蘇 夢

(安徽建工檢測科技集團(tuán)有限公司,安徽 合肥 230031)

0 引言

路基邊坡的設(shè)計(jì)與建設(shè)是公路工程中非常重要的一環(huán),它涉及到公路的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面。在路基邊坡設(shè)計(jì)中,爆破技術(shù)是一種常見的施工方法,能夠有效地提高施工效率和節(jié)省施工成本。然而,在傳統(tǒng)的路基邊坡爆破設(shè)計(jì)中,由于缺乏數(shù)字化技術(shù)支持,設(shè)計(jì)人員往往只能依靠經(jīng)驗(yàn)和試錯的方法來進(jìn)行設(shè)計(jì),存在許多不確定性和風(fēng)險。

近年來,數(shù)字化技術(shù)在爆破工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和推廣,研究數(shù)字化路基邊坡爆破設(shè)計(jì)的優(yōu)勢和應(yīng)用也成為了一個熱點(diǎn)問題。文獻(xiàn)[1]通過數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行了礦山爆破設(shè)計(jì),取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[2]則探討了數(shù)字化技術(shù)在邊坡爆破設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,提出了一種基于三維數(shù)字化模型的邊坡爆破設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[3]則從數(shù)字化技術(shù)的角度,研究了爆破振動對周圍環(huán)境的影響。文獻(xiàn)[4]提出了一種數(shù)字化爆破振動監(jiān)測方法,有效地監(jiān)測了爆破振動對周圍環(huán)境的影響。文獻(xiàn)[5]則從數(shù)字化路基邊坡爆破設(shè)計(jì)的角度,探討了如何實(shí)現(xiàn)爆破設(shè)計(jì)的自動化和智能化。文獻(xiàn)[6]采用聲波測試手段對隧道爆破振動下路基邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,研究了爆破次數(shù)對邊坡累積損傷的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[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(shí)測振動數(shù)據(jù),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(yīng)特征。文獻(xiàn)[8]采用聲波透射法對路基邊坡爆破后的巖體內(nèi)聲波波速進(jìn)行監(jiān)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(nèi)摩擦角進(jìn)行強(qiáng)度折減,并利用有限元軟件對邊坡多次爆破后的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算研究。文獻(xiàn)[9]引以某隧道爆破施工為研究對象,設(shè)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(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)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(guī)律。這些文獻(xiàn)為本研究提供了重要的參考和借鑒,同時也展示了數(shù)字化技術(shù)在爆破工程中的廣泛應(yīng)用和潛力。

文章基于前人研究的基礎(chǔ)上,旨在探討數(shù)字化路基邊坡爆破優(yōu)化設(shè)計(jì),可以更加準(zhǔn)確地預(yù)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(biāo)路基土石方255.5萬m3,設(shè)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(zhì)多為中風(fēng)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(shí)現(xiàn)施工效率的提高和施工成本的節(jié)約,文章將采用數(shù)字化技術(shù)來進(jìn)行路基邊坡爆破設(shè)計(jì),并探討數(shù)字化路基邊坡爆破設(shè)計(jì)的優(yōu)勢和應(yīng)用。

2 爆破設(shè)計(jì)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(shù),對待爆區(qū)實(shí)際地形地貌進(jìn)行的實(shí)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(shù)、圖方式真實(shí)呈現(xiàn),并將繪制結(jié)果輸入爆破設(shè)計(jì)軟件,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化路基邊坡爆破設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取。圖1為邊坡實(shí)景激光掃描過程,通過對坡面地貌進(jìn)行非接觸式打點(diǎn)掃描,掃描網(wǎng)格間距為20 cm,將掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)分析軟件,自動生成爆區(qū)巖體的形狀,可以為后續(xù)爆破方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要的數(shù)據(jù)支持及依據(jù)。同時,數(shù)字化路基邊坡爆破設(shè)計(jì)也能夠?qū)吰路€(wěn)定性進(jìn)行全面評估和分析,以確定最優(yōu)的爆破參數(shù)和方案。

圖2為依據(jù)三維掃描結(jié)果自動生成爆破巖體外側(cè)的形態(tài)。通過對待爆區(qū)實(shí)際地形地貌進(jìn)行的精確測量,為設(shè)計(jì)軟件的精確布孔提供了數(shù)據(jù)支撐。對前排孔的位置和鉆孔角度的確定提供了設(shè)計(jì)依據(jù),確保不出現(xiàn)因抵抗線過小而出現(xiàn)飛石的情況,控制爆破飛石的產(chǎn)生。

2.2 數(shù)字化爆破動態(tài)設(shè)計(jì)

爆破設(shè)計(jì)采用自動化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行。首先,將地形地質(zhì)條件,礦巖物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、炸藥性能等信息輸入設(shè)計(jì)軟件,這些信息將為軟件自動進(jìn)行完整的爆破設(shè)計(jì)提供必要的數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

計(jì)算機(jī)可以自動根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算,自動生成孔網(wǎng)參數(shù)(孔位、孔深、鉆孔角度)、裝藥參數(shù)(裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞長度)、起爆網(wǎng)路(起爆順序、起爆時差)等信息。這些參數(shù)將成為爆破方案的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是施工前必須明確的關(guān)鍵參數(shù)。此外,爆破自動化設(shè)計(jì)軟件還可以自動生成孔網(wǎng)參數(shù)的三維視圖,如圖3所示,可以方便爆破工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)、審查和調(diào)整。

該設(shè)計(jì)結(jié)果能實(shí)現(xiàn)全三維視圖功能(主視、俯視、側(cè)視)和圖形縮放等功能,初步設(shè)計(jì)完成后,利用爆破效果預(yù)測和爆破振動預(yù)測功能對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核,校核結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求時,輸出最終的設(shè)計(jì)結(jié)果,指導(dǎo)下一步施工。如校核結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求時,對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行自動化調(diào)整,再進(jìn)行校核,直到設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求,輸出最終結(jié)果。

采用爆破自動化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行爆破設(shè)計(jì),不僅可以提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性,而且可以避免人為因素對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。此外,爆破自動化設(shè)計(jì)軟件還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化,以達(dá)到最佳的爆破效果。當(dāng)完成整個路塹邊坡爆破設(shè)計(jì)后,所獲取的各種炮孔參數(shù)為后期的施工控制及監(jiān)測量測的數(shù)字化和自動化提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 高精度鉆孔控制系統(tǒng)

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

在鉆孔精度控制方面,采用高精度鉆孔角度控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由三維電子羅盤和衛(wèi)星定位系統(tǒng)組成,將該系統(tǒng)安裝在鉆機(jī)的鉆臂上,系統(tǒng)終端的屏幕隨時監(jiān)控鉆機(jī)鉆臂的三維姿態(tài)和孔位,據(jù)此可隨時監(jiān)測鉆臂的三維姿態(tài),使鉆孔方向處于被監(jiān)控狀態(tài),方便及時調(diào)整鉆機(jī)誤差。其工作原理為:利用重力和地磁導(dǎo)航定向技術(shù),迅速準(zhǔn)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(zhì)量;利用高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)確定鉆孔位置,確保鉆孔的孔位和間距。

2.4 爆堆形態(tài)預(yù)測

爆堆形態(tài)是衡量爆破效果的重要指標(biāo),它不僅反映了爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)的合理性,而且直接影響鏟裝、運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益?；谖恢玫膭恿W(xué)法(PBD仿真)能對碰撞穿透問題實(shí)現(xiàn)簡單而有效的處理,可用來模擬爆堆形態(tài)。

通過臺階爆破作用機(jī)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(yīng)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(yùn)動過程,該模型并不關(guān)注爆破破碎過程,巖體的破碎塊是使用Voronoi塊體劃分來實(shí)現(xiàn)的,模型只對礦巖的爆破運(yùn)動過程進(jìn)行計(jì)算,獲得礦巖爆破位移和最終爆堆形態(tài)。臺階爆破巖塊拋擲運(yùn)動規(guī)律見圖4。

2.5 爆破振動預(yù)測

關(guān)于爆破振動的預(yù)測,目前主要采用薩道夫斯基公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)方法,K,α均為與爆破條件、場地地質(zhì)條件等有關(guān)的系數(shù),該參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)場的多次爆破振動測試數(shù)據(jù),采用回歸分析法才能得到相應(yīng)分析結(jié)果。但是通常受多種因素影響回歸分析的相關(guān)系數(shù)較低,近距離的爆破振動峰值計(jì)算誤差可達(dá)200%～300%,遠(yuǎn)距離的計(jì)算誤差也有50%以上。數(shù)碼電子雷管的投入使用,可以實(shí)現(xiàn)對爆破延時的精確控制,保證設(shè)計(jì)延期與實(shí)際起爆時間相一致,這就為更準(zhǔn)確預(yù)報爆破振動提供了基礎(chǔ)條件。文章設(shè)計(jì)采用一種與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法完全不同的振動疊加預(yù)測模型,利用開發(fā)的軟件對信號解析和疊加計(jì)算,實(shí)現(xiàn)不同位置的爆破振動波形預(yù)測,輔助爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)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(guī)律,必須通過振動實(shí)測結(jié)果來檢驗(yàn)和調(diào)整爆破設(shè)計(jì)參數(shù),因此需對爆破振動進(jìn)行檢測,通過對振動波形和數(shù)據(jù)分析,指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)。

3 技術(shù)性能指標(biāo)

爆破效果指標(biāo):主要包括爆破振動、爆破噪聲、爆破震動等方面。通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)和施工,可以最大限度地減小爆破效果對周圍環(huán)境和設(shè)施的影響,提高施工質(zhì)量。

爆破方案設(shè)計(jì)指標(biāo):是衡量路基邊坡數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的重要參數(shù)。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(jìn)行優(yōu)化,可以提高爆破效率,減少爆破成本。

安全指標(biāo):是評估路基邊坡數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)安全性的重要參數(shù)。主要包括爆破過程中的作業(yè)安全、施工現(xiàn)場的安全等方面。通過合理的設(shè)計(jì)和安全措施,可以確保爆破作業(yè)過程的安全,避免人員和設(shè)施的損失。

4 效益分析

4.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

項(xiàng)目采用新材料與新工藝,開拓思路,勇于創(chuàng)新。首先,通過數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用,可以提高爆破方案的設(shè)計(jì)精度,降低施工成本,縮短施工周期,減少施工過程中的浪費(fèi)。這可以顯著降低工程投資,提高經(jīng)濟(jì)效益。其次,數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)可以提高施工效率和質(zhì)量,減少施工事故和質(zhì)量問題的發(fā)生,減少事故處理和維修成本,大量節(jié)約施工工期,安全環(huán)保,從而間接地提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會效益

經(jīng)過系統(tǒng)的分析,數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用可以降低爆破過程對環(huán)境和周圍社區(qū)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(zhì)量。也可以縮短施工周期和減少施工現(xiàn)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(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)可以提高爆破施工的效率和質(zhì)量,保證道路工程的質(zhì)量和安全,為社會提供更加便捷和安全的道路交通服務(wù)。因此我們建議在類似的工程中推廣應(yīng)用。將研究開發(fā)成果匯總成相應(yīng)的資料,力爭各項(xiàng)創(chuàng)新成果的關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平或國內(nèi)先進(jìn)水平。

5 結(jié)語

本研究的結(jié)果表明,數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)具有多種優(yōu)勢,如提高了爆破施工效率和安全性、減少了設(shè)計(jì)和施工的時間及成本、保護(hù)了環(huán)境等。通過數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì),可以充分利用現(xiàn)代科技手段,提高爆破施工的質(zhì)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(shè)計(jì)和施工中,數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)將會得到更廣泛的應(yīng)用和推廣。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和更新?lián)Q代,數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)也將不斷完善和提升,成為現(xiàn)代爆破工程設(shè)計(jì)和施工的重要手段。同時,本研究也提出了一些需要進(jìn)一步探索和研究的問題,如數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)的適用范圍、技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性等。這些問題的解決將為數(shù)字化光面爆破設(shè)計(jì)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供重要支持和保障。