CN114673160B - 一种二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备及施工方法 - Google Patents

Abstract

一种二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备及施工方法，该施工设备的二氧化碳激发管安装在二氧化碳爆破管内，二氧化碳爆破管内充填有液体二氧化碳，在挤淤填石的堤头淤泥中适当的位置安装充填好的二氧化碳爆破管，连接电源通电，点燃二氧化碳激发管，激发并气化二氧化碳产生高压二氧化碳气体，形成爆炸空腔，将淤泥挤出，抛填的石方滑落入二氧化碳挤出的空腔内，同时将已经填埋的石方进一步压实，重复抛石—挤淤的步骤，向前推进，同时对宽度不足之处进行侧向抛石—挤淤，形成稳定填石坝。采用本发明能够解决现有技术中采用集中药包，药量大、振动大，噪声大，对水生物伤害大的缺点，具有安全可靠、环保的特点。

Description

一种二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备及施工方法

技术领域

本发明涉及水下淤泥地区抛石筑坝、筑路技术领域，具体是一种二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备及施工方法，特别适用于水下淤泥地区抛石筑坝、筑路，具有操作挤淤范围大，布管操作简单方便，准备工作时间短，挤淤填石快捷，施工质量好的特点。

背景技术

目前，在水下淤泥地区抛石筑坝、筑路领域，用炸药爆炸进行挤淤填石时，由于采用集中药包，药量大、振动大，噪声大，对水生物伤害大。

发明内容

本发明的目的是提供一种二氧化碳爆炸挤淤填石的设备及其施工方法，采用二氧化碳爆炸挤淤填石代替炸药爆炸进行挤淤填石，能够解决现有技术中采用集中药包，药量大、振动大，噪声大，对水生物伤害大的缺点，具有安全可靠、环保的特点。

工作原理及过程：

二氧化碳爆炸挤淤填石基本原理是利用二氧化碳相变，将液态二氧化碳通过快速加热相变成气态二氧化碳，产生巨大压力，将淤泥向四周挤出并向上拋掷形成爆炸腔，.抛石体在爆炸腔负压和自身重力作用下滑落爆炸腔并形成石舌，实现泥石置换。继续爆炸挤淤填石，抛石体将石舌上部的淤泥挤出并与下层石舌相连，形成完整的抛填体。石舌的长度和厚度决定了该方法施工中每次爆破推进的长度以及能够置换的淤泥厚度。二氧化碳爆破管在淤泥下爆炸，淤泥被填石置换，主要是利用了二氧化碳相变爆炸与淤泥间受强烈载荷挤压的淤泥会在瞬间丧失强度和承载能力，上部的填石体在重力和负压作用下失稳并产生滑动，填石体的滑动加速其下沉和落底；并用二氧化碳爆炸对已填石进行压实加固

本发明提供的技术方案是：一种二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备，组成构件包括套管堵头、堵头吊环、激发管、爆破管、套管、堵头系绳、脱钩绳、系绳钩、系绳钩销、套管吊孔、点火导线、起吊钢丝绳以及挖掘机挖斗，组成构件的具体结构和连接关系为：

所述套管堵头位于套管的下部，套管堵头上面一侧设堵头吊环，堵头系绳一端与堵头吊环连接，另一端与系绳钩连接，系绳钩通过系绳钩销连接在套管上，系绳钩上设有脱钩绳，激发管安装在爆破管内，点火导线与激发管连接并从爆破管引出，爆破管装在套管内，爆破管下端压在套管堵头上，点火导线从套管上端凹口处引出，在套管上端凸起的管壁上设有套管吊孔，起吊钢丝绳穿过套管吊孔悬挂在挖掘机挖斗上。

一种二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法，包括如下步骤：

(1)将船上挖掘机改造为适用于吊装、；压入携带有二氧化碳爆破管的套管的挖掘机；

(2)根据淤泥的厚度和初步设计选择爆破管、套管的直径和长度，套管内径宜比爆破管外径大20mm～50mm。

(3)计算爆破管相变爆炸挤压爆炸腔半径及安装参数

r＝k(MRT/μhP)^1/2 (1)

K—激发管燃烧产生的气体影响系数，取1.2～1.5；

M—二氧化碳爆破管充装的液态二氧化碳质量，kg；

R—常数，8.31J/mol·K

T—爆后爆腔的温度，K；

μ—二氧化碳的摩尔质量，kg/mol

h—二氧化碳爆破管长度，m；

P—没起爆前二氧化碳爆破管受淤泥的压强，P_a。

二氧化碳爆破管安装间距

a＝1.6r (2)

每排安装爆破管数量：

S＝L/a+1

L—堤头下宽度，m。

(4)用混凝土或木头预制好套管堵头，备好套管下堵头系绳、不同长度的套管；

(5)将激发管装入二氧化碳爆破管，并接长点火导线，然后接入二氧化碳充气机，向二氧化碳爆破管充入液体二氧化碳；

(6)测量所爆地点的水深、淤泥厚度，计算二氧化碳爆破管理论埋深及爆坑大小，并在堤头填好适量的石方；

二氧化碳爆破管中心埋深

H＝[H_m+(r_w/r_m)H_w]/2 (3)

H—二氧化碳爆破管中心埋入水面下深，m；

H_m—水面到淤泥面深，m；

r_w—淤泥密度，kg/m³；

r_m—水的密度，kg/m³

H_w—淤泥厚度，m。

(7)将堵头安装在套管下端，系绳拉紧用活结固定在套管上端的挂钩上，从套管上端装入二氧化碳爆破管；

(8)将安装完成的套管用钢丝绳挂在挖掘机的挖斗上，然后吊运到爆破点上方，缓缓下放，让套管自然下沉到淤泥中，当套管下沉到一定深度不能自已下沉时，用挖掘机挖斗缓慢下压，直致将二氧化碳爆破管压到设计部位；

(9)将堵头系绳上端脱钩，缓慢拨出套管，收回点火导线；

(10)当堤头一排二氧化碳爆破管全部安装完成，测量线路导通，串联各二氧化碳爆破管点火导线；

(11)疏散设备、人员，做好警戒，将点火导线未端接入起爆器，充电起爆，将淤泥挤开，回填的石方滑落入挤出的空腔内；

(12)检测填石是否满足设计要求，符合重复2～9工序，进入第二循环施工；不符合，修改参数再试爆。

(13)采用钻孔探摸法，钻孔排距100m-500m，每排不少于3个钻孔，钻孔深入下卧层不少于2m，使填石与下卧层稳固结合。

所述套管内径大于爆破管外径，套管为钢管、塑料管或橡胶管。

所述布管机为吊机或挖掘机改装，安放在堤坝上或船上的，具有吊管、压管入淤泥功能。

所述爆破管为能够充装液态二氧化碳，同时内部安装有激发管的爆破管。

本发明的突出优点在于：

采用二氧化碳爆炸挤淤填石代替炸药爆炸进行挤淤填石，能够有效解决现有技术中采用集中药包，药量大、振动大，噪声大，对水生物伤害大的缺点，具有安全可靠、环保的特点。

附图说明

图1是本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备的结构示意图。

图2是本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备的套管堵头结构示意图。

图3是本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备的套管堵头俯视示意图。

图4是本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备的施工压入套管示意图。

图5是本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法中爆破管安装完成示意图。

图6是本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法中爆炸形成爆腔示意图。

图7是本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法中填石滑落形成石舌示意图。

图中标记为：套管堵头1、堵头吊环2、激发管3、爆破管4、套管5、堵头系绳6、脱钩绳7、系绳钩8、系绳钩销9、套管吊孔10、点火导线11、起吊钢丝绳12、挖掘机挖斗13、挖掘机臂14、挖掘机15、淤泥16、填石17、爆炸腔18。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

如图1至图7所示，本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石施工设备，组成构件包括：套管堵头1、堵头吊环2、激发管3、爆破管4、套管5、堵头系绳6、脱钩绳7、系绳钩8、系绳钩销9、套管吊孔10、点火导线11、起吊钢丝绳12、挖掘机挖斗13、挖掘机臂14、挖掘机15、淤泥16、填石17以及爆炸腔18。

组成构件的具体结构和连接关系为：套管堵头1位于套管5的的下部，堵头吊环2位于套管堵头1上面的侧边，堵头系绳6将堵头吊环2与系绳钩8连接来，并且用堵头系绳6将套管堵头1拉紧。堵头系绳6与系绳钩8采用可松脱活结连接，系绳钩8通过系绳钩销9连接在套管5的上端，系绳钩8可绕系绳钩销9转动；脱钩绳7与系绳钩8连接，拉动脱钩绳7可使系绳钩8旋转，堵头系绳6从系绳钩8脱出分离；激发管3安装在爆破管4内；点火导线11连接激发管3并从爆破管4引出，爆破管4从套管5的上部装入套管5内，下端压在套管堵头1上，点火导线11从套管5上端凹口处引出；在套管5上端凸起的管壁上设有套管吊孔10，起吊钢丝绳12穿过套管吊孔10悬挂在挖掘机挖斗13上，挖掘机15停放在填石17上，利用挖掘机15转动和挖掘机臂14的上下移动，将套管5移到需填石的淤泥16上方；爆破管4起爆后形成爆炸腔18。

实施例2

本实施例为本发明所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法，在水深3m，淤泥厚度5m，石堤上宽16m，下宽28m，长815m，施工包括以下步骤：

(1)确定二氧化碳爆炸挤淤填石参数:淤泥厚度5m，水深3m，确定二氧化碳爆破管的中心压强：

P＝0.1+0.03+1.4×0.05＝0.20mpa

注：大气压0.1mpa，水压强0.03mpa，淤泥压强1.4×0.05＝0.07mpa。

二氧化碳爆破管中心距水面埋深

H＝[H_m+(r_w/r_m)H_w]/2

＝[3+(1.4/1.0)×5]/2

＝5m

计算爆破管相变爆炸挤压爆炸腔半径，采用充装20kg的液态二氧化碳爆破管4

r＝k(MRT/μhP)^1/2

r＝1.3[2×10⁴×8.31×400/(44×3.14×1×0.2×10⁶)]^1/2

＝2.0m

二氧化碳爆破管安装间距

a＝1.6r＝1.6×2.0＝3.2m

每排安装爆破管数量：

S＝L/a+1＝28/3.2+1＝9.75个，取整数10个。

L—堤头下宽

(2)选择爆破管4的外径为200mm；制作套管5的内径为250mm，长度6.5m，壁厚0.5mm，并在套管5上用红油漆标明压入深度，制作套管堵头1；

(3)改造船上(或陆上)挖掘机15，使它们能适用吊装、压入携带有二氧化碳爆破管4的套管5；

(4)将二氧化碳爆破管4装入激发管3，并接长点火导线11，然后接入二氧化碳充气机，向二氧化碳爆破管4充入液态二氧化碳。

(5)在堤头堆放填石17，填石17的填高高于设计标高1.5～2.0m大块尽量填放在两侧，小块堆放在中部。

(6)将堵头1安装在套管5下端，堵头系绳6拉紧固定在套管5上端的系绳钩8上，从套管5上端装入二氧化碳爆破管4。

(7)将安装完成的套管5用钢丝绳挂在挖掘机15的挖斗上，然后吊运致爆破点上方，缓缓下放；让套管5自然下沉到淤泥中，当套管5下沉到一定深度不能自已下沉时，用挖掘机挖斗13缓慢下压，直致将套管5压至油漆标志线。

(8)向外拉固定在系绳钩8上的脱钩绳7，使系绳钩8向外旋转，将堵头系绳6上端从系绳钩8脱钩，套管堵头1与套管5的连接脱离，然后缓慢拨出套管5，将套管堵头1与爆破管4留在淤泥中，收回点火导线11。

(9)重复(6)～(8)，间距3.2m，将一排堤头的爆破管4安装完成。

(10)当堤头一排二氧化碳爆破管全部安装完成，串联各二氧化碳爆破管4点火导线11，测量点火导线路完好情况。

(11)疏散设备、人员，做好警戒；将点火导线11未端接入起器，充电起爆，将淤泥挤开，形成爆炸腔18，填石17在自身重力及空腔负压作用下滑落入挤出的爆炸腔18，气压同时压实前面抛填的填石；即完成一次二氧化碳爆炸挤淤填石工作。

(12)在工程完后，采用钻孔探摸法，钻孔排距200m，3排共9个钻孔，钻孔深入下卧层不少于2m，经检验，填石与下卧层结合良好，符合设计要求。

Claims (5)

1.一种二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将船上挖掘机改造为适用于吊装、压入携带有二氧化碳爆破管的套管的挖掘机；

(2)根据淤泥的厚度和初步设计选择爆破管、套管的直径和长度；

(3)按下列式(1)计算爆破管相变爆炸挤压爆炸腔半径及安装参数

r＝k(MRT/μhP)^1/2 (1)

K—激发管燃烧产生的气体影响系数，取1.2～1.5；

M—二氧化碳爆破管充装的液态二氧化碳质量，kg；

R—常数，8.31J/mol·K

T—爆后爆腔的温度，K；

μ—二氧化碳的摩尔质量，kg/mol

h—二氧化碳爆破管长度，m；

P—没起爆前二氧化碳爆破管受淤泥的压强，P_a；

按下列式(2)计算二氧化碳爆破管安装间距

a＝1.6r (2)

每排安装爆破管数量：

S＝L/a+1

L—堤头下宽度，m；

(4)用混凝土或木头预制好套管堵头，备好套管下堵头系绳、不同长度的套管；

(5)将激发管装入二氧化碳爆破管，并接长点火导线，然后接入二氧化碳充气机，向二氧化碳爆破管充入液体二氧化碳；

(6)测量所爆地点的水深、淤泥厚度，计算二氧化碳爆破管埋深及爆坑大小，并在堤头填好适量的石方；

按下列式(3)计算二氧化碳爆破管埋深

H＝[H_m+(r_w/r_m)H_w]/2 (3)

H—二氧化碳爆破管中心埋入水面下深，m；

H_m—水面到淤泥面深，m；

r_w—淤泥密度，kg/m³；

r_m—水的密度，kg/m³

H_w—淤泥厚度，m；

(7)将堵头安装在套管下端，系绳拉紧用活结固定在套管上端的挂钩上，从套管上端装入二氧化碳爆破管；

(8)将安装完成的套管用钢丝绳挂在挖掘机的挖斗上，然后吊运到爆破点上方，缓缓下放，让套管自然下沉到淤泥中，当套管下沉到一定深度不能自已下沉时，用挖掘机挖斗缓慢下压，直致将二氧化碳爆破管压到设计部位；

(9)将堵头系绳上端脱钩，缓慢拨出套管，收回点火导线；

(10)当堤头一排二氧化碳爆破管全部安装完成，测量线路导通，串联各二氧化碳爆破管点火导线；

(11)疏散设备、人员，做好警戒，将点火导线未端接入起爆器，充电起爆，将淤泥挤开，回填的石方滑落入挤出的空腔内；

(12)检测填石是否满足设计要求，符合重复2～9工序，进入第二循环施工；不符合，修改参数再试爆；

(13)采用钻孔探摸法，钻孔深入下卧层不少于2m，使填石与下卧层稳固结合。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法，其特征在于，步骤(2)所述套管内径大于爆破管外径，套管为钢管、塑料管或橡胶管。

3.根据权利要求1所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法，其特征在于，步骤(2)所述套管内径宜比爆破管外径大20mm～50mm。

4.根据权利要求1所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法，其特征在于，步骤(13)所述钻孔排距100m-500m，每排不少于3个钻孔。

5.根据权利要求1所述的二氧化碳爆炸挤淤填石的施工方法，其特征在于，步骤(2)所述根据淤泥的厚度和初步设计选择爆破管、套管的直径和长度为：爆破管的外径为200mm；套管的内径为250mm，长度6.5m，壁厚0.5mm，水深3m，淤泥厚度为5m。