路基边坡数字化光面爆破设计研究

苏 梦

(安徽建工检测科技集团有限公司,安徽 合肥 230031)

0 引言

路基边坡的设计与建设是公路工程中非常重要的一环,它涉及到公路的安全性、可靠性和经济性等方面。在路基边坡设计中,爆破技术是一种常见的施工方法,能够有效地提高施工效率和节省施工成本。然而,在传统的路基边坡爆破设计中,由于缺乏数字化技术支持,设计人员往往只能依靠经验和试错的方法来进行设计,存在许多不确定性和风险。

近年来,数字化技术在爆破工程领域得到了广泛的应用和推广,研究数字化路基边坡爆破设计的优势和应用也成为了一个热点问题。文献[1]通过数字化技术进行了矿山爆破设计,取得了显著的经济效益。文献[2]则探讨了数字化技术在边坡爆破设计中的应用,提出了一种基于三维数字化模型的边坡爆破设计方法。文献[3]则从数字化技术的角度,研究了爆破振动对周围环境的影响。文献[4]提出了一种数字化爆破振动监测方法,有效地监测了爆破振动对周围环境的影响。文献[5]则从数字化路基边坡爆破设计的角度,探讨了如何实现爆破设计的自动化和智能化。文献[6]采用声波测试手段对隧道爆破振动下路基边坡的稳定性进行研究,研究了爆破次数对边坡累积损伤的影响规律。文献[7]利用有限元软件建立了路基边坡、桥梁的爆破三维模型,通过爆破过程中的实测振动数据,研究了路基边坡爆破振动荷载作用下临近桥梁的振动响应特征。文献[8]采用声波透射法对路基边坡爆破后的岩体内声波波速进行监测,引入损伤因子来研究多次爆破后路基边坡的累积损伤模型,利用模型公式对边坡岩体的黏聚力和内摩擦角进行强度折减,并利用有限元软件对边坡多次爆破后的安全系数进行计算研究。文献[9]引以某隧道爆破施工为研究对象,设置药量、距离等影响因子,建立爆破振速衰减模型公式,并将实测数据与计算数据进行对比分析,最后研究了爆破下振动能量在边坡上的分布规律。这些文献为本研究提供了重要的参考和借鉴,同时也展示了数字化技术在爆破工程中的广泛应用和潜力。

文章基于前人研究的基础上,旨在探讨数字化路基边坡爆破优化设计,可以更加准确地预测爆破效果,提高施工效率和安全性,同时还可以减少施工中的错误和损失,降低施工成本。

1 工程概况

滁天高速公路路基路面工程CT-03M01标路基土石方255.5万m3,设置3处临时弃土场,用于淤泥、清表土、挖除石方、自加工碎石等临时堆放场所。工程挖方量极大,其中地质多为中风化玄武岩,K22+380—K23+340段挖方在20 m以上,最高深度为29 m。为了实现施工效率的提高和施工成本的节约,文章将采用数字化技术来进行路基边坡爆破设计,并探讨数字化路基边坡爆破设计的优势和应用。

2 爆破设计研究

2.1 基于三维激光扫描的原始地貌绘制

利用三维激光扫描技术,对待爆区实际地形地貌进行的实景扫描,可以高精度地获取地形地貌信息,将原始地形地貌以数、图方式真实呈现,并将绘制结果输入爆破设计软件,实现数字化路基边坡爆破设计的基础数据获取。图1为边坡实景激光扫描过程,通过对坡面地貌进行非接触式打点扫描,扫描网格间距为20 cm,将扫描的数据导入相关分析软件,自动生成爆区岩体的形状,可以为后续爆破方案设计和优化提供重要的数据支持及依据。同时,数字化路基边坡爆破设计也能够对边坡稳定性进行全面评估和分析,以确定最优的爆破参数和方案。

图2为依据三维扫描结果自动生成爆破岩体外侧的形态。通过对待爆区实际地形地貌进行的精确测量,为设计软件的精确布孔提供了数据支撑。对前排孔的位置和钻孔角度的确定提供了设计依据,确保不出现因抵抗线过小而出现飞石的情况,控制爆破飞石的产生。

2.2 数字化爆破动态设计

爆破设计采用自动化设计软件进行。首先,将地形地质条件,矿岩物理力学性质、地质构造、炸药性能等信息输入设计软件,这些信息将为软件自动进行完整的爆破设计提供必要的数据支持和依据。

计算机可以自动根据输入的数据进行分析和计算,自动生成孔网参数(孔位、孔深、钻孔角度)、装药参数(装药量、装药结构、堵塞长度)、起爆网路(起爆顺序、起爆时差)等信息。这些参数将成为爆破方案的基础数据,是施工前必须明确的关键参数。此外,爆破自动化设计软件还可以自动生成孔网参数的三维视图,如图3所示,可以方便爆破工程师进行设计、审查和调整。

该设计结果能实现全三维视图功能(主视、俯视、侧视)和图形缩放等功能,初步设计完成后,利用爆破效果预测和爆破振动预测功能对设计结果进行校核,校核结果满足设计要求时,输出最终的设计结果,指导下一步施工。如校核结果不满足设计要求时,对设计参数进行自动化调整,再进行校核,直到设计结果满足设计要求,输出最终结果。

采用爆破自动化设计软件进行爆破设计,不仅可以提高设计效率和准确性,而且可以避免人为因素对设计结果的影响。此外,爆破自动化设计软件还可以根据实际情况进行动态调整和优化,以达到最佳的爆破效果。当完成整个路堑边坡爆破设计后,所获取的各种炮孔参数为后期的施工控制及监测量测的数字化和自动化提供了数据基础。

2.3 高精度钻孔控制系统

光面(预裂)孔钻孔要求“对位准,方向正,角度精”,钻孔精度是保证爆破质量的先决条件,长期的实践表明,光面(预裂)爆破的成败60%取决于钻孔精度和质量。

在钻孔精度控制方面,采用高精度钻孔角度控制系统,该系统由三维电子罗盘和卫星定位系统组成,将该系统安装在钻机的钻臂上,系统终端的屏幕随时监控钻机钻臂的三维姿态和孔位,据此可随时监测钻臂的三维姿态,使钻孔方向处于被监控状态,方便及时调整钻机误差。其工作原理为:利用重力和地磁导航定向技术,迅速准确地判读钻孔的方向和倾角,以便纠正钻孔方向,确保钻孔精度和质量;利用高精度卫星定位系统确定钻孔位置,确保钻孔的孔位和间距。

2.4 爆堆形态预测

爆堆形态是衡量爆破效果的重要指标,它不仅反映了爆破参数、装药结构的合理性,而且直接影响铲装、运输效率和经济效益。基于位置的动力学法(PBD仿真)能对碰撞穿透问题实现简单而有效的处理,可用来模拟爆堆形态。

通过台阶爆破作用机理可知,露天台阶爆破岩块移动主要是由爆生气体的膨胀做功引起的,所以可以假定岩块是在应力波以及爆生气体作用下完成破碎后才开始移动,从而将爆破过程分为爆破破碎过程和爆破运动过程,该模型并不关注爆破破碎过程,岩体的破碎块是使用Voronoi块体划分来实现的,模型只对矿岩的爆破运动过程进行计算,获得矿岩爆破位移和最终爆堆形态。台阶爆破岩块抛掷运动规律见图4。

2.5 爆破振动预测

关于爆破振动的预测,目前主要采用萨道夫斯基公式和经验系数方法,K,α均为与爆破条件、场地地质条件等有关的系数,该参数由经验和回归分析确定。若想得到比较可信的K和α的值,需要利用该爆破现场的多次爆破振动测试数据,采用回归分析法才能得到相应分析结果。但是通常受多种因素影响回归分析的相关系数较低,近距离的爆破振动峰值计算误差可达200%～300%,远距离的计算误差也有50%以上。数码电子雷管的投入使用,可以实现对爆破延时的精确控制,保证设计延期与实际起爆时间相一致,这就为更准确预报爆破振动提供了基础条件。文章设计采用一种与传统统计预测方法完全不同的振动叠加预测模型,利用开发的软件对信号解析和叠加计算,实现不同位置的爆破振动波形预测,辅助爆破设计参数的调整。

要控制爆破振动,必须清楚地了解爆破振动的传播特性和衰减规律,必须通过振动实测结果来检验和调整爆破设计参数,因此需对爆破振动进行检测,通过对振动波形和数据分析,指导爆破设计。

3 技术性能指标

爆破效果指标:主要包括爆破振动、爆破噪声、爆破震动等方面。通过科学合理的设计和施工,可以最大限度地减小爆破效果对周围环境和设施的影响,提高施工质量。

爆破方案设计指标:是衡量路基边坡数字化光面爆破设计方案优劣的重要参数。主要包括爆破孔的布置方式、孔深、孔径、药量、装药方式等方面。通过对爆破方案进行优化,可以提高爆破效率,减少爆破成本。

安全指标:是评估路基边坡数字化光面爆破设计安全性的重要参数。主要包括爆破过程中的作业安全、施工现场的安全等方面。通过合理的设计和安全措施,可以确保爆破作业过程的安全,避免人员和设施的损失。

4 效益分析

4.1 直接经济效益

项目采用新材料与新工艺,开拓思路,勇于创新。首先,通过数字化技术的应用,可以提高爆破方案的设计精度,降低施工成本,缩短施工周期,减少施工过程中的浪费。这可以显著降低工程投资,提高经济效益。其次,数字化光面爆破设计可以提高施工效率和质量,减少施工事故和质量问题的发生,减少事故处理和维修成本,大量节约施工工期,安全环保,从而间接地提高了经济效益。

4.2 社会效益

经过系统的分析,数字化技术的应用可以降低爆破过程对环境和周围社区的影响,减少爆破振动、噪声和震动等对周围居民的干扰,提高了居民的生活质量。也可以缩短施工周期和减少施工现场的占用面积,降低施工过程对交通和社会秩序的影响。最后,数字化光面爆破设计可以提高爆破施工的效率和质量,保证道路工程的质量和安全,为社会提供更加便捷和安全的道路交通服务。因此我们建议在类似的工程中推广应用。将研究开发成果汇总成相应的资料,力争各项创新成果的关键技术达到国内领先水平或国内先进水平。

5 结语

本研究的结果表明,数字化光面爆破设计具有多种优势,如提高了爆破施工效率和安全性、减少了设计和施工的时间及成本、保护了环境等。通过数字化光面爆破设计,可以充分利用现代科技手段,提高爆破施工的质量和效率,同时减少了人为因素的干扰,有效地保障了爆破施工的安全性。在今后的爆破工程设计和施工中,数字化光面爆破设计将会得到更广泛的应用和推广。随着技术的不断进步和更新换代,数字化光面爆破设计也将不断完善和提升,成为现代爆破工程设计和施工的重要手段。同时,本研究也提出了一些需要进一步探索和研究的问题,如数字化光面爆破设计的适用范围、技术的稳定性和可靠性等。这些问题的解决将为数字化光面爆破设计的进一步推广和应用提供重要支持和保障。