CN113587760A - 热膨胀破岩管、硬岩地层基坑的组合破岩方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热膨胀破岩管、硬岩地层基坑的组合破岩方法，热膨胀破岩管包括外管，外管的内腔中装填热膨胀剂，热膨胀剂内预埋电点火头；膨胀剂封堵结构，设于外管内腔的两端，膨胀剂封堵结构将热膨胀剂封堵在外管内腔中；堵头，设于外管两端，以堵住外管内腔；点火头导线，与电点火头连接，并从外管和堵头之间的缝隙中引出。该组合破岩方法为热膨胀剂预裂破岩‑破碎锤法协同破岩方法。该热膨胀破岩管结构简单、操作方便、成本低廉，可在渗水潮湿的施工环境中使用；该组合破岩方法可提高破岩效率，降低破岩成本，提高破岩安全系数，破岩扰动较小、噪音小，操作流程简单，堵孔装药时间较短，对周边岩体或者邻近建筑几乎没有振动损伤。

Description

热膨胀破岩管、硬岩地层基坑的组合破岩方法
技术领域
本发明涉及基坑工程技术领域，具体而言，涉及一种热膨胀破岩管以及使用该热膨胀破岩管的城市硬岩地层基坑快速掘进的组合破岩方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展和土地的集约开发利用，城市地下空间工程、既有结构区域工程建筑密度越来越大，领近既有结构或建筑兴建新的工程难度越来越高，例如城市地铁、人防工程、高层建筑等基坑开挖项目。
针对这类基坑工程的开挖，若采用传统的钻爆法施工，则存在爆破振动大、噪音大、飞石等一系列问题，考虑到传统炸药爆破对邻近建筑、地表建筑以及周边居民生活造成不良影响，钻爆法往往受到限制。
为了降低爆破对围岩以及邻近建筑的振动损伤，工程上一般采用非爆破工艺对城市硬岩地层进行开挖。在非爆破工艺中，机械法开挖比较常用，如机械铣挖法、劈裂棒辅助开挖法、破碎锤破岩法等，这些方法在破岩效率和成本控制方面存在较大劣势。
另外，部分学者采用高压气体破岩，如液态CO2相变破岩技术，但由于其致裂管结构复杂、制作加工成本较高，液态二氧化碳储存、运输等条件要求高，并且对于坚硬岩石破岩效果并不好，该方法多被用在较为疏松的煤层和节理裂隙发育的中硬岩的爆破开挖中。另外，在渗水潮湿的施工环境中，现有的高压气体破岩方法会因产气剂泡水而失效。
因此，有必要提出一种新型的适用于城市硬岩地层基坑快速开挖的破岩方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种热膨胀破岩管、硬岩地层基坑的组合破岩方法，该热膨胀破岩管可在渗水潮湿的施工环境中使用，结构简单、操作方便；该组合破岩方法扰动小、噪音小、无飞石，可提高破岩效率、降低破岩成本、提高破岩安全系数。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种热膨胀破岩管，包括：
外管，外管的内腔中装填有热膨胀剂，热膨胀剂内预埋有电点火头；
膨胀剂封堵结构，设于外管的内腔的两端，膨胀剂封堵结构将热膨胀剂封堵在外管的内腔中；
堵头，设于外管的两端，以堵住外管的内腔；
点火头导线，与电点火头相连接，并从外管和堵头之间的缝隙中引出。
进一步地，外管和堵头为PVC材质。
进一步地，膨胀剂封堵结构为填充在热膨胀剂两端的快速凝固水泥材料。
进一步地，外管的长度为600mm-700mm，直径为70mm-80mm；热膨胀剂的装填长度为500mm-600mm；外管的内腔两端的膨胀剂封堵结构的长度均为50mm-100mm。
根据本发明的另一方面，提供了一种硬岩地层基坑的组合破岩方法，包括以下步骤：
步骤S1：在待施工基坑范围内的一个角处开挖一个作业坑，作为后续热膨胀破岩管破岩的自由面和集水井；
步骤S2：以作业坑作为临空面，在作业坑的壁面上钻取多个致裂孔；
步骤S3：将热膨胀破岩管放入致裂孔中，然后对致裂孔进行堵孔，并将所有热膨胀破岩管的点火头导线从致裂孔中引出并联连接，热膨胀破岩管采用本发明上述的热膨胀破岩管；
步骤S4：将点火头导线与起爆器连接，启动电源，实施破岩；
步骤S5：破岩后，用液压破碎锤法对已基本解体的岩石进行进一步地破碎分解，直至满足出渣要求，然后进行出渣作业；
步骤S6：以出渣作业后的基坑作为临空面，钻取多个致裂孔；然后重复步骤S3至步骤S5，逐步完成待施工基坑范围内多个区域的开挖。
进一步地，致裂孔的最小抵抗线为1m-1.5m，孔间距为1m-1.2m，孔深为3m-3.5m，孔径为90mm-120mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的热膨胀破岩管，结构简单、操作方便、成本低廉，可防水防潮，可在渗水潮湿的施工环境中使用，可避免热膨胀剂与外界直接接触，降低误燃的风险。
(2)本发明的组合破岩方法，破岩扰动较小、噪音小，操作流程简单，堵孔装药时间较短，对周边岩体或者邻近建筑几乎没有振动损伤。
(3)本发明的组合破岩方法，相较于单一的机械法破岩技术，大大提高了破岩效率，缩减了开挖周期，进而降低了开挖成本。
(4)本发明的组合破岩方法，相较于二氧化碳爆破技术，不需要携带笨重设备进入施工现场，热膨胀剂在运输、储存过程中安全系数较高，且成本低廉。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1的热膨胀破岩管的外部结构示意图。
图2为本发明实施例1的热膨胀破岩管的剖面图。
图3为本发明实施例2、3的组合破岩方法的操作流程图。
图4为本发明实施例3的开挖方案图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、外管；2、膨胀剂封堵结构；3、堵头；4、点火头导线；5、热膨胀剂；6、电点火头；7、作业坑；8、第一膨胀破岩区域；9、第二膨胀破岩区域；10、第三膨胀破岩区域；11、第四膨胀破岩区域；12、第五膨胀破岩区域；13、第六膨胀破岩区域；14、第七膨胀破岩区域；15、第八膨胀破岩区域；16、第九膨胀破岩区域；17、第十膨胀破岩区域；18、第十一膨胀破岩区域；19、第十二膨胀破岩区域。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于直接的连接，而是可以通过其他中间连接件间接的连接。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1：
参见图1和图2，一种本发明实施例的热膨胀破岩管，该热膨胀破岩管主要用于硬岩地层的破岩。该热膨胀破岩管主要包括外管1、膨胀剂封堵结构2、堵头3、点火头导线4、热膨胀剂5和电点火头6。其中，在外管1的内腔中装填有热膨胀剂5，在该热膨胀剂5的中心位置预埋设置有电点火头6；膨胀剂封堵结构2设置在外管1的内腔的两端，该膨胀剂封堵结构2将热膨胀剂5封堵在外管1的内腔中；堵头3设置在外管1的两端，用于堵住外管1的内腔；点火头导线4与热膨胀剂5内部的电点火头6相连接，并从外管1和堵头3之间的缝隙中引出。
热膨胀剂破岩是一种与传统爆破破岩机理不同的破岩技术，是以热膨胀剂所产生的高温、高压气体快速膨胀作用为主，含能材料瞬间燃烧对炮孔附近岩体的热冲击为辅的破岩技术。热膨胀剂破岩避免了传统炸药爆破振动大、噪音大、飞石等一系列问题，具有扰动小、噪音小、无飞石等特点。但是，热膨胀剂不能与水直接接触，当热膨胀剂与水接触后会降低其燃烧效果甚至失效。然而，基坑的积水是施工中常见的现象。
本发明上述实施例的热膨胀破岩管，将热膨胀剂5通过膨胀剂封堵结构2和堵头3封装在外管1的内腔中，在热膨胀剂5内埋设电点火头6，并将点火头导线4从外管1和堵头3之间的缝隙中引出，形成热膨胀破岩管；该热膨胀破岩管通过外管1、膨胀剂封堵结构2和堵头3等结构对热膨胀剂5起到防水防潮的作用，可在渗水潮湿的施工环境中使用；将热膨胀剂5封装在外管1中，避免了热膨胀剂5与外界接触，极大地降低了误燃的风险；该热膨胀破岩管结构简单、操作方便、成本低廉。
在本实施例中，外管1和堵头3均采用PVC材质。采用PVC材质的外管1和堵头3对热膨胀剂5进行包装，可有效避免热膨胀剂5与外界的接触，降低热膨胀剂5误燃的风险。膨胀剂封堵结构2为填充在热膨胀剂5两端的快速凝固水泥材料，该快速凝固水泥材料可以快速地对热膨胀剂5的两端进行封堵。该热膨胀破岩管中所用的热膨胀剂5可以是现有的热膨胀裂石剂，电点火头6、点火头导线4和快速凝固水泥材料均为市场上的通用材料。在本实施例中，外管1的长度为600mm，直径为70mm；热膨胀剂5在外管1内的装填长度为500mm；膨胀剂封堵结构2的长度为50mm。
该热膨胀破岩管的安装及使用方法如下：
首先将外管1任意一端用一个堵头3封堵，然后向外管1内装填50mm高度的快速凝固水泥材料，在外管1的内腔一端形成一段膨胀剂封堵结构2；
向上述外管1内装填热膨胀剂5，当热膨胀剂5充满外管1的内腔250mm的长度时，放入电点火头6，并引出点火头导线4，继续装填热膨胀剂5；
向上述已装填完热膨胀剂5的外管1内继续装填快速凝固水泥材料，直至快速凝固水泥材料充满外管1剩余空间，在外管1的内腔另一端形成一段膨胀剂封堵结构2，然后封上堵头3；
将上述制作完成的热膨胀破岩管放入致裂孔中，并用堵孔材料将致裂孔剩余空间填满；其中，致裂孔开设在作业坑7的壁面上；
将点火头导线4与起爆器连接，启动电源，实施破岩。
实施例2：
参见图3和图4，一种本发明实施例的硬岩地层基坑的组合破岩方法，该组合破岩方法采用热膨胀剂预裂破岩-破碎锤法协同破岩的方式，其中热膨胀剂预裂破岩采用本发明实施例1的热膨胀破岩管。该组合破岩方法包括以下步骤：
步骤S1：首先在待施工基坑范围内的一个角处开挖一个作业坑7，将该作业坑7作为后续热膨胀破岩管破岩的自由面和集水井；
步骤S2：以该作业坑7作为临空面，在作业坑7的壁面上钻取多个致裂孔，致裂孔的最小抵抗线为1.5m，孔间距为1m，孔深为3m，孔径为90mm；
步骤S3：将制作好的热膨胀破岩管放入致裂孔中，然后对致裂孔进行堵孔，并将所有热膨胀破岩管的点火头导线4从致裂孔中引出并联连接；
步骤S4：将点火头导线4与起爆器连接，启动电源，实施破岩；
步骤S5：破岩后，用液压破碎锤法对已基本解体的岩石进行进一步地破碎分解，直至破碎后的岩石满足出渣要求，然后对破碎后的岩石进行出渣作业；
步骤S6：以出渣作业后的基坑作为临空面，钻取多个致裂孔；然后重复上述的步骤S3至步骤S5，逐步完成待施工基坑范围内多个区域的开挖。
上述的硬岩地层基坑的组合破岩方法，通过热膨胀破岩管预裂破岩协同机械法破碎出渣的方式，可有效提高破岩效率、降低破岩成本、提高破岩安全系数。该组合破岩方法破岩扰动较小、噪音小，操作流程简单，堵孔装药时间较短，对周边岩体或者邻近建筑几乎没有振动损伤。相较于单一的机械法破岩技术，该组合破岩方法大大提高了破岩效率，缩减了开挖周期，进而降低了开挖成本；相较于二氧化碳爆破技术，该组合破岩方法不需要携带笨重设备进入施工现场，热膨胀裂石剂在运输、储存过程中安全系数较高，且成本低廉。该组合破岩方法适合于硬岩地层基坑的快速施工，尤其适合于城市区域邻近既有建筑的硬岩地层基坑施工。
应用实施例3：
参见图3和图4，一种本发明的硬岩地层基坑的组合破岩方法的具体应用实例。
步骤S1：先采用破碎锤在待施工基坑范围内的一个角处开挖一个平面尺寸为2m*2m，深3m的深坑(见图4中的作业坑7)，作为后续热膨胀破岩管破岩的自由面和集水井；
步骤S2：按照热膨胀破岩管的制作步骤制作一定数量的热膨胀破岩管；然后以步骤S1中的深坑作为临空面，在第一膨胀破岩区域8钻取一定数量的致裂孔，致裂孔的最小抵抗线为1.5m，孔间距为1m，孔深为3m，孔径为90mm；
步骤S3：将热膨胀破岩管逐个放入上述致裂孔中，用快速凝固水泥材料和碎石作为堵孔材料对致裂孔进行堵孔，并将所有热膨胀破岩管的点火头导线4引出并联连接；
步骤S4：将点火头导线4与起爆器连接，启动电源，实施破岩；
步骤S5：破岩后，用液压破碎锤法对已基本解体的岩石进行进一步地破碎分解，使破碎后的岩石达到基本的块粒度要求，以满足出渣要求，然后对破碎后的岩石进行出渣作业；
步骤S6：然后以第一膨胀破岩区域8出渣作业后的基坑作为临空面，钻取多个致裂孔，按照上述步骤S3至步骤S5中的方法对第二膨胀破岩区域9进行破岩施工；再按照同样的方式对第三膨胀破岩区域10、第四膨胀破岩区域11、第五膨胀破岩区域12、第六膨胀破岩区域13和第七膨胀破岩区域14进行破岩施工；在此过程中，破碎锤和挖机以第八膨胀破岩区域15、第九膨胀破岩区域16、第十膨胀破岩区域17、第十一膨胀破岩区域18和第十二膨胀破岩区域19作为工作平台；
步骤S7：待步骤S6开挖完成后，将破碎锤和挖机转移到已经开挖完成基坑区域内，然后采用步骤S3至步骤S5中同样的方法进行第八至第十二膨胀破岩区域的开挖。
参见图4，需要开挖的基坑体积为624m3(13m*16m*3m)。采用本发明的组合破岩方法一个循环的时间包括钻孔10分钟/个，装药5分钟/个，破碎并出渣3分钟/立方米。按照图4的分区进行预裂破岩，需钻孔123个，耗时20.5小时，装药总时间约为10.25小时，破碎并出渣总时间约为31.2小时。所以整个基坑开挖共耗时约61.95小时，若按一组工人每天工作10小时，该基坑开挖工程可在一周内完成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热膨胀破岩管，其特征在于，包括：
外管(1)，所述外管(1)的内腔中装填有热膨胀剂(5)，所述热膨胀剂(5)内预埋有电点火头(6)；
膨胀剂封堵结构(2)，设于所述外管(1)的内腔的两端，所述膨胀剂封堵结构(2)将所述热膨胀剂(5)封堵在所述外管(1)的内腔中；
堵头(3)，设于所述外管(1)的两端，以堵住所述外管(1)的内腔；
点火头导线(4)，与所述电点火头(6)相连接，并从所述外管(1)和所述堵头(3)之间的缝隙中引出。
2.根据权利要求1所述的热膨胀破岩管，其特征在于，所述外管(1)和所述堵头(3)为PVC材质。
3.根据权利要求1所述的热膨胀破岩管，其特征在于，所述膨胀剂封堵结构(2)为填充在所述热膨胀剂(5)两端的快速凝固水泥材料。
4.根据权利要求1所述的热膨胀破岩管，其特征在于，所述外管(1)的长度为600mm-700mm，直径为70mm-80mm；所述热膨胀剂(5)的装填长度为500mm-600mm；所述外管(1)的内腔两端的所述膨胀剂封堵结构(2)的长度均为50mm-100mm。
5.一种硬岩地层基坑的组合破岩方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在待施工基坑范围内的一个角处开挖一个作业坑(7)，作为后续热膨胀破岩管破岩的自由面和集水井；
步骤S2：以作业坑(7)作为临空面，在作业坑(7)的壁面上钻取多个致裂孔；
步骤S3：将热膨胀破岩管放入致裂孔中，然后对致裂孔进行堵孔，并将所有热膨胀破岩管的点火头导线(4)从致裂孔中引出并联连接，热膨胀破岩管采用如权利要求1～4中任意一项所述的热膨胀破岩管；
步骤S4：将点火头导线(4)与起爆器连接，启动电源，实施破岩；
步骤S5：破岩后，用液压破碎锤法对已基本解体的岩石进行进一步地破碎分解，直至满足出渣要求，然后进行出渣作业；
步骤S6：以出渣作业后的基坑作为临空面，钻取多个致裂孔；然后重复步骤S3至步骤S5，逐步完成待施工基坑范围内多个区域的开挖。
6.根据权利要求5所述的硬岩地层基坑的组合破岩方法，其特征在于，所述致裂孔的最小抵抗线为1m-1.5m，孔间距为1m-1.2m，孔深为3m-3.5m，孔径为90mm-120mm。
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