一种符合多振速要求的坐标点阵化隧道爆破药量计算方法

摘要

本发明公开了一种符合多振速要求的坐标点阵化隧道爆破药量计算方法，特别适用于在被保护建构筑物密集分布区内实施隧道爆破作业，且各建构筑物的振速控制要求不同时的安全药量计算。本发明首先根据隧道线性和建构筑物形状分别建立若干独立空间坐标系；其次通过坐标变换实现不同坐标系下点的距离的计算，找出隧道上某点到各被保护建筑物的最短距离及药量容许值，对不同建筑物计算得到的药量容许值应满足其振速控制要求；最后选取各药量容许值的最小值作为隧道上该点的安全药量，进而得到隧道全程各点的安全药量，作为隧道各点单独实施爆破作业时最大单段药量的参考值。本发明对城市隧道爆破精细化设计与施工具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明提出了一种符合多振速要求的坐标点阵化隧道爆破药量计算方法，尤其适用于城市隧道附近建构筑物众多且有不同振速控制要求时，同时满足多种振速要求的隧道爆破药量计算。

背景技术

近年来随着城市隧道项目的增多，采用钻爆法实施掘进施工的工作量大幅增加。在掘进施工中，由于爆破振动会影响隧道附近密集的建构筑物的安全，因此应时刻注意开挖断面和各建构筑物之间空间位置关系的变化。同时，由于不同建构筑物的振速控制要求往往也不一样，随着工作面不断推进，常常出现建构筑物的振速容许值高但离工作面较近、振速容许值低但离隧道较远的情况。因此在掘进过程中，如何根据多个建构筑物的振速容许值、隧道和建筑物的空间位置关系确定当前工作面的爆破参数(主要是单段最大药量)就成了一个复杂的数学问题。目前解决该问题主要有两种方法：1)将建筑物简化为一点，或直接以隧道埋深作为隧道至建筑物的最短距离，会导致结果的不精确；2)基于几何学的最新求解方法，可以称为“轮廓线外延法”，首先需要延长建筑物外轮廓线与隧道曲线的投影相交，在交点处将隧道分为若干段；其次对隧道各分段列出描述空间距离关系的方程；最后得到隧道各桩号对应的安全药量曲线。这种方法的缺点在于：当建构筑物众多，且外轮廓不规则时，会出现隧道分段过多，方程过于繁杂的问题，不便于快速得到结果，甚至无法求解。需要一种求解精度高、求解速度快，简明易懂可推广使用的新算法，以满足城市隧道精细化爆破药量设计的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种符合多振速要求的坐标点阵化隧道爆破药量计算方法。

本发明所采用的技术方案是：首先根据隧道线性和建构筑物形状分别建立若干独立空间坐标系；其次通过坐标变换实现不同坐标系下点的距离的计算，找出隧道上某点到各被保护建筑物的最短距离及药量容许值，对不同建筑物计算得到的药量容许值应满足其振速控制要求；最后选取各药量容许值的最小值作为隧道上该点的安全药量，进而得到隧道全程各点的安全药量，作为隧道各点单独实施爆破作业时最大单段药量的参考值。该方法具体包括如下步骤：

(1)隧道关联坐标系的建立与轨迹方程表述：

以隧道爆源的轨迹曲线表征隧道在空间中的走向。轨迹曲线一般由圆弧曲线段、缓和曲线段和直线段组合构成。对各条线段分别建立独立的坐标系，得到各线段在其对应坐标系下的轨迹方程；

(2)建筑物关联坐标系的建立与外轮廓的表述：

隧道外地表有多个被保护建筑物，对各建筑物建立独立坐标系，对每个建筑物的所有外轮廓线进行点阵化处理，可得到能够表征该建筑物外轮廓的点的集合；

(3)隧道任一点到各建筑物最短距离的求解：

通过坐标变换，将轨迹曲线上一点在其所在线段对应的坐标系下的坐标表达换算为该点在某一建筑物坐标系下的坐标，求解该点到表征该建筑物外轮廓的点集内所有点的距离，其中的最小值即为该点到该建筑物的最短距离，同理依次求解该点到各建筑物的最短距离；

(4)多控制振速要求下隧道各点安全药量值的求解：

将轨迹曲线上一点到其中一个建筑物的最短距离、该建筑物的振速容许值代入已知的爆破药量计算公式，得到符合该建筑物振速控制要求的药量容许值。对所有建筑物依次求解各自的药量容许值。比较所有药量容许值的大小，取其中最小值为轨迹曲线上该点满足所有建筑物振速控制要求的安全药量。以该点的桩号S信息表征该点，依次求解轨迹曲线上各点的安全药量Q，作S-Q曲线；

(5)爆破方案中最大单段药量的选取：

隧道采用钻爆法施工至桩号S处时，根据S-Q曲线选择对应的安全药量Q，作为爆破方案中的最大单段药量。

本发明方法考虑了不同建构筑物的振速控制要求，结合S-Q曲线选取隧道各点的最大单段药量可以确保隧道施工的安全性与高效性。安全性体现在隧道各点的安全药量都是通过计算得到的，必然满足各振速控制要求；高效性体现在隧道各点实际采用的药量都是振速要求允许条件下的最大药量，保证施工循环进尺。与现有技术相比，本发明的有益效果是避免了使用几何方法描述常规或异形建构筑物的外形轮廓，同时利用空间直角坐标系的坐标变换有效避免了此前需要列出复杂的空间距离方程。对于异形建构筑物具有较好的包容性，且不限制被保护建构筑物的数量。

附图说明

图1为隧道及建筑物坐标系的建立

图2为建筑物轮廓详图

图3为点N位置示意图

图4为坐标变换过程示意图

图5为3种振速下对应的桩号-药量(S-Q

图6为同时满足3种振速要求的桩号-药量(S-Q)曲线

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施案例并配合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明所依托的过程为重庆市江北区观音桥隧道，现根据观音桥隧道全程爆破药量计算对本发明方法作详细的说明，但本发明并不局限于该实施案例。

观音桥隧道位于重庆市江北区，考虑曲线特征和重点被保护建筑物分布区域，取隧道ZK1+159.560～ZK1+386.759段进行计算，如图1所示，该段线形分为缓和曲线段1、圆曲线段、缓和曲线段2，即ZK1+159.560～219.560为缓和曲线段1，ZK1+326.759～386.759为缓和曲线段2，中间部分ZK1+219.560～326.759为圆曲线段。隧道轮廓线外有重点保护建筑物：重庆市政设计研究院，富比帝小区和北城栖院，爆破振动容许值各不相同：市政设计研究院处振速容许值[v

(1)隧道坐标系的建立与方程表述：

缓和曲线用于连接直线段和圆曲线段，与直线段的连接点称为直缓点，与圆曲线段的连接点称为缓圆点。所取隧道从直缓点1(缓和曲线段1与直线段的交点)起，桩号S

1)缓和曲线段坐标系建立与方程表述

对于缓和曲线段1，其坐标系O

设曲线内任一点桩号为S

式中，(x

同理，对于缓和曲线段2，其坐标系O

设曲线内任一点的桩号为S

式中，(x

2)圆曲线段坐标系建立与方程表述

圆曲线段坐标系O

设X

式中，(x

(2)建筑物坐标系的建立与点的表达：

各建筑物的坐标系如图1所示，市政研究院记为建筑物A，坐标系为O

A的基底标高285.7m，直缓点1的海拔高度是257.2m，则竖坐标z

同理，B的基底标高298.3m，z

C的基底标高302.9m，z

(3)隧道点到各建筑物最短距离的确定：

以建筑物A为例，A的坐标系是O

第二次变换是坐标系O

图中各Z轴垂直纸面向外。为了MATLAB计算简便，将上述两式分别表达的旋转变换和平移变换统一表达为一可逆的4×4方阵如式所示：

可将点N在O

点N到A外轮廓点集T

利用MATLAB软件for循环语句依次计算点N到A外轮廓点集T

(4)多控制振速下安全药量的确定：

将R

式中，R

同理可以得到点N在建筑物B、C振速容许值[v

以上是本发明的一种实施案例，本方法对其他通过距离和控制振速计算药量的公式同样适用。根据以上列出的几个主要特征，满足这些特征的，均应视为本发明的同一类型。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明的保护范围。