【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基坑开挖施工领域，具体涉及一种岩层破碎工具及使用该工具高效开挖基坑硬质岩层的方法。
技术介绍
1、基坑开挖施工时，常见的施工工况为土方开挖，此种情况土方挖运相对简单，施工耗时少，对整个基坑支护工程的工期、成本影响小。少数情况，如当地层上覆盖层薄，岩层出露早且岩层的强度较高时，石方开挖工程量大、难度高。
2、针对上述情况，采用机械破碎法利用镐头机高频振动岩体表层，岩体碎裂范围小，破碎效果甚微；此外破碎头遇硬岩容易损毁，且镐头机作业台班费用高，因此机械破碎法不适用于大范围基坑硬岩开挖。常规爆破法炸裂岩层范围广、效率高，但是对周边岩层扰动性强、安全隐患多，作业噪声污染大，火工品危险性高、使用限制多、审批流程复杂，因此常规爆破法不适用于周边环境复杂的基坑硬岩开挖。静态爆破法相较于常规爆破法，破碎过程中无震动、无飞石、无噪声污染，且静态爆破剂使用限制少；但是静态爆破反应时间较长，所需人力物力成本高，同样不适用于大范围基坑硬岩开挖。基于此，在周边环境复杂，爆破法使用受限；石方工程量大、岩体强度较高的基坑工程中，硬岩开挖面临极大的困难。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供一种岩层破碎工具及使用该工具高效开挖基坑硬质岩层的方法，所述破碎工具通过转变镐头机破碎硬质岩体的受力方向及受力部位，将岩体表层的竖向震动破碎转化为岩体内部的横向静力致裂破碎；同时采用特殊的方式，实现静力致裂的多级可控操作，避免致裂的断档。
2、为了达到上述技术目的，本专利技术提
3、所述膨胀方柱是由纵向四等分的四块方柱拼板组拼而成的上大下小的中空方柱结构，相邻两个方柱拼块之间磁吸连接，所述膨胀方柱中空区域形成与膨胀方柱外形相似的上大下小的第二中空方孔；
4、多级膨胀方柱的一级膨胀方柱底面对角线小于第一中空方孔上部较大孔口的对角线，一级膨胀方柱顶面对角线长度大于第一中空方孔上部较大孔口的对角线20～30mm，且一级膨胀方柱插入致裂圆柱的第一中空方孔后使组成致裂圆柱的多块圆柱拼块向外扩展；每级膨胀方柱中部第二中空方孔的尺寸均小于下一级膨胀方柱外形尺寸20～30mm，且每级膨胀方柱插入上一级膨胀方柱中部的第二中空方孔后致使组成上级膨胀方柱的四块方柱拼板向外扩展。
5、本专利技术较优的技术方案：在第一中空方孔的孔壁纵向开设有第一凹槽，在第二中空方孔的孔壁纵向开设有第二凹槽，在每级膨胀方柱的外壁均设有凸块；一级膨胀方柱外壁的凸块与致裂圆柱中部第一中空方孔孔壁的第一凹槽相匹配；每级膨胀方柱中部的第二中空方孔孔壁的第二凹槽均与下一级膨胀方柱外壁的凸块相匹配。
6、本专利技术较优的技术方案：所述致裂圆柱和多级膨胀方柱均采用高强度硬质合金材料制成；组成致裂圆柱的相邻两块圆柱拼块的拼接面设有相互匹配第一磁吸部件，组成膨胀方柱的相邻两块方柱拼板的拼接面也设有相互匹配的第二磁吸部件；每个拼接面至少设有两组磁吸部件，且均匀分布；每组磁吸部件包括相互吸附的第一磁铁构件和第二磁铁构件，第一磁铁构件和第二磁铁构件嵌设在圆柱拼块或方柱拼块的拼接面，且每个磁铁构件的露出面与圆柱拼块或方柱拼块的拼接面在同一个平面上。
7、本专利技术较优的技术方案：所述致裂圆柱是由纵向四等分的四块圆柱拼块组拼而成，长度为800～1500mm，致裂圆柱中部的第一中空方孔上孔口与下孔口对角线相差20～30mm。
8、本专利技术较优的技术方案：所述第一中空方孔设置在致裂圆柱的纵向中轴线上；所述第二中空方孔设置在膨胀方柱的纵向中轴线上；一级膨胀方柱插入第一中空方孔后致使多块圆柱拼块以致裂圆柱中心向外同时扩张；每级膨胀方柱插入上一级膨胀方柱的第二中空方孔后，致使上一级膨胀方柱的四块方柱拼板以膨胀方柱中心向外同时扩张，实现多级膨胀。
9、本专利技术较优的技术方案：所述第一凹槽设有四个，分别设置在第一中空方孔的四侧孔壁中分线上，且第一凹槽从上至下沿着第一中空方孔每侧孔壁中分线布设；每级膨胀方柱的第二中空方孔设有四个第二凹槽，分别设置在第二中空方孔的四侧孔壁中分线上，且第二凹槽从上至下沿着第二中空方孔每侧孔壁中分线布设；在每级膨胀方柱的外壁对应设有四个凸块，每个凸块对应布设在每个方柱拼板的中分线上。
10、本专利技术较优的技术方案：所述第一凹槽和第二凹槽均为直径10～12mm的弧形或半圆形凹槽，所述凸块为与其匹配的弧形或半圆形凸块。
11、为了达到上述技术目的，本专利技术还提供了一种效开挖基坑硬质岩层的方法，使用上述岩层破碎工具，配合钻孔设备及镐头机同时进行，其具体施工步骤如下：
12、s1.基坑开挖至出露硬质岩层后，清理周边土层，勘测硬质岩层的范围、硬度及裂缝位置，根据岩层的硬度及裂缝位置选取适当的钻孔间距，布设方格网状准备钻孔；
13、s2.使用钻孔设备在岩体上钻孔，每钻设一个孔，在钻孔中插入一个致裂圆柱，钻孔及致裂圆柱完成后，开始从岩体中部钻孔位置开始向四周的每个钻孔中的致裂圆柱内依次压入一级膨胀方柱；
14、s3.将每个一级膨胀方柱的小直径端朝下对准致裂圆柱的第一中空方孔插入部分，然后再使用镐头机高频震动一级膨胀方柱使其全部进入致裂圆柱内，一级膨胀方柱完全压入对应的致裂圆柱中，在压入过程中致使组成致裂圆柱的多块圆柱拼块向外扩展，将竖向震动破碎转化为岩体内部的横向静力致裂破碎；
15、s4.在所有的一级膨胀方柱压入对应的致裂圆柱后，如果观察岩体中已产生明显裂纹，且致裂圆柱与岩体间已松动；则取出膨胀方柱及致裂圆柱，采用镐头机对开裂岩体进行二次破碎，直至可以搬运；
16、s5.如果观察岩体中产生裂纹较少，致裂圆柱与岩体间无松动，则再次向一级膨胀方柱中重复s3步骤压入二级膨胀方柱，并继续观察岩体裂缝情况；如达到s4步骤中的条件，则取出膨胀方柱及致裂圆柱，采用镐头机对开裂岩体进行二次破碎，直至可以搬运；如达不到s4步骤中的条件，则可继续压入三级至n级级膨胀方柱，直至岩体中产生明显裂纹，且致裂圆柱与岩体间松动后，重复s4步骤完成岩体的破碎和搬运。
17、本专利技术较优的技术方案：所述步骤s1中钻孔间距为2～5m，钻孔优先选择裂缝部位。
18、本专利技术相较于传统的镐头机破碎，不局限于岩体表层的破碎，将岩体表层的竖向震动破碎，转变为岩体内部的横向静力致裂破碎，提升了岩体的破碎效率。此外在现场已有镐头机的情况下，仅添加少数装置配合镐头机使用，无需增加现场机械设备，且大幅减少镐头机的使用时间，降低了设备租赁费用。因此采用本专利技术专利方法，既可缩减硬质岩体的破碎时间，提升效率；又可降低破碎岩体所用机械设备整体耗时，节约成本，充分实现工程建设降本增效的目的。
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1.一种岩层破碎工具，其特征在于：所述工具包括致裂圆柱(1)和多级上大下小的膨胀方柱(2)，所述致裂圆柱(1)是由纵向等分的多块圆柱拼块(100)组拼而成的上大下小的圆柱体结构，多块圆柱拼块(100)以圆柱中心发出的射线切割等分而成，相邻两个圆柱拼块(100)之间磁吸连接，在致裂圆柱(1)中部纵向设有与膨胀方柱(2)外形相似的上大下小的第一中空方孔(101)；
2.根据权利要求1所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：在第一中空方孔(101)的孔壁纵向开设有第一凹槽(102)，在第二中空方孔(201)的孔壁纵向开设有第二凹槽(202)，在每级膨胀方柱(2)的外壁均设有凸块(203)；一级膨胀方柱外壁的凸块(203)与致裂圆柱(1)中部第一中空方孔(101)孔壁的第一凹槽(102)相匹配；每级膨胀方柱(2)中部的第二中空方孔(201)孔壁的第二凹槽(202)均与下一级膨胀方柱外壁的凸块(203)相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：所述致裂圆柱(1)和多级膨胀方柱(2)均采用高强度硬质合金材料制成；组成致裂圆柱(1)的相邻两块圆柱拼
4.根据权利要求1或2所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：所述致裂圆柱(1)是由纵向四等分的四块圆柱拼块(100)组拼而成，长度为800～1500mm，致裂圆柱(1)中部的第一中空方孔(101)上孔口与下孔口对角线相差20～30mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：所述第一中空方孔(101)设置在致裂圆柱(1)的纵向中轴线上；所述第二中空方孔(201)设置在膨胀方柱(2)的纵向中轴线上；一级膨胀方柱插入第一中空方孔(101)后致使多块圆柱拼块(100)以致裂圆柱(1)中心向外同时扩张；每级膨胀方柱插入上一级膨胀方柱的第二中空方孔(201)后，致使上一级膨胀方柱的四块方柱拼板以膨胀方柱中心向外同时扩张，实现多级膨胀。
6.根据权利要求2所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：所述第一凹槽(102)设有四个，分别设置在第一中空方孔(101)的四侧孔壁中分线上，且第一凹槽(102)从上至下沿着第一中空方孔(101)每侧孔壁中分线布设；每级膨胀方柱(2)的第二中空方孔(201)设有四个第二凹槽(202)，分别设置在第二中空方孔(201)的四侧孔壁中分线上，且第二凹槽(202)从上至下沿着第二中空方孔(201)每侧孔壁中分线布设；在每级膨胀方柱(2)的外壁对应设有四个凸块(203)，每个凸块(203)对应布设在每个方柱拼板(200)的中分线上。
7.根据权利要求2所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：所述第一凹槽(102)和第二凹槽(202)均为直径10～12mm的弧形或半圆形凹槽，所述凸块(203)为与其匹配的弧形或半圆形凸块。
8.一种高效开挖基坑硬质岩层的方法，其特征在于使用权利要求1至7中任意一项所述的岩层破碎工具，配合钻孔设备及镐头机同时进行，其具体施工步骤如下：
9.根据权利要求8所述的一种高效开挖基坑硬质岩层的方法，其特征在于：所述步骤S1中钻孔的间距为2～5m，钻孔优先选择裂缝部位。
...【技术特征摘要】
1.一种岩层破碎工具，其特征在于：所述工具包括致裂圆柱(1)和多级上大下小的膨胀方柱(2)，所述致裂圆柱(1)是由纵向等分的多块圆柱拼块(100)组拼而成的上大下小的圆柱体结构，多块圆柱拼块(100)以圆柱中心发出的射线切割等分而成，相邻两个圆柱拼块(100)之间磁吸连接，在致裂圆柱(1)中部纵向设有与膨胀方柱(2)外形相似的上大下小的第一中空方孔(101)；
2.根据权利要求1所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：在第一中空方孔(101)的孔壁纵向开设有第一凹槽(102)，在第二中空方孔(201)的孔壁纵向开设有第二凹槽(202)，在每级膨胀方柱(2)的外壁均设有凸块(203)；一级膨胀方柱外壁的凸块(203)与致裂圆柱(1)中部第一中空方孔(101)孔壁的第一凹槽(102)相匹配；每级膨胀方柱(2)中部的第二中空方孔(201)孔壁的第二凹槽(202)均与下一级膨胀方柱外壁的凸块(203)相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：所述致裂圆柱(1)和多级膨胀方柱(2)均采用高强度硬质合金材料制成；组成致裂圆柱(1)的相邻两块圆柱拼块(100)的拼接面设有相互匹配第一磁吸部件(3)，组成膨胀方柱(2)的相邻两块方柱拼板(200)的拼接面也设有相互匹配的第二磁吸部件(4)；每个拼接面至少设有两组磁吸部件，且均匀分布；每组磁吸部件包括相互吸附的第一磁铁构件和第二磁铁构件，第一磁铁构件和第二磁铁构件嵌设在圆柱拼块(100)或方柱拼块(200)的拼接面，且每个磁铁构件的露出面与圆柱拼块(100)或方柱拼块(200)的拼接面在同一个平面上。
4.根据权利要求1或2所述的一种岩层破碎工具，其特征在于：所述致裂圆柱(1)是由纵向四等分的四块圆柱拼块(100)组拼而成，长度为800～15...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡建伟，刘昊东，陈学龙，庞成立，赖宇涛，
申请(专利权)人：中冶武勘工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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