用于竖直孔爆破的冲击塑形复合球状消能结构的制作方法
本发明涉及一种用于竖直孔爆破的冲击塑形复合球状消能结构，适用于水利水电、核电、交通等领域中的保护层岩体爆破开挖。
背景技术：
岩基面作为工程建筑物的基础，其开挖质量直接影响其上建筑物的稳定与安全。岩体爆破开挖过程中，由于爆炸荷载的作用，在完成岩石爆破破碎的同时，不可避免地对保留岩体产生动力损伤，其施工质量对岩基面的开挖质量密切相关。因此，亟需对常规爆破进行改进，在保证质量的同时，高效率地完成对岩基的开挖。为了降低爆破作用对基岩的影响，在坝基与边坡马道的开挖成型过程中，中国普遍采用了预留保护层的方法。在长期的工程实践中，一系列的保护层控制开挖方法得以总结和形成。常见的坝基保护层开挖方法有以下四种方法：传统的保护层分层爆破开挖法、孔底充填柔性垫层的小梯段孔间微差顺序起爆、水平预裂辅助以浅孔梯段爆破法以及保护层一次爆除的水平光面爆破法。保护层分层开挖由于开挖分层多达3层，施工干扰大，施工进度慢且施工步骤繁琐，“层层剥皮”的施工方法已越来越难以适应工程施工进度的要求；柔性垫层的施工方法的运用不适应裂隙发育、脆性较大的岩石，因此在很多工程中限制了其使用；水平预裂法施工方法较第一种工艺上先进，参数也容易确定，而且工效高，小梯段浅孔辅以水平预裂孔应用范围较广，对岩石地质条件要求较低，在大多数岩性条件下都可通过先起爆水平孔，再爆小梯段浅孔爆破的方式，利用水平预裂缝的隔震、反射应力波以及防止裂隙扩展的效果来有效地降低爆破对建基面的震动影响，并能有效阻止爆破产生和原有的裂隙扩张、层面的破坏作用延伸至建基面以及降低对预裂缝以下建基面保留岩体的损伤，同时可以大幅减轻建基面的清理工作，但水平预裂爆破孔的钻设需要垂直工作面，导致在施工中前次爆破的清渣工作与钻孔工作施工干扰大，影响施工进度。保护层一次爆除的水平光面爆破法能有效保护建基面岩体以及保持建基面平整，但同预裂法相似，爆破的清渣工作与钻孔工作施工干扰大，影响施工进度。
近年提出了在竖直炮孔中，在孔底利用消能-聚能装置反射改变应力波作用方向的方法，在试验中取得了良好的爆破效果。然而现有的消能-聚能结构呈圆锥或斜圆台形，受现有施工条件影响，钻孔形成的孔壁并不是光滑的，当从孔口从上往下放置消能-聚能结构，难免会与孔壁碰撞摩擦，造成卡孔，施工效率极其低下。另外，安装完成后，圆锥形结构绝大多数情况不水平，导致部分爆炸应力波会向下反射，反而对孔底加大了损伤。因此，在保证爆破开挖质量的同时，降低安装要求，提高施工进度，设计一种新的消能结构进行改进，促进其推广使用是有重要意义的。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于竖直孔爆破的冲击塑形复合球状消能结构，在竖直炮孔中该消能结构能够实现在控制保护层一次开挖质量的同时提高安装效率。
本发明采用的技术方案具体如下：
一种用于竖直孔爆破的冲击塑形复合球状消能结构，包括复合球状消能座和位于复合球状消能座下方的缓冲层，所述复合球状消能座主要由软质外球和包裹于软质外球内的硬质内球构成，软质外球和硬质内球的球心重合，呈现“外软内硬”的双层结构。
所述软质外球的直径为φ外＝φ炮孔-(4～6mm)，所述硬质内球的直径为
所述掺入铁砂的高强度混凝土包括水泥、水、铁砂和高效减水剂，其中，水灰比为0.24～0.28，水泥和铁砂的质量比为1:(1.6～3.0)，高效减水剂质量为水泥质量的1.0％～2.0％，具体配比与混凝土强度可根据实际情况选择。
上述水泥选择强度等级为42.5以上的硅酸盐水泥或掺有混合材料的硅酸盐水泥或其他水泥品种；
上述水泥优选强度等级为52.5的硅酸盐水泥。
所述的缓冲层厚度10～20cm，缓冲层材料可为细砂、岩粉、松沙中的一种或多种的混合。
所述复合球状消能座的中心线与爆破开挖基面平齐。
一种用于竖直孔爆破的冲击塑形复合球状消能结构，包括复合球状消能座和位于复合球状消能座下方的缓冲层，所述复合球状消能座主要由硬质外球和包裹于硬质外球内的软质内球构成，硬质外球和软质内球的球心重合，呈现“外硬内软”的双层结构。
所述硬质外球的直径为φ外＝φ炮孔-(4～6mm)，所述软质内球的直径为
所述掺入铁砂的高强度混凝土包括水泥、水、铁砂和高效减水剂，其中，水灰比为0.24～0.28，水泥和铁砂的质量比为1:(1.6～3.0)，高效减水剂质量为水泥质量的1.0％～2.0％，具体配比与混凝土强度可根据实际情况选择。
上述水泥选择强度等级为42.5以上的硅酸盐水泥或掺有混合材料的硅酸盐水泥或其他水泥品种。
上述水泥优选强度等级为52.5的硅酸盐水泥。
所述的缓冲层厚度10～20cm，缓冲层材料可为细砂、岩粉、松沙中的一种或多种的混合。
所述复合球状消能座的中心线与爆破开挖基面平齐。
本发明消能结构的消能原理：
对于“外软内硬”和“外硬内软”结构，为使得复合球状消能座能顺利放入炮孔底部，复合球状消能座与炮孔壁间留出(4～6)mm的间隙；考虑复合球状消能座结构在起爆后的冲击作用下不至于完全破碎，消能座从而失去反射应力波的作用，球座应具有一定结构强度，选择具有更高强度的高波阻抗混凝土或铸铁。
起爆后，应力波首先在消能座与空气界面发生透射与反射，对于反射部分应力波：
对于“外软内硬”结构的复合球状消能座，外部“软”性结构采用工程现场易于获得的素混凝土，内部“硬”性结构采用具有更高强度高波阻抗混凝土或铸铁。外部软性结构在被爆炸应力波破坏和塑性变形的同时，吸收一部分能量，此时外部软性结构呈椭球型，其上部外形曲率小于未变形的球形，改变了应力波反射的角度，相对减小应力波向孔底的反射，内部硬的球由于具有更高强度则能限制复合球状消能座结构破坏程度，使该结构发挥反射应力波的作用，促进上方岩体破碎，消能原理如图7。
对于“外硬内软”结构的复合球状消能座，爆炸应力波会将复合球状消能座的上部结构破坏，由于复合球状消能座中心为空，上部碎渣落入空的区域，使得复合球状消能座的中部高度要低于两侧，形成漏斗形结构，将应力波向上及斜上方反射，促进水平岩体的破碎，进一步加强了对孔底的保护，消能原理如图8。
对透射入消能座的应力波：
应力波传播到垫层与消能结构交界面处，由于高波阻抗材料的存在，使得垫层的波阻抗小于“外软内硬”和“外硬内软”消能结构的波阻抗，应力波在该界面上发生强反射，只有较少部分的应力波透射入以细砂、岩粉、松沙中的一种或多种的混合为材料的柔性垫层，垫层材料的大幅度变形和压实将进一步消耗入射应力波的能量，最后被急剧削弱的应力波穿透柔性垫层，作用于底部岩体。最终波在消能结构内不断发生反射与透射，爆炸引起的应力波在消能结构的变形与破碎，以及透射到垫层的应力波在垫层的压实与破碎的过程中被消耗，有效地降低了作用于炮孔底部的能量，起到保护炮孔底部保留岩体的作用。
无论“外软内硬”，还是“外硬内软”结构，其目的都是将冲击波引导向两侧水平岩体，避免冲击波向孔底传递，从而实现孔底保护。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：
1、相较于圆锥或斜圆台-圆柱形要求竖直安放的不便，球形无正反竖直之分，外表更为圆滑，受孔壁粗糙地影响小，安装时也无需夹持结构，待垫层铺好之后，直接将结构从炮孔孔口扔入即可，球座依靠自重即可到达炮孔底部，极大地提高了安装的便捷性，加快了施工进度。
2、相比于采用实心球型，本发明在爆炸应力波的作用下，球形消能座具有可二次塑性的特点，能发挥出更好的应力波发射效果。
3、球形结构相比于锥形，顶部无尖角，可以避免上部炸药在自重和下方尖角的挤压下产生自爆，提高了安全性。
4、发明成本低、易于操作；制作材料在工程中易于得到，用来制备消能座的模具只需炮孔直径一个关键资料，易于制作。
附图说明
图1为带“外软内硬”消能结构的竖直炮孔布置图；
图2为带“外硬内软”消能结构的竖直炮孔布置图；
图3为采用“外软内硬”消能结构的炮孔底部示意图；
图4为采用“外硬内软”消能结构的炮孔底部示意图；
图5为采用“外软内硬”消能结构的炮孔底部三维示意图；
图6为采用“外硬内软”消能结构的炮孔底部三维示意图；
图7为竖直炮孔中“外软内硬”消能结构的消能原理图；
图8为竖直炮孔中“外硬内软”消能结构的消能原理图。
附图中：1-堵塞段，2-炸药，3-复合球状消能座，4-缓冲层，5-建基面，6-掺入铁砂的高强度混凝土，7-空心球，8-素混凝土，9-炮孔壁。
具体实施方式
为了详细说明本发明的结构特点及具体操作步骤，下面通过实例，并结合附图，对本发明作进一步具体的说明。
实例1：
某水利水电工程的岩基爆破开挖工程，需要提高建基面的平整度。采用深孔台阶爆破，竖直炮孔，钻孔直径为φ炮孔＝90mm，岩基面水平，钻孔深度10m，其中超深0.3m，堵塞长度2m，孔间距为2.0～2.5m，采用孔底起爆方式。
采用本发明的“外软内硬”型孔底消能结构，具体实施步骤如下：
步骤1：预制消能结构，
根据设计炮孔直径，预制消能结构，结构形状如图3、5所示，尺寸要求：
φ内＝70mm，φ外＝84mm。
根据施工现场拥有的水泥、水、铁砂和高效减水剂的材料情况，制作高强度混凝土与普通素混凝土：现场试验选择波阻抗最大的混凝土配比(质量比)为水泥：水：铁砂：高效减水剂＝1190：285.7：2916：11.9，水泥采用强度等级为42.5的硅酸盐水泥，素混凝土采用42.5等级水泥。内球倒入高强度混凝土，外球倒入普通素混凝土，养护10d后，抗拉强度达到18mpa,抗压强度达到85mpa，纵波波速达到4.4km/s以上，进行下一步。
步骤2：钻竖直炮孔，控制孔底高程与钻孔直径，
首先对炮孔区域进行人工清理，并用高压风管吹面。对炮孔进行逐孔放样，点位用红油漆做明显标识。在爆区内严格按照爆破设计进行炮孔布孔，并对每个炮孔的孔口高程进行水准测量，根据实际孔口高程计算实际需要的造孔深度。
对布孔精度检查合格后进行钻孔作业，造孔结束后，测量钻孔的实际深度，根据钻孔深度和倾角来计算松砂或细小碎石的填放厚度，在炮孔底部填适当厚度的松砂或细小碎石粒，使所有炮孔底部处于同一高程。炮孔布置如图1所示。
步骤3：消能结构的安放，
从孔口将消能结构放入炮孔，靠自重使其自由滑入炮孔底部。
步骤4：装药，堵塞及起爆，
消能结构安放好后，继续向炮孔中装直径φ70mm药卷，直到装药完成，然后用碎沙石堵塞炮孔口，堵塞深度2m。最后在确认整个起爆网络安全以后，通过雷管引爆炮孔中的装药。
步骤5：爆破效果检测，
在爆破完成之后，可采用相关结构检验坝基的起伏差，对单个炮孔可利用声波检测结构来测量炮孔底部的损伤深度。和未采用消能球座的爆破对比，采用本发明的消能球座的爆破孔底损伤减少10％～20％。
实例2：
某水利水电工程的岩基爆破开挖工程，需要提高建基面的平整度。采用深孔台阶爆破，竖直炮孔，钻孔直径为φ炮孔＝90mm，岩基面水平，钻孔深度10m，其中超深0.3m，堵塞长度2m，，孔间距为2.0～2.5m，采用孔底起爆方式。
采用本发明的“外硬内软”型孔底消能结构，具体实施步骤如下：
步骤1：预制消能结构，
根据设计炮孔直径，预制消能结构，结构形状如图4、6所示，尺寸要求：
φ内＝15mm，φ外＝84mm。
根据施工现场拥有的水泥、水、铁砂和高效减水剂的材料情况，制作高强度混凝土：现场试验选择波阻抗最大的混凝土配比(质量比)为水泥：水：铁砂：高效减水剂＝1190：285.7：2916：11.9，水泥采用强度等级为42.5的硅酸盐水泥，内球留出空心，外球倒入高强度混凝土，养护10d后，抗拉强度达到18mpa,抗压强度达到85mpa，纵波波速达到4.4km/s以上,，进行下一步。
步骤2：钻竖直炮孔，控制孔底高程与钻孔直径，
首先对炮孔区域进行人工清理，并用高压风管吹面。对炮孔进行逐孔放样，点位用红油漆做明显标识。在爆区内严格按照爆破设计进行炮孔布孔，并对每个炮孔的孔口高程进行水准测量，根据实际孔口高程计算实际需要的造孔深度。
对布孔精度检查合格后进行钻孔作业，造孔结束后，测量钻孔的实际深度，根据钻孔深度和倾角来计算松砂或细小碎石的填放厚度，在炮孔底部填适当厚度的松砂或细小碎石粒，使所有炮孔底部处于同一高程。炮孔布置如图2所示。
步骤3：消能结构的安放，
从孔口将消能结构放入炮孔，靠自重使其自由滑入炮孔底部。
步骤4：装药，堵塞及起爆，
消能结构安放好后，继续向炮孔中装直径φ70mm药卷，直到装药完成，然后用碎沙石堵塞炮孔口，堵塞深度2m。最后在确认整个起爆网络安全以后，通过雷管引爆炮孔中的装药。
步骤5：爆破效果检测，
在爆破完成之后，可采用相关结构检验坝基的起伏差，对单个炮孔可利用声波检测结构来测量炮孔底部的损伤深度。和未采用消能球座的爆破对比，采用本发明的消能球座的爆破孔底损伤减少10％～20％。
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