一种公路隧道裂隙岩体光面爆破精细化控制方法

摘要

本发明涉及一种公路隧道裂隙岩体光面爆破精细化控制方法，如下步骤：S1获得光面爆破精细化控制所需参数；S2光面爆破精细化控制,根据钻孔内裂隙位置不放置炸药卷的原则进行装药，计算单孔装药量，确定水袋中水的量，针对不同完整性的钻孔，分别控制；S3爆破完成后，根据超欠挖量和半孔率的大小调整，单孔装药量和水量；S4再次钻孔并根据更新后的单孔装药量和水量再次爆破，依次循环，直至隧道完成。该方法在施工过程中不断进行动态调整的方法，还尽可能地精细控制爆炸的效果，达到控制爆破超欠挖的目的，提高炸药的利用率，减少炸药的损耗，降低工程成本。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道爆破领域，具体涉及一种公路隧道裂隙岩体光面爆破精 细化控制方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展和城市建设的不断推进，我国建设了大量的城 市公路、铁路、地铁隧道已经成为世界上隧道及地下工程最多，最复杂，发 展最快的国家。

目前的隧道光面爆破的一般流程如以下介绍：首先根据隧道段的地质构 造等实际情况，进行光面爆破设计，设计内容包括炮眼布置，光爆参数(主 要包括不耦合系数，光爆孔密集系数，线装药密度，光爆孔数量等)。炮眼布 置应以开挖设计轮廓线为基准，同时考虑预留变形的放大进行适当调整；光 爆参数的确定主要是参考过往施工经验得出理论值，再根据实际情况进行调 整。钻眼前，应认真校核炮眼布置是否符合要求，然后才开始钻孔。钻眼完 毕，按照炮眼布置图重新校核实际的炮眼布置情况。在符合炮眼布置的情况 下进行装药前准备，对钻孔进行清孔，根据光爆设计进行装药，起爆。

现有的隧道爆破容易造成爆破超欠挖,存在巨大的隐患，这不仅直接影响 隧道的爆破质量,还影响隧道的围岩稳定性、初期的支护数量和永久支护的混 凝土工程量,增加工程投资。引起爆破超欠挖的主要原因有：1、爆破时的药 量和装药方式。现有隧道爆破时，对所有钻孔都采用统一和单一的的装药结 构和方式，没有充分考虑到裂隙岩体钻孔中存在的裂隙对爆破的影响，这就 容易出现在钻孔的节理位置装药的情况，导致爆破效果不可控；另外现有爆 破时药量的使用，通常根据经验值进行，而没有根据钻孔的性质，以及钻孔 所在岩层的具体岩性描述进行分析，因此也容易造成爆破效果不可控，在爆 破后产生大量的爆破粉尘，影响施工环境，同时还降低了炸药的利用率，造 成了炸药的浪费，增加工程投资。2、现有技术爆破后的破碎岩石的碎块度大， 岩石破碎度不理想。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种能够有效控 制爆破超欠挖，且便于操作的公路隧道裂隙岩体光面爆破精细化控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种公路隧道裂隙岩体光 面爆破精细化控制方法，包括如下步骤：

S1：获得光面爆破精细化控制所需参数：

S101：在已有的公路隧道光面爆破设计所布置好的钻孔位置上进行钻孔， 所有当前钻孔由所有当前周边眼和所有当前辅助眼组成；

S102：爆破前隧道设计轮廓岩体断面上所有当前周边眼的数量记为N₂， 利用钻孔勘测设备对当前所有周边眼进行勘察，获得光面爆破精细化钻孔内 结构面参数,该光面爆破精细化钻孔参数包括钻孔长度L、钻孔内部1:1比例 全景图、钻孔与水平面之间的角度α、岩性描述和钻孔直径D；

S103：对获得的光面爆破精细化钻孔内结构面参数进行记录，并对钻孔 内部1:1比例全景图做如下处理：

将钻孔内部1:1比例全景展开图展开，并将展开后的钻孔内部1:1比例 全景展开图记为展开图，测量并记录展开图中钻孔内裂隙所处位置，裂隙走 向以及相邻两条裂隙之间间距d和裂隙的宽度s；

对当前周边眼所在岩体进行RQD评分，再根据RQD评分所得出的岩体级 别从而评价当前周边眼的完整性等级，将所有当前周边眼划分为完整性较好 的周边眼和完整性较差的周边眼两类；

S2：光面爆破精细化控制：

S201：取与当前周边眼长度相同的PVC管，该PVC管与当前周边眼紧配 合；

所述PVC管的侧壁上具有沿轴向设置的，用于将炸药卷从缝隙放入PVC 管内固定，同时在当前周边眼内放入多个水袋，所述水袋固定在PVC管上， 其固定位置处于PVC管的缝隙处，并且水袋与炸药卷相对应，每个炸药卷和 与其对应的水袋构成一个炸药卷组；

S202：根据S103对钻孔内部1:1比例全景图所做处理，在所述PVC管上 标注出当前周边眼内每条裂隙对应在PVC管上的位置，走向和每条裂隙宽度s， 每个PVC管内固定有多个炸药卷，并且每个炸药卷固定在PVC管上所标注的 相邻两个裂隙位置之间；

S203：取扣除第i个当前周边眼在光面爆破设计中的钻孔口封堵体积后 余下的周边眼体积为V_i，i＝1,2,3……N₂，第i个当前周边眼中单孔装药量的 体积为V_药i，第i个周边眼中的不耦合介质水的体积为V_水i，第i个周边眼中 空气的体积为V_空i，其中V_i＝V_药i+V_水i+V_空i，V_药i：V_水i：V_空i＝1:1.9:4.2；

根据V_药i算出第i个周边眼的单孔装药量Q_药i；

使i遍历其取值，计算得到每个当前周边眼的单孔装药量；每个当前周 边眼中所有炸药卷组中水的量和炸药卷的量比例相等；S204：对于完整性较 好的当前周边眼，水袋固定在位于完整性较好的当前周边眼中的PVC管上所 标注的相邻两个裂隙位置之间，并且水袋对准预留面；

对于完整性较差的当前周边眼，位于完整性较差的当前周边眼内的PVC 管中固定有EVA海绵，并且该EVA海绵对准预留面，水袋固定在位于完整性 较差的当前周边眼中的PVC管上所标注的相邻两个裂隙位置之间，并且水袋 对准预爆破面，EVA海绵的体积V_海绵与对应的当前周边眼中水的体积相等， 那么完整性较差的当前周边眼内中V_药：V_水：V_海绵：V_空＝1:1.9:1.9:2.3；

S205：在所有当前辅助眼中也相应的装上抓药卷，对所有当前周边眼和 所有当前辅助眼中的钻孔口的部分进行封堵，接通引爆装置引爆每个当前周 边眼中PVC管中的炸药卷和当前辅助眼中的抓药卷；

S3：爆破完成后，利用三维激光扫描仪扫描整个爆破后实际爆破开挖产 生的隧道轮廓面，并生成三维的CAD图，计算爆破后所得立体断面的超欠挖 量W和半孔率η；

W＝V₂-V₁，其中，V₁表示本次光面爆破后隧道实际的开挖体积，利用 生成的三维CAD图计算得到，V₂表示光面爆破设计所预计的开挖量，若W>0 则产生超挖，W<0则产生欠挖；

η＝N₁/N₂，其中，η表示半孔率，N₁表示爆破后沿其轴线被炸掉一半的 所有周边眼的数量，N₂表示爆破前隧道设计轮廓岩体断面上周边眼的数量。

S4：如果W≤15cm，η≥80％，爆破后产生的粉尘较少，且爆破后抛掷 出的岩石块度大于20cm，则令V′_水i＝V_水i，V′_药i＝V_药i(1+5％)，V′_空i＝V_空i- 5％V_药i，i＝1，2，…N₂，并用V′_水i更新S203中对应第i个周边眼中水的体 积V_水i，用V′_药i更新S203中对应第i个周边眼中单孔装药量的体积V_药i，V′_空i更 新S203中对应第i个周边眼中空气的体积V_空i；如果W>15cm，η<80％， 爆破后产生的粉尘较多，且爆破后抛掷出的岩石块度在15cm-20cm之间，则 令V′_药i＝V_药i(1-5％)，V′_水i＝V_水i(1+5％)，V′_空i＝V_空i-5％(V_水i- V_药i)，i＝1，2，…N₂，并用V′_水i更新S203中对应第i个周边眼中水的体积 V_水i，用V′_药i更新S203中对应第i个周边眼中单孔装药量的体积V_药i，V′_空i更 新S203中对应第i个周边眼中空气的体积V_空i；

S5：如果每个钻孔沿其轴线爆破的总长度已达到预设长度，则控制方法 结束；否则在爆破后的断面上，且沿S101中第i个当前周边眼的轴线继续钻 孔，i遍历其取值，将沿S101中第i个当前周边眼轴线所钻的孔记为第i个 周边眼，同时再沿所有辅助眼的轴线继续钻孔，并返回步骤102。

作为优化，所述炸药卷为直径小于25mm的小口径药卷。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明通过爆破前对钻孔进行勘测，根据岩石的RQD分类对钻孔进行评 分，对评分不同的钻孔采用不同的装药方式，尽可能地的提高爆破后岩石的 破碎程度，减少大块岩石，减少爆破超欠挖的情况，提高半孔率；通过对不 同完整性的钻孔，采用不同的装药方式，充分发挥炸药效能，还可以有效的 控制爆破产生的粉尘，减少对环境造成的影响；另外对不同类别的钻孔采取 不同的装药方式，尽可能地精细控制爆炸的效果，从而控制爆破超欠挖的情 况，同时还提高炸药的利用率，减少炸药的损耗，降低工程成本；在一次光 面爆破精细化控制实施过后通过先进的仪器扫描爆破面，计算超欠挖量和半 孔率，提高了工作效率也提高了数据的准确性，而后评价本次光面爆破精细 化控制的爆破成果，若未能达到设计的效果则在原有的基础上根据实际情况 对光面爆破精细化控制参数进行修正，然后再实施下一段隧道爆破开挖，直 到将光面爆破精细化控制参数优化到符合设计要求为止，是一个不断自我优 化的方法。

本发明能够解决上述的问题主要在于以下几个方面：根据现有的相关研 究，在钻孔爆破的过程中，由于对钻孔内部的节理分布实际情况不知情，盲 目的根据原有的设计统一的利用单一的装药模式进行爆破常常导致爆破后情 况不理想，超欠挖情况严重，爆破后粉尘较多，炸药能量的浪费，钻孔中在 进行光面爆破之前创新地利用钻孔勘测设备对钻孔的内表面的实际情况进行 调查，得出详细的钻孔光面爆破精细化参数，然后根据钻孔的光面爆破精细 化参数处理后得到钻孔的完整性评分，再根据钻孔裂隙位置处不装药这个原 则针对不同完整性的钻孔段有区别的不同的装药结构；装药结构中是水、空 气和炸药的不耦合装药结构，这种装药结构的优点是水介质的存在，由于水 的压缩性较小，爆炸后，应力波在水作为传播介质的传播过程中可以使得压 力均匀的作用在预爆破的岩体上，使得岩体破碎更均匀，而且水的吸附能力 可以有效减少爆破产生的粉尘；另外一种是EVA海绵和炸药的组合装药结构， 将海绵对准预留那部分岩体那一侧，可以使得炸药爆炸的冲击波被海绵部分 吸收，减少对预留岩体的爆炸应力。采用节理位置不装药主要是考虑到如果 在节理位置装药，炸药产生的爆炸波会沿着节理扩散到周围岩体中，增加了 产生爆破超挖的可能性，导致光面爆破效果的不可控，同时也是对炸药的浪 费。

附图说明

图1-为现有技术中钻孔排列图。

图2-为光面爆破精细化控制的装药原则图。

图3-为针对完整性较好的钻孔半圆形PVC管装药后的视图。

图4-为针对完整性较差的钻孔半圆形PVC管装药后的视图。

图5-为本发明方法的流程简图。

具体实施方式：

下面对本发明作进一步详细说明。

本发明中S1表示步骤1，S101表示S1中的01步骤，S102表示S1中的 02步骤，依次类推。

参见图2-图5，一种公路隧道裂隙岩体光面爆破精细化控制方法，包括 如下步骤：

S1：获得光面爆破精细化控制所需参数：

S101：在已有的公路隧道光面爆破设计所布置好的钻孔位置上进行钻孔 采用现有技术进行钻孔，所有当前钻孔由所有当前周边眼和所有当前辅助眼 组成；在进行爆破的过程中，采用分段式进行爆破，而在每次爆破过程中， 辅助眼会全部爆掉。

S102：爆破前隧道设计轮廓岩体断面上所有当前周边眼的数量记为N₂， 利用钻孔勘测设备对当前所有周边眼进行勘察，获得光面爆破精细化钻孔内 结构面参数,该光面爆破精细化钻孔参数包括钻孔长度L、钻孔内部1:1比例 全景图、钻孔与水平面之间的角度α、岩性描述和钻孔直径D；钻孔勘测设备 为现有设备。

S103：对获得的光面爆破精细化钻孔内结构面参数进行记录，并对钻孔 内部1:1比例全景图做如下处理：

将钻孔内部1:1比例全景展开图展开，并将展开后的钻孔内部1:1比例 全景展开图记为展开图，测量并记录展开图中钻孔内裂隙所处位置，裂隙走 向以及相邻两条裂隙之间间距d和裂隙的宽度s；

对当前周边眼所在岩体进行RQD评分，再根据RQD评分所得出的岩体级 别从而评价当前周边眼的完整性等级，将所有当前周边眼划分为完整性较好 的周边眼和完整性较差的周边眼两类；

具体地：根据该隧道施工前期的数据对钻孔所在的岩体进行RQD评分， 再根据RQD评分所得出的岩体级别来区别评价钻孔的完整性等级，钻孔完整 性等级与岩土等级一致，共分为五类，Ⅰ类完整性非常好的钻孔，Ⅱ类完整 性好的钻孔，Ⅲ完整性一般岩体的钻孔，Ⅳ完整性较差的钻孔，Ⅴ完整性非 常差的钻孔，本发明将这五类钻孔简单的分为两类，Ⅰ类和Ⅱ类钻孔规划为 完整性较好的钻孔，Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类钻孔规划为完整性较差的钻孔。

S2：光面爆破精细化控制：根据S1获得光面爆破精细化控制所需参数， 对不同完整性的钻孔按照钻孔内裂隙位置不放置炸药卷的原则进行装药，其 中炸药卷与辅材半圆形PVC管的结合方式，炸药卷的装填位置，炸药卷的装 填量和爆破不耦合介质的选取和装填，都根据以下情况进行调整。

S201：取与当前周边眼长度相同的PVC管，该PVC管与当前周边眼紧配 合；

所述PVC管的侧壁上具有沿轴向设置的，用于将炸药卷从缝隙放入PVC 管内固定，同时在当前周边眼内放入多个水袋，所述水袋固定在PVC管上， 其固定位置处于PVC管的缝隙处，并且水袋与炸药卷相对应，每个炸药卷和 与其对应的水袋构成一个炸药卷组；具体实施时，可以将PVC管对半剖开， 然后将炸药卷从缝隙放入，再通过胶布进行固定。水袋与炸药卷相对应即每 个炸药卷均对应有水袋，具体地，每个炸药卷对应多少个水袋根据不耦合介 质的量确定。

S202：根据S103对钻孔内部1:1比例全景图所做处理，在所述PVC管上 标注出当前周边眼内每条裂隙对应在PVC管上的位置，走向和每条裂隙宽度s， 每个PVC管内固定有多个炸药卷，并且每个炸药卷固定在PVC管上所标注的 相邻两个裂隙位置之间。参见图2，即每个炸药卷在固定时，避开在PVC管所 标注的裂隙的位置，从而避开了钻孔的裂隙，具体实施时，可以采用胶布将 炸药卷固定在炸药卷放置间隔内；不在钻孔裂隙位置装药的主要原因在于：1、 如果裂隙处装药会导致炸药爆炸能量的损失，避开裂隙可以起到提高炸药利 用率。2.如果裂隙处装药会导致爆炸的效果不可控制，炸药的能量会沿着裂 隙渗透到钻孔的其他地方，可能引起其他保留围岩的的破坏，造成围岩的不 稳定。

取扣除第i个当前周边眼在光面爆破设计中的钻孔口封堵体积后余下的 周边眼体积为V_i，i＝1,2,3……N₂，第i个当前周边眼中单孔装药量的体积为 V_药i，第i个周边眼中的不耦合介质水的体积为V_水i，第i个周边眼中空气的 体积为V_空i，其中V_i＝V_药i+V_水i+V_空i，V_药i：V_水i：V_空i＝1:1.9:4.2；

根据V_药i算出第i个周边眼的单孔装药量Q_药i；(即单孔所装抓药的质量)。

使i遍历其取值，计算得到每个当前周边眼的单孔装药量；每个当前周 边眼中所有炸药卷组中水的量和炸药卷的量比例相等；

S204：对于完整性较好的当前周边眼，参见图3，水袋固定在位于完整性 较好的当前周边眼中的PVC管上所标注的相邻两个裂隙位置之间，并且水袋 对准预留面；

对于完整性较差的当前周边眼，位于完整性较差的当前周边眼内的PVC 管中固定有EVA海绵，并且该EVA海绵对准预留面，水袋固定在位于完整性 较差的当前周边眼中的PVC管上所标注的相邻两个裂隙位置之间，并且水袋 对准预爆破面，EVA海绵属于辅助材料，侵占部分空气的体积，EVA海绵的体 积V_海绵与对应的当前周边眼中水的体积相等，那么完整性较差的当前周边眼 内中V_药：V_水：V_海绵：V_空＝1:1.9:1.9:2.3；

水的延展性，方便得到，价格低廉，水还可以是生活污水等。放置水袋 的目的是将爆炸波与岩体隔离，从而使爆炸波应力更加均匀的作用于岩体上。 利用海绵的缓冲作用保护预留面。钻孔的内表面沿其轴线可分为准预爆破面 和预留面，其中准预爆破面是钻孔内表面在爆炸中需要脱落的部分，而预留 面则是在钻孔内表面在爆炸中需要保留下来的部分。

S205：在所有当前辅助眼中也相应的装上抓药卷，对所有当前周边眼和 所有当前辅助眼中的钻孔口的部分进行封堵，封堵的长度按光面爆破设计取 值，是常量，接通引爆装置引爆每个当前周边眼中PVC管中的炸药卷和当前 辅助眼中的抓药卷；所有当前辅助眼中的装药方式，装药量都是采用现有技 术。

S3：爆破完成后，利用三维激光扫描仪扫描整个爆破后实际爆破开挖产 生的隧道轮廓面，并生成三维的CAD图，计算爆破后所得立体断面的超欠挖 量W和半孔率η；利用三维激光扫描仪扫描整个爆破后实际爆破开挖产生的隧 道轮廓面属于现有技术，将扫描后的结果生成三维的CAD图也属于现有技术。

W＝V₂-V₁，其中，V₁表示本次光面爆破后隧道实际的开挖体积，利用 生成的三维CAD图计算得到，V₂表示光面爆破设计所预计的开挖量，若W>0 则产生超挖，W<0则产生欠挖，由于出现W＝0的情况的机率很少故这里不考虑 W＝0时的情况。

η＝N₁/N₂，其中，η表示半孔率，N₁表示爆破后沿其轴线被炸掉一半的 所有周边眼的数量(即肉眼观察得到)，N₂表示爆破前隧道设计轮廓岩体断面 上周边眼钻孔的数量。

S4：如果W≤15cm，η≥80％，爆破后产生的粉尘较少，且爆破后抛掷 出的岩石块度大于20cm，则令V′_水i＝V_水i，V′_药i＝V_药i(1+5％)，V′_空i＝V_空i- 5％V_药i，i＝1，2，…N₂，并用V′_水i更新S203中对应第i个钻孔中水的体积 V_水i，用V′_药i更新S203中对应第i个钻孔中单孔装药量的体积V_药i，V′_空i更新 S203中对应第i个钻孔中空气的体积V_空i，即更新第i个当前周边眼中 V_药i：V_水i：V_空i＝V′_药i：V′_水i：V′_空i；说明超欠挖量较小，半孔率高，爆破后 粉尘较少，爆破后抛掷出的岩石块度大。

岩石块度即岩石的粒径，爆破后产生的粉尘较少，即爆破后进行隧道通 风，能够在30分钟以内将隧道里的粉尘排除。

如果W>15cm，η<80％，爆破后产生的粉尘较多，且爆破后抛掷出的 岩石块度在15cm-20cm之间，则令V′_药i＝V_药i(1-5％)，V′_水i＝V_水i(1+5％)， V′_空i＝V_空i-5％(V_水i-V_药i),i＝1，2，…N₂，并用V′_水i更新S203中对应第i 个钻孔中水的体积V_水i，用V′_药i更新S203中对应第i个钻孔中单孔装药量的体 积V_药i，V′_空i更新S203中对应第i个钻孔中空气的体积V_空i，即更新第i个 当前周边眼中V_药i：V_水i：V_空i＝V′_药i：V′_水i：V′_空i；

爆破后产生的粉尘较多，即爆破后进行隧道通风，将隧道里的粉尘排除 所需时间大于30min。

S5：如果每个钻孔沿其轴线爆破的总长度已达到预设长度(即隧道长度)， 则控制方法结束；否则在爆破后的断面上，且沿S101中第i个当前周边眼的 轴线继续钻孔，i遍历其取值，将沿S101中第i个当前周边眼轴线所钻的孔 记为第i个周边眼，同时再沿所有辅助眼的轴线继续钻孔，并返回步骤102。

作为优化，所述炸药卷为直径小于25mm的小口径药卷。采用小口径药卷 的目的主要是为了让爆炸更加均匀，小口径药卷可以折叠或折断，从而方便 增减药量。

该控制方法尽可能地的提高爆破后岩石的破碎程度，减少大块岩石，从 而减少爆破超欠挖的情况；同时还可以有效的控制爆破产生的粉尘，减少对 环境造成的影响；该控制方法在施工过程中不断进行动态调整的方法，还尽 可能地精细控制爆炸的效果，达到控制爆破超欠挖的目的，提高炸药的利用 率，减少炸药的损耗，降低工程成本。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案 的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。