路基邊坡數字化光面爆破設計研究

蘇 夢

(安徽建工檢測科技集團有限公司,安徽 合肥 230031)

0 引言

路基邊坡的設計與建設是公路工程中非常重要的一環,它涉及到公路的安全性、可靠性和經濟性等方面。在路基邊坡設計中,爆破技術是一種常見的施工方法,能夠有效地提高施工效率和節省施工成本。然而,在傳統的路基邊坡爆破設計中,由于缺乏數字化技術支持,設計人員往往只能依靠經驗和試錯的方法來進行設計,存在許多不確定性和風險。

近年來,數字化技術在爆破工程領域得到了廣泛的應用和推廣,研究數字化路基邊坡爆破設計的優勢和應用也成為了一個熱點問題。文獻[1]通過數字化技術進行了礦山爆破設計,取得了顯著的經濟效益。文獻[2]則探討了數字化技術在邊坡爆破設計中的應用,提出了一種基于三維數字化模型的邊坡爆破設計方法。文獻[3]則從數字化技術的角度,研究了爆破振動對周圍環境的影響。文獻[4]提出了一種數字化爆破振動監測方法,有效地監測了爆破振動對周圍環境的影響。文獻[5]則從數字化路基邊坡爆破設計的角度,探討了如何實現爆破設計的自動化和智能化。文獻[6]采用聲波測試手段對隧道爆破振動下路基邊坡的穩定性進行研究,研究了爆破次數對邊坡累積損傷的影響規律。文獻[7]利用有限元軟件建立了路基邊坡、橋梁的爆破三維模型,通過爆破過程中的實測振動數據,研究了路基邊坡爆破振動荷載作用下臨近橋梁的振動響應特征。文獻[8]采用聲波透射法對路基邊坡爆破后的巖體內聲波波速進行監測,引入損傷因子來研究多次爆破后路基邊坡的累積損傷模型,利用模型公式對邊坡巖體的黏聚力和內摩擦角進行強度折減,并利用有限元軟件對邊坡多次爆破后的安全系數進行計算研究。文獻[9]引以某隧道爆破施工為研究對象,設置藥量、距離等影響因子,建立爆破振速衰減模型公式,并將實測數據與計算數據進行對比分析,最后研究了爆破下振動能量在邊坡上的分布規律。這些文獻為本研究提供了重要的參考和借鑒,同時也展示了數字化技術在爆破工程中的廣泛應用和潛力。

文章基于前人研究的基礎上,旨在探討數字化路基邊坡爆破優化設計,可以更加準確地預測爆破效果,提高施工效率和安全性,同時還可以減少施工中的錯誤和損失,降低施工成本。

1 工程概況

滁天高速公路路基路面工程CT-03M01標路基土石方255.5萬m3,設置3處臨時棄土場,用于淤泥、清表土、挖除石方、自加工碎石等臨時堆放場所。工程挖方量極大,其中地質多為中風化玄武巖,K22+380—K23+340段挖方在20 m以上,最高深度為29 m。為了實現施工效率的提高和施工成本的節約,文章將采用數字化技術來進行路基邊坡爆破設計,并探討數字化路基邊坡爆破設計的優勢和應用。

2 爆破設計研究

2.1 基于三維激光掃描的原始地貌繪制

利用三維激光掃描技術,對待爆區實際地形地貌進行的實景掃描,可以高精度地獲取地形地貌信息,將原始地形地貌以數、圖方式真實呈現,并將繪制結果輸入爆破設計軟件,實現數字化路基邊坡爆破設計的基礎數據獲取。圖1為邊坡實景激光掃描過程,通過對坡面地貌進行非接觸式打點掃描,掃描網格間距為20 cm,將掃描的數據導入相關分析軟件,自動生成爆區巖體的形狀,可以為后續爆破方案設計和優化提供重要的數據支持及依據。同時,數字化路基邊坡爆破設計也能夠對邊坡穩定性進行全面評估和分析,以確定最優的爆破參數和方案。

圖2為依據三維掃描結果自動生成爆破巖體外側的形態。通過對待爆區實際地形地貌進行的精確測量,為設計軟件的精確布孔提供了數據支撐。對前排孔的位置和鉆孔角度的確定提供了設計依據,確保不出現因抵抗線過小而出現飛石的情況,控制爆破飛石的產生。

2.2 數字化爆破動態設計

爆破設計采用自動化設計軟件進行。首先,將地形地質條件,礦巖物理力學性質、地質構造、炸藥性能等信息輸入設計軟件,這些信息將為軟件自動進行完整的爆破設計提供必要的數據支持和依據。

計算機可以自動根據輸入的數據進行分析和計算,自動生成孔網參數(孔位、孔深、鉆孔角度)、裝藥參數(裝藥量、裝藥結構、堵塞長度)、起爆網路(起爆順序、起爆時差)等信息。這些參數將成為爆破方案的基礎數據,是施工前必須明確的關鍵參數。此外,爆破自動化設計軟件還可以自動生成孔網參數的三維視圖,如圖3所示,可以方便爆破工程師進行設計、審查和調整。

該設計結果能實現全三維視圖功能(主視、俯視、側視)和圖形縮放等功能,初步設計完成后,利用爆破效果預測和爆破振動預測功能對設計結果進行校核,校核結果滿足設計要求時,輸出最終的設計結果,指導下一步施工。如校核結果不滿足設計要求時,對設計參數進行自動化調整,再進行校核,直到設計結果滿足設計要求,輸出最終結果。

采用爆破自動化設計軟件進行爆破設計,不僅可以提高設計效率和準確性,而且可以避免人為因素對設計結果的影響。此外,爆破自動化設計軟件還可以根據實際情況進行動態調整和優化,以達到最佳的爆破效果。當完成整個路塹邊坡爆破設計后,所獲取的各種炮孔參數為后期的施工控制及監測量測的數字化和自動化提供了數據基礎。

2.3 高精度鉆孔控制系統

光面(預裂)孔鉆孔要求“對位準,方向正,角度精”,鉆孔精度是保證爆破質量的先決條件,長期的實踐表明,光面(預裂)爆破的成敗60%取決于鉆孔精度和質量。

在鉆孔精度控制方面,采用高精度鉆孔角度控制系統,該系統由三維電子羅盤和衛星定位系統組成,將該系統安裝在鉆機的鉆臂上,系統終端的屏幕隨時監控鉆機鉆臂的三維姿態和孔位,據此可隨時監測鉆臂的三維姿態,使鉆孔方向處于被監控狀態,方便及時調整鉆機誤差。其工作原理為:利用重力和地磁導航定向技術,迅速準確地判讀鉆孔的方向和傾角,以便糾正鉆孔方向,確保鉆孔精度和質量;利用高精度衛星定位系統確定鉆孔位置,確保鉆孔的孔位和間距。

2.4 爆堆形態預測

爆堆形態是衡量爆破效果的重要指標,它不僅反映了爆破參數、裝藥結構的合理性,而且直接影響鏟裝、運輸效率和經濟效益。基于位置的動力學法(PBD仿真)能對碰撞穿透問題實現簡單而有效的處理,可用來模擬爆堆形態。

通過臺階爆破作用機理可知,露天臺階爆破巖塊移動主要是由爆生氣體的膨脹做功引起的,所以可以假定巖塊是在應力波以及爆生氣體作用下完成破碎后才開始移動,從而將爆破過程分為爆破破碎過程和爆破運動過程,該模型并不關注爆破破碎過程,巖體的破碎塊是使用Voronoi塊體劃分來實現的,模型只對礦巖的爆破運動過程進行計算,獲得礦巖爆破位移和最終爆堆形態。臺階爆破巖塊拋擲運動規律見圖4。

2.5 爆破振動預測

關于爆破振動的預測,目前主要采用薩道夫斯基公式和經驗系數方法,K,α均為與爆破條件、場地地質條件等有關的系數,該參數由經驗和回歸分析確定。若想得到比較可信的K和α的值,需要利用該爆破現場的多次爆破振動測試數據,采用回歸分析法才能得到相應分析結果。但是通常受多種因素影響回歸分析的相關系數較低,近距離的爆破振動峰值計算誤差可達200%～300%,遠距離的計算誤差也有50%以上。數碼電子雷管的投入使用,可以實現對爆破延時的精確控制,保證設計延期與實際起爆時間相一致,這就為更準確預報爆破振動提供了基礎條件。文章設計采用一種與傳統統計預測方法完全不同的振動疊加預測模型,利用開發的軟件對信號解析和疊加計算,實現不同位置的爆破振動波形預測,輔助爆破設計參數的調整。

要控制爆破振動,必須清楚地了解爆破振動的傳播特性和衰減規律,必須通過振動實測結果來檢驗和調整爆破設計參數,因此需對爆破振動進行檢測,通過對振動波形和數據分析,指導爆破設計。

3 技術性能指標

爆破效果指標:主要包括爆破振動、爆破噪聲、爆破震動等方面。通過科學合理的設計和施工,可以最大限度地減小爆破效果對周圍環境和設施的影響,提高施工質量。

爆破方案設計指標:是衡量路基邊坡數字化光面爆破設計方案優劣的重要參數。主要包括爆破孔的布置方式、孔深、孔徑、藥量、裝藥方式等方面。通過對爆破方案進行優化,可以提高爆破效率,減少爆破成本。

安全指標:是評估路基邊坡數字化光面爆破設計安全性的重要參數。主要包括爆破過程中的作業安全、施工現場的安全等方面。通過合理的設計和安全措施,可以確保爆破作業過程的安全,避免人員和設施的損失。

4 效益分析

4.1 直接經濟效益

項目采用新材料與新工藝,開拓思路,勇于創新。首先,通過數字化技術的應用,可以提高爆破方案的設計精度,降低施工成本,縮短施工周期,減少施工過程中的浪費。這可以顯著降低工程投資,提高經濟效益。其次,數字化光面爆破設計可以提高施工效率和質量,減少施工事故和質量問題的發生,減少事故處理和維修成本,大量節約施工工期,安全環保,從而間接地提高了經濟效益。

4.2 社會效益

經過系統的分析,數字化技術的應用可以降低爆破過程對環境和周圍社區的影響,減少爆破振動、噪聲和震動等對周圍居民的干擾,提高了居民的生活質量。也可以縮短施工周期和減少施工現場的占用面積,降低施工過程對交通和社會秩序的影響。最后,數字化光面爆破設計可以提高爆破施工的效率和質量,保證道路工程的質量和安全,為社會提供更加便捷和安全的道路交通服務。因此我們建議在類似的工程中推廣應用。將研究開發成果匯總成相應的資料,力爭各項創新成果的關鍵技術達到國內領先水平或國內先進水平。

5 結語

本研究的結果表明,數字化光面爆破設計具有多種優勢,如提高了爆破施工效率和安全性、減少了設計和施工的時間及成本、保護了環境等。通過數字化光面爆破設計,可以充分利用現代科技手段,提高爆破施工的質量和效率,同時減少了人為因素的干擾,有效地保障了爆破施工的安全性。在今后的爆破工程設計和施工中,數字化光面爆破設計將會得到更廣泛的應用和推廣。隨著技術的不斷進步和更新換代,數字化光面爆破設計也將不斷完善和提升,成為現代爆破工程設計和施工的重要手段。同時,本研究也提出了一些需要進一步探索和研究的問題,如數字化光面爆破設計的適用范圍、技術的穩定性和可靠性等。這些問題的解決將為數字化光面爆破設計的進一步推廣和應用提供重要支持和保障。