流器2焊接连接；导电铜棒6的首端和末端分别与绝缘电流导线7的正极和负极连接，并由下往上依次穿过射能器预留孔22、放电预留孔21后与高压储能放电系统8中的放电控制器804的正极和负极连接；

高压储能放电系统8，包括变频升压控制器801、高压形成器802、高压储能器803、放电控制器804；变频升压控制器801的作用是进行电压调节，把220V电压转变为不低于2kV高频高电压，确保电压恒定和过压保护作用；高压形成器802的作用是升压整流为直流高压，确保对高压储能器803能稳定充电；高压储能器803的作用是储存放电所需的能量；放电控制器804的作用是通过接通的高压电路通路将高压储能器803 内的能量全部进行放电。

放电控制器804的一端与绝缘电流导线7连接，另一端通过绝缘电流导线7与高压储能器803连接，而高压储能器803的一端则与高压形成器802连接，高压形成器802 的另一端则与变频升压控制器801连接；变频升压控制器801必须进行接地处理。这部分属于电学常识和常规技术。

水平稳固系统9，包括第一水平稳固器901、第二水平稳固器902、第三水平稳固器903、第四水平稳固器904；第一水平稳固器901的作用是支撑V形聚能射流器2底部V形喷嘴、锥形射水管4底部小开口喷嘴结构和喇叭形打捞嘴3在压力作用不发生变形，起稳固作用；第二水平稳固器902、第三水平稳固器903、第四水平稳固器904 的作用是分别支撑布设在电爆护筒1内部的放电预留孔21、锥形射水管4、残渣回流管5的底部、中部和上部，确保电爆护筒1内设结构的稳定性。

门式固定架14布设在钻孔20两侧的软土19上部，其中部下端布设2个吊环15，通过吊索16与设在电爆护筒1上的对应吊环15连接，主要作用是可实时根据钻孔20 内孤石18的破碎情况调整吊装深度，方便施工。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请的揭示，不脱离本申请范畴所做出的改进和修改都应该在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种聚能电爆破孤石方法，特征是，包括聚能电爆破碎孤石和打捞孤石两个过程，实现对浅部工程地铁建设基坑成槽和盾构掘进遇孤石或孤石群时利用聚能电爆进行精准破碎孤石；具体步骤为：

步骤1，预制好电爆护筒1、V形聚能射流器2；V形聚能射流器2下端设有小开口V形喷嘴，小开口V形喷嘴下端对应孤石18岩壁，小开口V形喷嘴呈正方形布设；

同时，预制好储水箱12、锥形射水管4、喇叭形打捞嘴3、残渣回流管5、残渣收集箱13；锥形射水管4底端设置的小开口喷嘴结构，储水箱12、锥形射水管4相互连通，残渣回流管5、残渣收集箱13相互连通；

步骤2，将电爆护筒1设置于在孤石18的上部，钻孔20内的地下水充满V形聚能射流器2的整个空间以及均匀充填在电爆护筒1的底端外围和喇叭形打捞嘴3、锥形射水管4的下部空间；

步骤3，通过控制高压储能放电系统8对高压储能器803内的能量进行放电，放电电能遇水17后致使V形聚能射流器2内部的温度迅速升高，并引起V形聚能射流器2内部的压力迅速升高并膨胀，在水17中形成高速扩张的水压冲击波，电能转化为高压爆炸式机械能并不断向外辐射能量，并迅速在V形聚能射流器2下端的小开口V形喷嘴处形成高能流，优先将高能流集中施加在其下端对应的孤石18的岩壁上产生集中压力能，而小开口V形喷嘴呈正方形布设，压力能沿孤石18表面形成正方形状聚能流，致使小开口V形喷嘴处的聚能高能流优先突破孤石18岩壁的极限承受强度，对孤石18呈漏斗状聚能破碎孤石；

步骤4，通过控制储水箱12内的水17高压压入锥形射水管4内，通过锥形射水管4底端设置的小开口喷嘴结构汇聚高压水的动态冲刷力，使高压水经过小开口喷嘴射向破碎后的孤石18时形成高速射流，致使高速射流能迅速作用于电爆破碎后的孤石块表面形成压力，驱使孤石破碎块随高压水流经喇叭形打捞嘴3流入残渣回流管5内排出至残渣收集箱13内以完成孤石18的破碎打捞。

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