隧道掘進爆破方案自動化系統(tǒng)設(shè)計研究

魏文義，李世才，李哲民，王 勇，羅利彬

(中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司 山東 濟南 250000)

當前，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，山嶺隧道建設(shè)和施工越來越多。其中，山嶺隧道開挖最常用的方法為鉆爆法。傳統(tǒng)的隧道掘進爆破方案設(shè)計多依據(jù)類似工程經(jīng)驗，設(shè)計人員采用CAD或其他繪圖軟件進行的手動設(shè)計，方案設(shè)計效率低[1-2]。受設(shè)計人員技術(shù)水平、工作經(jīng)驗以及爆破設(shè)計復雜性的影響，該爆破設(shè)計方案常常無法滿足隧道開挖需要。

近年來，國內(nèi)外許多學者針對隧道掘進爆破自動化、智能化設(shè)計開展了大量的研究，且大多是涉及計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的研究[3-6]。文獻[7]研究了一種用于數(shù)字礦山的跨平臺隧道爆破設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)建模、爆破參數(shù)設(shè)計、三維孔型三維爆破動畫生成和參數(shù)報表生成。文獻[8]研究了隧道掘進爆破設(shè)計與荷載計算系統(tǒng)。文獻[9]對巷道掘進爆破系統(tǒng)研究與開發(fā)進行了相關(guān)研究。另一方面，在國外，該方面的研究起步較早，因此獲得了較多的研究成果。如加拿大諾蘭達(Noranda)技術(shù)中心研發(fā)BLASTCAD系統(tǒng)[10]，可通過輸入設(shè)計參數(shù)自動輸出炮孔布置圖以及爆破方案設(shè)計書。澳大利亞澳瑞凱公司開發(fā)了Shotplus軟件[11]，該軟件主要針對大型露天礦，尤其是拋擲爆破，具有設(shè)計和評價功能。美國愛達荷礦業(yè)學院Marrtin Smith和Robert L.Hautala聯(lián)系計算機專家系統(tǒng)進一步開發(fā)出爆破專家系統(tǒng)，Cater.C.L研發(fā)出爆破管理軟件。

以上研究成果大多實現(xiàn)了特定工程類型的爆破方案設(shè)計，且研發(fā)輔助化軟件系統(tǒng)需要安裝軟件或者插件[12-13]，系統(tǒng)的普適性、便捷性和自動化水平較低。為此，本文依托寨山隧道工程，通過隧道爆破設(shè)計理論及爆破方案設(shè)計的分析，應(yīng)用現(xiàn)場試驗、軟件編程和互聯(lián)網(wǎng)+相結(jié)合的技術(shù)，研究并開發(fā)了隧道掘進爆破方案自動化設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)可直接通過瀏覽器進行使用，無需安裝插件，爆破方案設(shè)計流程化、自動化水平更高。

1 隧道爆破設(shè)計依據(jù)

隧道工程施工前，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、巖體可爆性、隧道斷面尺寸、開挖方法、循環(huán)進尺、鉆眼機具和爆破器材等做好鉆爆設(shè)計，合理地確定出炮孔的數(shù)目、間距、深度、角度，確定出炸藥單耗、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方法、起爆順序，安排好循環(huán)作業(yè)等，以便正確指導隧道鉆爆施工，達到預期的爆破效果。

(1)鉆爆法施工的基本要求[12]。①爆破時對圍巖的擾動破壞小，能夠保證圍巖的穩(wěn)定性。②爆破后能夠達到斷面的設(shè)計要求且隧道輪廓較為平整，超、欠挖量在允許最大超挖值范圍內(nèi)，并且盡量不出現(xiàn)欠挖的情況。 ③爆破后掘進進尺達到施工設(shè)計要求，工作面平整，炮根短淺。④爆破后的大塊率控制在合理范圍內(nèi)，拋擲位置相對集中，滿足裝渣作業(yè)的要求。⑤在保證爆破效果的情況下，盡量減少炮孔數(shù)量，減少鉆眼工作量、炸藥等爆破材料的耗量。⑥避免爆破對周圍機械等設(shè)備的破壞，減少施工對周圍環(huán)境的污染。

(2)炮眼布置。炮眼布置順序依次為掏槽眼、周邊眼、輔助眼。掏槽眼一般布置在開挖面中央偏下部位，目的是為其他炮眼的爆破創(chuàng)造新的臨空面，其炮眼深度通常比其他炮眼深15～20 cm。除掏槽眼和底部炮眼外，所有其他炮眼眼底應(yīng)落在同一垂直面上。底部炮眼深度一般與掏槽眼相同。周邊眼應(yīng)嚴格按照設(shè)計位置布置。為方便機械鉆眼、減少超欠挖、形成平整順滑的輪廓面，在設(shè)計周邊眼時要設(shè)置外插斜率，其取值為3%～5%。輔助眼設(shè)置在周邊眼和掏槽眼之間的位置，由里至外，逐層布置。

(3)裝藥量的計算及分配。合理的裝藥量應(yīng)根據(jù)所使用炸藥的性能，結(jié)合工程地質(zhì)條件、炮眼直徑及深度、爆破負擔巖體體積和爆破效果要求等條件進行確定。目前，通常先通過爆破體積公式計算出一個循環(huán)進尺的總用藥量，然后根據(jù)各類型炮眼的爆破特性和要求進行分配，在爆破實踐中加以檢驗和修正，直至取得良好的爆破效果。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 需求分析

為了實現(xiàn)隧道鉆爆法掘進開挖時炮孔與裝藥參數(shù)化設(shè)計和爆破方案的自動生成。①要引入隧道幾何參數(shù)，包括斷面大小、形狀等，依據(jù)圍巖條件確定圍巖等級、開挖工法、循環(huán)進尺等；②依據(jù)施工條件確定炮孔孔徑，通過編制炮孔參數(shù)生成方法和桌面交互式設(shè)計，實現(xiàn)炮孔參數(shù)的設(shè)計；③選用炸藥類型，依據(jù)工程地質(zhì)條件和爆破負擔巖體體積，通過經(jīng)驗公式生成裝藥參數(shù)，配置炮孔裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)裝藥參數(shù)設(shè)計；④通過編制爆破設(shè)計方案生成流程，依據(jù)上述設(shè)計步驟，實現(xiàn)爆破方案的自動生成。整個系統(tǒng)通過網(wǎng)頁端加載，配置用戶名和密碼，實現(xiàn)隧道爆破方案的在線瀏覽和交互設(shè)計。對系統(tǒng)的主要需求如下。

(1)用戶能夠流暢地訪問系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，對可能發(fā)生的錯誤進行捕捉，并及時對其進行反饋與處理。

(2)系統(tǒng)界面簡潔，操作簡單，用戶可對炮孔設(shè)計進行調(diào)整，例如對炮孔進行平移、縮放、刪除、添加等功能。

(3)支持參數(shù)化爆破設(shè)計，即通過導入爆破參數(shù)文件，可實時展示炮孔設(shè)計分布等參數(shù)，支持用戶交互，通過修改參數(shù)可實現(xiàn)炮孔設(shè)計的動態(tài)調(diào)整。

(4)根據(jù)爆破設(shè)計能夠方便有效地導出爆破設(shè)計方案文檔，實現(xiàn)與其他軟件的連接。

(5)簡單易用，不需要安裝任何插件或軟件，通過瀏覽器便可直接瀏覽、操作。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 總體設(shè)計

隧道爆破方案自動化設(shè)計總體設(shè)計如圖1所示。工程概況包括隧道類型、隧道里程、工程地質(zhì)條件、圍巖分級、圍巖單軸抗壓強度和埋深；隧道幾何參數(shù)包括斷面大小、形狀、開挖方式及子斷面劃分；炮孔參數(shù)包括炮孔類型、數(shù)量、深度、間距和傾角；裝藥參數(shù)爆破單孔裝藥量、總裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)；爆破方案自動生成包括工程概況、炮孔參數(shù)和裝藥參數(shù)的流程化導出和編輯，系統(tǒng)通過內(nèi)嵌炮孔和裝藥設(shè)計圖表，實現(xiàn)炮孔參數(shù)的形象展示和裝藥參數(shù)的統(tǒng)計，最終生成爆破設(shè)計方案文檔。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.2.2 隧道輪廓自動化生成

隧道輪廓參數(shù)化自動生成方法如圖2所示。

圖2 隧道輪廓參數(shù)化自動生成方法

首先依據(jù)設(shè)計文件，將隧道輪廓劃分為圓弧段和直線段，確定圓弧段與直線段的數(shù)量、直徑、角度等參數(shù)，應(yīng)用.txt編輯隧道輪廓組成參數(shù)；再應(yīng)用Canvas設(shè)置隧道輪廓的起始位置，一鍵導入.txt文件自動生成隧道輪廓。

2.2.3 隧道炮孔軟件設(shè)計

隧道炮孔布置軟件實現(xiàn)的方法如圖3所示，首先按照炮孔分類和炮孔生成順序，通過.txt文件參數(shù)化導入和界面手動交互輸入，初步生成炮孔數(shù)量、分布和傾角等布置參數(shù)；然后軟件提供交互添加、刪除、移動等功能，優(yōu)化生成最優(yōu)的炮孔布置設(shè)計。

圖3 炮孔布置軟件實現(xiàn)方法

2.2.4 炮孔裝藥量設(shè)計

炮孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計方法如圖4所示。

圖4 裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

首先，將炮孔布置參數(shù)自動生成表格，按照炮孔種類順序編號；然后，依據(jù)循環(huán)開挖進尺、每種炮孔負擔的爆破巖體體積和裝藥量經(jīng)驗公式綜合確定炮孔的裝藥量大小，并自動統(tǒng)計生成表格；最后，按照炮孔孔長和裝藥量，設(shè)置炮孔縱向長度方向的間隔裝藥結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)炮孔裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2.3 軟件技術(shù)

基于互聯(lián)網(wǎng)+的創(chuàng)新發(fā)展新形態(tài)，將互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)隧道爆破設(shè)計相結(jié)合，實現(xiàn)隧道爆破方案的網(wǎng)頁端加載和自動化設(shè)計。采用的軟件技術(shù)包括HTML5、Canvas和cookie與session登錄認證技術(shù)。

(1)HTML是萬維網(wǎng)的核心技術(shù)之一，它是在互聯(lián)網(wǎng)上創(chuàng)建和展現(xiàn)內(nèi)容的一種超文本標記語言。HTML5是新版本的HTML語言，具有新的元素、屬性和行為，它有更大的技術(shù)集，能夠創(chuàng)建出更多樣化和更強大的網(wǎng)站和應(yīng)用程序。HTML5提供更多數(shù)據(jù)與應(yīng)用開放接口，使外部應(yīng)用可以與瀏覽器內(nèi)部數(shù)據(jù)直接相連。

(2)Canvas是HTML5的新增組件，它就像是一塊幕布，可以用JavaScript在網(wǎng)頁上繪制各種圖表和動畫。在沒有Canvas時，只能借助Flash插件來實現(xiàn)繪圖，頁面必須使用JavaScript和Flash進行交互才能得以實現(xiàn)。有了Canvas，就可以直接使用JavaScript完成繪制，不再需要Flash插件。

基于cookie和session的登錄認證技術(shù)實現(xiàn)了網(wǎng)頁端的賬號、密碼登錄或手機驗證碼登錄。

3 工程實例驗證

3.1 工程概況

用戶在系統(tǒng)中創(chuàng)建隧道項目時，除了確定隧道名稱和隧道類型外，還需要對項目的工程概況進行編輯，主要包括工程地質(zhì)條件、工程要求等。該部分內(nèi)容將在最終的爆破設(shè)計方案中得以體現(xiàn)。隧道項目創(chuàng)建完成后，對隧道的里程段進行創(chuàng)建，其中主要包括里程段名稱、圍巖級別、模型輪廓、開挖工法和里程段概況。其中模型輪廓運用參數(shù)化繪制，用戶直接上傳隧道輪廓圓弧段直徑、角度等幾何參數(shù)文件，系統(tǒng)可運用Canvas直接繪制生成。

3.2 炮孔設(shè)計

在上傳隧道輪廓參數(shù)后，將進行炮孔的設(shè)計及布置，本系統(tǒng)炮孔設(shè)計布置采用參數(shù)化布置，通過上傳炮孔參數(shù)文件進行自動化炮孔布置，同時可對上傳的任意參數(shù)進行修改，在炮孔布置展示圖上可直接進行炮孔的添加、刪除等操作。

3.3 裝藥設(shè)計

在炸藥結(jié)構(gòu)模塊，可以對爆破采用的裝藥結(jié)構(gòu)進行選擇，裝藥結(jié)構(gòu)類型主要包括間隔、非間隔、耦合、非耦合裝藥，同時采用間隔裝藥時，可采用空氣間隔裝藥或水袋法間隔裝藥。在裝藥設(shè)計模塊，用戶針對各類型炮孔及逆行單孔裝藥量的設(shè)計，系統(tǒng)通過統(tǒng)計前面設(shè)計的炮孔數(shù)量參數(shù)，自動計算出總裝藥量。

3.4 導出爆破方案

爆破方案設(shè)計完成后，系統(tǒng)通過后端將爆破方案所涉及的圖表等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整合，自動生成爆破設(shè)計方案Word文檔，可直接進行導出。爆破設(shè)計方案文檔的導出便于用戶對其進行修改編輯。

4 結(jié)論

(1)依托寨山隧道工程，通過隧道爆破設(shè)計理論及爆破方案設(shè)計的分析，應(yīng)用現(xiàn)場試驗、軟件編程和互聯(lián)網(wǎng)+相結(jié)合的技術(shù)，研究并開發(fā)了隧道掘進爆破方案自動化設(shè)計系統(tǒng)，包括炮孔設(shè)計、裝藥量與炸藥結(jié)構(gòu)設(shè)計和爆破方案自動化生成。

(2)炮孔設(shè)計模塊采用參數(shù)化和界面交互式聯(lián)合方法，極大地提高了炮孔設(shè)計及繪圖效率，便于設(shè)計人員根據(jù)施工條件變化隨時調(diào)整炮孔參數(shù)。

(3)裝藥設(shè)計選定炸藥類型，依據(jù)工程地質(zhì)條件和爆破負擔巖體體積，通過經(jīng)驗公式生成裝藥參數(shù)，配置炮孔裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)，并可實現(xiàn)裝藥量自動統(tǒng)計。

(4)系統(tǒng)支持一鍵導出爆破設(shè)計方案，對前面各模塊的設(shè)計數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計整理，生成word文檔，導出后支持二次編輯。