CN109870086A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明提供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，包括：圆台，母线与底面呈45°夹角；半球体，上表面与圆台底面固定相连，下表面向下拱起成半球状，直径与圆台的底面直径相等；以及扁平充气空腔，形成在圆台和半球体内，为椭球体形状，以圆台与半球体的交界面作为对称面，并且长度方向为该对称面所在的水平方向，高度方向为圆台和半球体的轴线所在的垂直方向。本发明提供的消能体现场施工可操作行强，可结合各类垂直孔进行施工，并且能够实现***冲击波的完全反射，有效增大炮孔的侧向***破碎，避免炮孔底部损伤，大大提高建基面开挖施工效率和***质量；特别适用于含水炮孔条件下岩石基础面的开挖成型。

Description

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

技术领域

本发明属于工程***技术领域，具体涉及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。

技术背景

在水电工程，石化基地和核电工程等建设中，通常会面临大量的岩石基础开挖，岩石基础面作为工程建筑物的永久承载面，其开挖成型质量会直接影响上部建筑物的稳定和安全。钻孔***作为一种快速高效的岩石开挖方法，在完成***破岩的同时会产生一些诸如***振动和***损伤等负面影响，势必会对岩石基础面的成型质量产生一定的危害，因此岩石基础面的开挖成型和质量控制一直是进行钻孔***时的关键问题。为了最大程度地降低***荷载对保留岩体的损伤，在岩石基础面的开挖成型过程中，我国规范普遍推荐了一种预留保护层的开挖方法。在长期的开挖实践中，一系列的保护层开挖方法不断地出现和发展，常见的保护层开挖方法主要有以下几种：分层***开挖法、水平光爆开挖法、水平预裂开挖法和孔底设柔性垫层一次爆除法，这些方法在保护层开挖时都有着自己的优势和不足之处，分层开挖法的开挖成型效果好但是施工效率低下，水平光爆和水平预裂开挖法的开挖成型质量高但需要钻设水平孔、施工速度慢，孔底设柔性垫层一次爆除法由于不需要钻设水平孔，因此施工效率高，但是开挖成型和损伤控制效果较差。

针对于以上问题，中国专利CN201310170450.0公开了一种在炮孔底部施加锥形聚-消能结构的***开挖方法，中国专利CN201710189621.2公开了一种用于竖直孔***的冲击塑性复合球状消能结构，这两种方案分别在孔底布置了锥形和球形的高波阻抗垫块，用于反射***冲击波的能量，可以一定程度减少透射至孔底的***能量，进而减小孔底岩体的损伤深度。但是受现场施工条件限制，钻孔形成的孔壁不是绝对光滑的，孔壁往往会有各种碎石和凸起，当从孔口向孔底放置锥形消能结构时，不可避免地会与孔壁摩擦接触，常常会出现卡孔的情况，极大地影响了其现场可操作性；并且，锥形消能结构安装后底面基本难以保持水平状态，会导致***应力波向下发射，反而加剧孔底损伤。球形消能结构的优势在于可以变滑动为滚动，减少消能结构和孔壁的接触面积，遇到孔壁凸起和碎石时可以实现挤压滑落，现场施工时操作极其方便且不会出现卡孔情况，但是球形消能结构与***冲击波的接触面为球面，对***冲击波的实际反射消能效果要弱于锥形消能结构。另外，对于地下水位较高和炮孔内有水的情况，通过消能结构透射的***冲击波仍有可能通过水体入射到被保护的基础岩体。

因此，研究设计一种既能提高现场的施工效率和可靠性又能明显改善开挖成型效果和孔底***损伤控制的定向滑落消能体具有十分重要意义。

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，该消能体结构简单、可操作性强且开挖成型控制效果好，能够实现***冲击波的全反射。

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，包括：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，包括：圆台，母线与底面呈45°夹角；半球体，上表面与圆台底面固定相连，下表面向下拱起成半球状，直径与圆台的底面直径相等；以及扁平充气空腔，形成在圆台和半球体内，为椭球体形状，以圆台与半球体的交界面作为对称面，并且长度方向为该对称面所在的水平方向，高度方向为圆台和半球体的轴线所在的垂直方向。

优选地，本发明所提供的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，还可以具有这样的特征：设半球体的直径为Φ_球，则扁平充气空腔在水平面上的直径Φ_水平＝Φ_球-(10～15mm)。

优选地，本发明所提供的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，还可以具有这样的特征：设炮孔内设置的药卷的直径为Φ_药卷，扁平充气空腔在竖直面上的直径且Φ_水平＞Φ_药卷。

优选地，本发明所提供的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，还可以具有这样的特征：设安装高波阻抗定向滑落组合消能体的炮孔的直径为Φ_炮孔，则圆台的底面直径为Φ_底＝Φ_炮孔-(5～10mm)，顶面直径为

优选地，本发明所提供的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，还可以具有这样的特征：圆台和半球体均采用***时不发生破损的抗爆材料制成，扁平充气空腔内为空气。

优选地，本发明所提供的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，还可以具有这样的特征：圆台和半球体采用铸铁制成。

优选地，本发明所提供的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，还可以具有这样的特征：圆台和半球体中除扁平充气空腔外，其余部分均为实心，圆台和半球体的实心部分的纵波速度c_p均达到4500m/s以上。

发明的作用与效果

本发明提供的高波阻抗定向滑落组合消能体由于具有以上结构，因此置于炮孔的过程中，是采用滚动的形式和炮孔壁进行接触，能够实现与炮孔壁的挤压滑落，避免下落时发生卡孔；并且，在填装***后，上半部的圆台结构可有效避免药卷底部损伤；进一步，在炮孔内***起爆后，垂直入射到孔底的***冲击波会首先达到消能体的上部圆台，圆台顶部的平面结构可以反射由炮孔顶部垂直向下入射的***冲击波，而大量从圆台侧面入射的***冲击波，将被圆台侧面反射为水平向的***冲击波，使***冲击能量向水平方向聚集以增大圆台底面上部岩体的破碎；同时，内部的扁平充气空腔，由于长短轴尺寸不同，并且水平向尺寸较大，而且空腔内的波阻抗很小，因而能够完全反射经圆台表面透射来的冲击波，实现对***冲击波的“二次反射”，进而有效阻碍和防止***冲击波向孔底传播，最大限度地减少透射到炮孔底部的***能量，并使***冲击波尽可能多地向炮孔侧面反射，起到增大炮孔的侧向***破碎、保证建基面的开挖成型质量和控制孔底损伤深度等多重效果。

综上，本发明提供的高波阻抗定向滑落组合消能体现场施工可操作行强，可结合各类垂直孔进行施工，并且能够实现***冲击波的完全反射，有效增大炮孔的侧向***破碎，避免炮孔底部损伤，大大提高建基面开挖施工效率和***质量；特别适用于含水炮孔条件下岩石基础面的开挖成型。

附图说明

图1为本发明实施例中高波阻抗定向滑落组合消能体的立体图；

图2为本发明实施例中高波阻抗定向滑落组合消能体的截面图；

图3为本发明实施例中单个炮孔设置药卷后的结构示意图；

图4为本发明实施例中单个炮孔施工完成后的内部结构示意图；

图5为本发明实施例中高波阻抗定向滑落组合消能体的消能原理图。

图中，10为高波阻抗定向滑落组合消能体，11为圆台，12为半球体，13为扁平充气空腔，P为炮孔，Y为药卷，H为缓冲层，D为堵塞段。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的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的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1至4所示，本实施例所提供的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10包括圆台11(圆锥台)、半球体12以及扁平充气空腔13。

圆台11的母线与底面呈45°夹角，圆台11的底面直径Φ_底＝Φ_炮孔-(5～10mm)，顶面直径为式中Φ_炮孔为炮孔P的直径，Φ_药卷为药卷Y的直径。

半球体12的上表面与圆台11的底面相固定结合，下表面向下拱起成半球状，直径Φ_球与圆台11的底面直径相等，并且半球体12与圆台11共中轴线。

扁平充气空腔13形成在圆台11和半球体12内部，为椭球体形状，以圆台11与半球体12的交界面作为对称面，并且长度方向为该对称面所在的水平方向，高度方向为圆台11和半球体12的轴线所在的垂直方向。为了能够完全反射由圆台11顶部向下透射的***冲击波，扁平充气空腔13在水平面上的直径Φ_水平＝Φ_球-(10～15mm)，在竖直面上的直径且Φ_水平＞Φ_药卷。本实施例中，扁平充气空腔13的中空内部充满空气。扁平充气空腔13的中心与圆台11的中心和半球体12的球心共线。

另外，在本实施例中，圆台11和半球体12均采用具有高波阻抗并且***时不发生破损的抗爆材料于相应形状的模具内一体成型制得；并且，圆台11和半球体12的实心部分的纵波速度c_p均应达到4500m/s以上。具体地，可以采用高波阻抗铸铁制作，也可以采用高波阻抗混凝土制作(同时在保证一定温度和湿度的条件下进行养护)。当采用高波阻抗混凝土制作时，模具材质可以为廉价的透明塑料。

基于以上结构，高波阻抗定向滑落组合消能体10的整体重心位于圆台11与半球体12交界面的下方，这样有利于高波阻抗定向滑落组合消能体10依靠自重顺利下滑安装到位，避免高波阻抗定向滑落组合消能体10在由炮孔顶部滑落时，遇到孔壁碎石或凸起发生翻转和轴线偏移。

以下以具体***开挖工程为例，详细说明高波阻抗定向滑落组合消能体10的施工过程：

在某绿色石化基地乙烯装置基础***开挖工程中，需要严格控制***损伤和提高建基面的平整度。各乙烯装置的建基面均为水平基础面，现场***施工中采用竖直孔***，炮孔P直径为Φ_炮孔＝105mm，炮孔P深度为3～7m、其中超钻深度为20～30cm，孔间排距为1.5～3m，采用中部起爆的起爆方式。

现场区域地势较低、周围临海，加之岩体裂隙较为发育、地下水丰富，导致每个炮孔P中积水均较深，水是传递***能量的良好介质，由于炮孔P中有水的存在，因而会有相当一部分的***能量传入孔底，采用传统的***施工工艺来进行开挖成型和损伤控制的难度很大。采用本实施例中的高波阻抗定向滑落组合消能体10，如图3和4所示，具体施工方法为：

步骤1：钻设炮孔，用水准仪严格控制孔底高程

首先对爆区表面进行适量的人工清理，然后按照***设计中的炮孔布置图对炮孔P进行逐孔放样，利用水准仪进行高程测量以获得每个炮孔P所需要的造孔深度，并用红漆在每个炮孔P的孔口进行标记。

在钻孔过程中通过预先布置的高程控制点，严格控制钻孔深度，确保每个炮孔P的造孔误差不超过5cm。造孔结束后，再次测量每个炮孔P的实际深度，根据钻孔深度来计算填渣深度，并利用现场的钻灰和碎石进行填渣作为缓冲层H，以确保每个炮孔P的孔底在同一高程上。

步骤2：放置组合消能体

将高波阻抗定向滑落组合消能体10放入炮孔P孔口，并让其依靠自身重力定向滑落至炮孔P底部；使高波阻抗定向滑落组合消能体10的交界面与建基面尽量重合。

步骤3：装药起爆

待每个炮孔P中的高波阻抗定向滑落组合消能体10安装完毕后，按照***设计中的装药结构向炮孔P放置药卷Y至装药完毕，然后用碎石和钻灰堵塞形成堵塞段D，在所有炮孔P装药和堵塞都完成后，进行联网。最后在确认网路安全性之后，通过***引爆炮孔P中的药包进行岩石***。

如图5所示，在岩石***过程中，垂直入射到孔底的***冲击波会首先到达圆台11，圆台11的顶面可以反射由炮孔顶部垂直向下入射的***冲击波，而大量从圆台11侧面入射的***冲击波，将被圆台11侧面反射为水平向的***冲击波，使***冲击能量向水平方向聚集以增大圆台11底面上部岩体的破碎；同时，内部的扁平充气空腔13由于长短轴尺寸不同，并且水平向尺寸较大，而且扁平充气空腔13内的空气波阻抗很小，因而能够完全反射经圆台11表面透射来的冲击波，实现对***冲击波的“二次反射”，进而有效阻碍和防止***冲击波向孔底传播，最大限度地减少透射到炮孔底部的***能量，并使***冲击波尽可能多地向炮孔侧面反射，避免对孔底造成损伤，使得***冲击波无法通过水体入射到被保护的基础岩体。

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，包括：

圆台，母线与底面呈45°夹角；

半球体，上表面与所述圆台底面固定相连，下表面向下拱起成半球状，直径与所述圆台的底面直径相等；以及

扁平充气空腔，形成在所述圆台和所述半球体内，为椭球体形状，以所述圆台与所述半球体的交界面作为对称面，并且长度方向为该对称面所在的水平方向，高度方向为所述圆台和所述半球体的轴线所在的垂直方向。

2.根据权利要求1所述的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：

其中，设所述半球体的直径为Φ_球，则所述扁平充气空腔在水平面上的直径Φ_水平＝Φ_球-(10～15mm)。

3.根据权利要求2所述的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：

其中，设炮孔内设置的药卷的直径为Φ_药卷，所述扁平充气空腔在竖直面上的直径且Φ_水平＞Φ_药卷。

4.根据权利要求3所述的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：

其中，设安装所述高波阻抗定向滑落组合消能体的炮孔的直径为Φ_炮孔，则所述圆台的底面直径为Φ_底＝Φ_炮孔-(5～10mm)，顶面直径为

5.根据权利要求1所述的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：

其中，所述圆台和所述半球体均采用***时不发生破损的抗爆材料制成，

所述扁平充气空腔内为空气。

6.根据权利要求5所述的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：

其中，所述圆台和所述半球体采用铸铁制成。

7.根据权利要求1所述的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：

其中，所述圆台和所述半球体中除所述扁平充气空腔外，其余部分均为实心，并且实心部分的纵波速度c_p均达到4500m/s以上。