隧道掘进钻爆设计信息管理系统的构建与实现

李迎凯 曾玉生

目前隧道掘进施工中，主要采用钻孔爆破法，钻爆作业是其最重要的一个环节。在一个掘进作业循环的全部时间内，钻爆工作量约占40%～60%，而且技术也比较复杂。爆破效果的好坏直接影响后续铲装工作能否顺利进行。然而钻爆设计工作大都是靠人工、凭经验，存在设计计算和绘图工作量大、繁琐、易出错和资料的积累、查询工作复杂等弊端。随着计算机应用技术的发展，实现钻爆设计的自动化是完全有可能的。事实上国内外在计算机辅助钻爆设计方面也已进行了有益的尝试和探索，并取得了一定的进展。本文在此基础上结合钻爆设计现状和施工过程中所需信息构建开发隧道掘进钻爆设计信息管理系统，旨在提高钻爆设计效率和质量，从而提高隧道掘进施工速度。

1 系统构建的原则

隧道掘进钻爆设计信息管理系统开发的目的是应用于隧道施工实际，提高钻爆设计效率和信息管理水平，所以系统构建的原则如下:

1)实用性。系统实现后能够很快应用到隧道施工当中，方便使用人员迅速掌握操作技巧，指导施工实践，满足提高效率的要求。

2)可靠性。技术人员能够根据钻爆设计结果直接进行方案的制定和实施，并且能够根据实际情况进行调整，满足爆破效果要求。

3)集成性。系统的信息管理包含钻爆施工所需的相关知识和施工历史信息，方便进行查询来指导设计和施工的顺利实施。

2 系统结构的划分

通过对隧道掘进钻爆设计与施工整个过程分析，并根据系统结构功能划分原则，可以将隧道掘进钻爆设计信息管理系统划分为五个模块:钻爆方案设计、钻爆信息管理、钻爆器材管理、钻爆安全管理、系统管理。

3 钻爆参数设计

3.1 钻爆参数设计相关数据

隧道掘进钻爆设计信息管理系统的设计应对钻爆设计资料有全面的考虑。首先应当了解工程设计的概况，记录钻爆设计人员、钻爆实施单位和钻爆开始时间;输入爆区地质情况、选择炸药和起爆器材、输入断面的形状和参数、选取钻孔设备以及确定掏槽方式。

3.1.1 爆区地质

通过对大量隧道钻爆设计、施工资料的分析研究发现，影响爆破效果的爆区地质数据主要是围岩级别、岩石类型、岩石普氏系数f值、节理发育程度、风化程度和地下水。为此，可将这些数据作为隧道爆破设计的原始基本数据，同时，还需按照钻爆设计的要求，对其中一些定性数据进行量化处理。

3.1.2 炸药和起爆器材的选取

工程用炸药一般以某种或几种单质炸药为主要成分，另加一些外加剂混合而成。目前在隧道钻爆施工中使用最广的是硝铵类炸药。硝铵类炸药品种极多，但其主要成分是硝酸铵，占60%～85%以上，其次是梯恩梯或硝酸钠(钾)，占10%～15%。设置传爆起爆系统的目的是在装药(药包或药卷)以外的安全距离处通过发爆(点火、通电或激发枪)和传递，使安在药包或药卷中的雷管起爆，并引发药包或药卷爆炸，从而爆破岩石。

3.1.3 断面形状及参数

断面的形状主要有圆形、拱形、椭圆形、矩形。下面以本单位应用最为广泛的直墙圆拱形断面为例，需要输入的参数有:断面跨度、侧墙高度、矢高、半径等，从而可计算出钻爆断面面积。

3.1.4 掏槽方式选取

根据隧道掘进断面、岩石性质和地质构造等条件，掏槽孔的排列形式有很多种类，归纳起来可分成三种:斜眼掏槽、直眼掏槽和混合式掏槽。斜眼掏槽是指掏槽眼方向与工作面斜交的掏槽方法。通常有单向掏槽、锥形掏槽和楔形掏槽几种形式。直眼掏槽通常分为龟裂掏槽、桶形掏槽和螺旋形掏槽三种类型。本系统主要是最常用的锥形掏槽、楔形掏槽、直眼掏槽、混合掏槽等几种掏槽方式的选取。在Visual Basic语言中实现上述初始设计变量的输入通过在输入界面中添加Text，OptionButton和ComboBox控件来完成，把输入的数值赋给计算过程中的变量。

3.2 设计结果的输出

3.2.1 爆破参数的输出

在Visual Basic应用程序代码窗口中编写代码，把输入的基本数据赋给过程中的变量，通过选择合适条件及范围的经验公式来计算，得出炮孔起爆顺序、炮孔个数、孔角、孔深、单孔孔长、装药结构、单孔炸药量等参数。利用ListView控件输出结果，方便打印。

3.2.2 预计钻孔爆破指标输出

预计钻孔爆破指标主要包括:开挖面积、每循环进尺、每循环爆破石方、炮眼总数、钻孔总长、雷管用量、炮孔利用率、炸药用量、单位耗药量、单位雷管用量等指标。

3.2.3 炮孔布置图

图形生成界面是系统生成炮孔布置图的容器，通过此界面用户可以查看系统生成的炮孔布置图，系统根据设计结果，绘制炮孔布置图，图中显示炮孔位置、个数、孔角、抵抗线、孔间距、起爆顺序等。

4 数据库管理设计

基于Visual Basic爆破管理系统中的数据量很大，爆破设计人员经常要查找岩石和炸药的特性，将设计的参数和相似爆破工程进行比较。隧道掘进钻爆设计信息管理系统建立了炸药信息查询、岩石信息查询、实例信息管理系统。运行爆破系统设计计算出的爆破参数，添加于实例库中，最后进行爆破参数对比分析。

4.1 数据库的建立

Access是一种新型的交互式关系类型数据库管理系统，可以用最简单的方式建立一个数据库，可以接收和转换多种文件格式的数据，并方便地对现存的数据库进行扩展和升级。Access与Visual Basic结合，可创建出功能强大的数据库应用系统。

VB数据库体系是由用户界面数据库引擎和数据仓库三层组成的层次结构。本设计将初始数据的录入在Access中完成，采用ADO对象库编程，设计出友好的用户界面及驱动该界面的VB程序代码，来实现对爆破数据库的操作与管理。

4.2 数据库的使用

该系统在岩石数据库中根据岩石的分类，确定各类岩石的名称、特性、容重、爆破性分级、抗压强度、岩石坚固性系数等。在炸药数据库中根据炸药的分类，确定工程中常用炸药名称、密度、猛度、爆力、殉爆距离、比容等参数。搜集以往的爆破资料，建立实例数据库，与系统设计的爆破各参数参考和类比，进行调整和修改。在以上各类数据库中通过对数据添加、保存、删除、修改命令，实现对数据库的管理。通过隧道掘进钻爆设计信息管理系统对爆破参数的设计，将爆破参数添加到实例库中。保存设计参数于实例库中，通过从实例库中调用参数，在爆破参数分析界面里对参数进行对比分析调整。

5 应用实例

下面是利用开发的系统对一个隧道钻爆初始条件输入、爆破参数、预计指标、炮孔布置图的绘制的实现，并且介绍该系统相关的使用方法。

5.1 爆破初始条件

表1 钻爆参数设计相关数据

首先明确工程的设计概况，输入该工程的名称、断面代号、设计人员、施工单位、钻爆开始时间和预计结束时间，以及该工程的基本施工概况，点击确定将工程属性输入数据库，方便今后查询使用，并且进入钻爆参数设计界面。根据地质勘探和查询岩石、炸药信息，输入爆区地质情况、炸药类型选取、断面形状及参数、钻孔设备和钻杆型号、掏槽类型等初始参数等。部分参数输入情况如表1所示。

5.2 爆破参数的输出

通过系统自行运算，输出炮孔设计参数表(如表2所示)。通过打印功能形成爆破说明书，点击确定将主要参数录入数据库，以便查询和与实例工程进行对比。

表2 炮孔技术参数表

6 结语

该系统采用目前操作简便的Visual Basic语言编写，容易被现场技术人员掌握;而且对于不同岩性、不同断面、不同掏槽类型、不同炸药类型和性能参数、不同设计变量等均无需调整程序，可方便使用。输入初始数据后系统在后台进行计算，能够自动进行炮孔布置，装药量计算和爆破效果预测。代替了手工或简单用AutoCAD绘制炮孔布置图表，实现了自动绘制炮孔布置图和起爆连接网络，避免了炮孔图表的绘制落后于施工、阻碍工作进度，提高了隧道掘进钻爆设计的质量和效率。在Access中建立爆破实例数据库资料，通过与Access的连接，实现了利用钻爆信息数据库进行爆破知识查询和工程类比设计。

［1］ 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］ 刘文涛.Visual Basic+Access数据库开发与实例［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［3］ 董传银.Visual Basic 6数据库编程技术［M］.北京:北京希望电子出版社，2002.

［4］ 闫爱军，闫宇振.土石方开挖爆破计算机辅助设计［J］.西北水力发电，2006，22(2):41-43.

［5］ 王红梅，东兆星，苗永奕.隧道掘进爆破图表计算机辅助设计［J］.工程爆破，2003，9(3):38-41.

［6］ 蔡书生，闫宇振.隧洞开挖爆破计算机辅助设计［J］.爆破，2005，22(2):58-60.