基于不良地质的爆破减震方法及其爆破减震分析系统与流程

1.本发明涉及爆破技术，尤其是涉及基于不良地质的爆破减震方法。另外，本发明还涉及爆破减震分析系统。


背景技术：

2.随着中国现代化建设的发展，爆破作业环境越来越复杂，对爆破安全的要求可能也会越来越高，爆破作业是一项危险性的工作，一次爆破事故，可能会造成人民生命和财产的损失，在隧道的建设过程中，爆破技术的应用尤为频繁，由于隧道是公路、铁路等建设的重点和关键工程，随着铁路建设的发展和科技的进步，隧道爆破方法得到了迅猛发展，比较常用的开挖方法有钻爆法、盾构法和掘进机法等爆破方法。
3.在不良地质环境地区，对隧道进行爆破时，常需使用超前地质预报技术来探明掌子面前方断层、岩溶等不良地质体的位置、规模及其性质。需避免因不良地质体的揭露，导致大规模地质灾害的发生，造成严重的经济损失与人员伤亡。因此，及时掌握掌子面前方不良地质体的构造、规模及性质，对隧道的爆破施工以及预防隧道开挖中发生重大地质灾害便显得尤为重要。
4.目前我国对处于不良地质段的隧道进行爆破时采用的中深孔爆破法多为单排一次爆破，这种爆破方法爆破时自由面少，最大单段药量大，导致爆破效果较差，大块率高；爆破时，后冲大易破坏后排待爆炮孔；爆破的夹制作用明显，从而产生的震动强度大，常常破坏相邻地质层，而导致塌方。


技术实现要素：

5.本发明一方面所要解决的问题是提供一种基于不良地质的爆破减震方法，该方法能够有效降低爆破产生的地震波。
6.本发明第二方面所要解决的问题是提供一种基于不良地质的爆破减震分析系统，该系统能够验证上述方法中有效降低地震波的爆破效果。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了基于不良地质的爆破减震系统，包括以下步骤：
8.s1、采集隧道本体和周边环境的信息数据，将采集到的信息数据建立三维数字模型；
9.s2、根据建立的三维数字模型确定隧道爆破点和爆破参数，并在隧道爆破点周边布置测量点；
10.s3、槽眼开挖：根据确定的爆破点进行槽眼开挖，多个所述槽眼以隧道中轴线为对称轴，对称分布在所述隧道两侧的岩壁上，每个槽眼内至少开设有两对掏槽孔，所述掏槽孔沿所述槽眼中轴线对称设置，且每对掏槽孔均包括内层掏槽孔和外层掏槽孔；
11.s4、装药爆破：掏槽孔内的炸药填充采用间隔装药的方式，同一所述槽眼内，内、外层掏槽孔之间采用毫秒延迟爆破的方式进行爆破，爆破顺序按照由内层掏槽孔向外层掏槽
孔的顺序进行，内层掏槽孔周围的岩体在炸药的作用下破碎并被抛掷，从而形成第一层抛掷区，同一所述槽眼内相对设置的内层掏槽孔爆破后产生的部分岩体碎片之间相互碰撞，形成第二层抛掷区，紧接着外层掏槽孔内的炸药爆炸，形成第三层抛掷区，同一所述槽眼内相对设置的外层掏槽孔爆破后形成的部分岩体碎片之间相互碰撞，从而形成第四层抛掷层；
12.s5、收集测量点记录的爆破信息，并根据爆破信息绘制地震波振动加速度图验证减震效果。
13.优选地，所述步骤3中，外层掏槽孔的孔深为2.0m～3.0m，内层掏槽孔的孔深为3.7m～4.0m，内、外层掏槽孔的垂直间距为0.8m～1.0m，同侧相邻槽眼的外层掏槽孔之间的孔口最短距离至少为6m，内层掏槽孔的孔口最短距离至少为8m。通过该优选技术方案，将内层掏槽孔的孔深设置的大于外层掏槽孔的孔深，从而使得炸药在爆破时能够更大程度的扩大槽眼的孔径，并且相邻槽眼之间设置有一定的间距，能够保证槽眼发生爆破时，对相邻槽眼的影响降低。
14.进一步优选地，所述步骤3中，内、外层掏槽孔内分为两个装药段，包括近炮孔口装药段和孔底部装药段，所述内层掏槽孔的孔底部装药段的装药量为单孔装药量的50％～60％，近炮孔口装药段的装药量为单孔装药量的40％～50％，外层掏槽孔的近炮孔口装药段的为单孔装药量的40％～50％，孔底部装药段的装药量为单孔装药量的50％～60％。通过该优选技术方案，将内、外层掏槽孔的孔洞分别进行分隔，从而形成两个装药段进行装药，每个装药段的装药量均小于单孔装药的总量，且两段装药后的总量也小于单孔装药的总量，从而减少了掏槽孔的的起爆药量，一定程度上降低了爆破时产生的振动强度。
15.优选地，所述测量点沿隧道掘进方向设置至少5个，沿隧道的掘进方向的反方向设置至少5个。通过该优选技术方案，沿隧道掘进的正方向和反方向设置若干测量点，以此来监测爆炸产生的振动效果，能够全面的对隧道爆破时产生的振动情况进行采集，并以此为依据来直观的验证出减震爆破的有效性。
16.优选地，所述炸药采用乳化炸药进行爆破施工，且所述乳化炸药单次爆炸的炸药量不超过30kg。通过该优选技术方案，采用乳化炸药进行爆破，由于其具有密度高，爆速大，猛度高，抗水性能好等优点，并且其不采用火炸药为敏化剂，爆炸后产生的污染更少。
17.进一步优选地，所述掏槽孔与隧道开挖工作面的夹角为40
°
～60
°
。通过该优选技术方案，槽眼与隧道工作面之间设置有一定的夹角，从而方便炸药的填充。
18.优选地，所述步骤4中，相邻所述槽眼内掏槽孔之间采用的毫秒延迟爆破的延迟时间间隔范围为20ms～50ms。通过该优选技术方案，采用毫秒延迟爆破的方法进行爆破，并将延迟时间间隔控制在一定的范围内，这样延长了炸药爆炸的作用时间，并且能够使得炸药爆炸产生的能量能够得到最大限度的利用。
19.进一步优选地，所述步骤4中，间隔装药的孔内各装药段之间的堵塞长度为1m～3m。通过该优选技术方案，采用间隔装药的方式减少了槽眼起爆的炸药量，同时在保证爆破效果的同时，使得掏槽孔爆破产生的振动强度降低。
20.优选地，所述三维数字模型采用bim软件建立隧道的3d模型；将该3d模型与进度计划进行关联，生成4d模型，利用navisworks软件中的timeliner模块对4d模型进行仿真模拟，并在4d模型的基础上引入成本，导入各工序人工费、材料费和机械费，从而建立5d模型；
基于该5d模型，利用挣值法对计划进度和实际进度进行偏差分析，并针对分析结果制定改进措施。通过该优选技术方案，将三维数字模型与施工进度计划及施工成本等相结合，从而能够对隧道的爆破施工进行可视化模拟，并针对隧道的实际情况研究出相适应的作业方式，并对隧道中的槽眼位置、间距、钻孔深度、钻孔角度、钻社角度、装药量等参数进行确定，保证实际作业中的工作的安全性、经济性及快速性，从而提高了工作效率，节省了工期及成本。
21.本发明第二方面提供了基于不良地质的爆破减震系统，采用了本发明第一方面所提供的基于不良地质的爆破减震方法来进行减震，并验证减震效果。
22.通过上述技术方案，本发明基于不良地质的爆破减震方法，通过在掏槽孔内采用间隔装药的方式进行装药，在保证爆破效果的同时，减少了单孔装药的药量，采用毫秒延迟爆破的方式提高了炸药爆炸作用时间，使得爆炸能量得到了最大限度的利用，并且采用内、外层掏槽孔相结合的方式进行爆破，使得爆破产生多个抛掷区，且相对的抛掷区中的岩石碎片之间相互碰撞后产生更小的岩石碎片形成新的抛掷区，从而能够在使用了较少炸药量的前提下，保证了爆破的效果，同时减小了爆破产生的振动。
23.本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的方法流程示意图；
25.图2为本发明隧道槽眼装药结构及起爆顺序示意图；
26.图3为常规爆破地震波振动速度波形图；
27.图4为减震爆破地震波振动速度波形图。
具体实施方式
28.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，术语“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.本发明的基于不良地质的爆破减震方法的一种实施方式，如图1所示，包括以下步骤：
31.s1、采集隧道本体和周边环境的信息数据，将采集到的信息数据建立三维数字模型。
32.在步骤1中，隧道的本体和周边环境的数据采集主要为施工条件、地质条件、隧道断面积、施工埋深、施工工期和自然环境条件等，其中，地质条件包括围岩等级、地下水及不良地质现象等。围岩级别是围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用，施工条件包括施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平，隧道尺寸和形状，对施工方法选择也有一定的影响，在同样地质条件下，由于埋深的不同，施工方法也
将有很大差异，作为设计条件之一的施工工期，在一定程度上会影响基本施工方法的选择，因为工期决定了在均衡生产的条件下，对开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求，当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等不良影响时，环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一。
33.三维数字模型包括环境模型和施工设备模型，环境模型是根据自然环境条件构建的施工方案的虚拟的现场布置场地，采用不同的施工方法和施工流程均会对场地的布置产生不同的影响，施工设备模型包括施工方案中所采用的机械设备、材料种类等。
34.三维数字模型的建立采用影像融合模块建立，该影像融合模块包括图像多维度分解子模块和图像多尺度融合子模块，首先通过相关设备采集隧道本体数据和周边环境数据，隧道内部和周边环境的内部信息数据可采用探地雷达，红外热像扫描等设备完成收集，隧道表面和周边环境的表面信息数据可采用高清摄像机等设备进行采集，将采集到的数据信息导入多维度分解子模块内，图像多维度分解子模块对采集到原始影像进行均匀离散曲波变换分解，从而得到图像不同的尺度信息和不同方位下的子带系数，并且根据傅里叶变换公式，对输入的信号进行变换，得到频域数据，傅里叶变换公式为：
[0035][0036]
其中，f(ω)叫做f(t)的像函数，f(t)叫做f(ω)的像原函数，f(ω)是f(t)的像，f(t)是f(ω)原像。
[0037]
图像多尺度融合模块将得到的频域数据进行分类，分为低频数据和高频数据，并将其按照分类进行融合，从而得到低频融合系数和高频融合系数，将得到的低频融合系数和高频融合系数进行均匀离散曲波逆变换，最终得到优化后的三维模型。
[0038]
s2、根据建立的三维数字模型确定隧道爆破点和爆破参数，并在隧道爆破点周边布置测量点。
[0039]
在步骤2中，根据建立的三维数字模型确定隧道爆破点和爆破参数，测量点布置在隧道爆破点周边，掏槽孔与隧道开挖工作面的夹角为40
°
～60
°
，槽眼内的外层掏槽孔的孔深为2.0m～3.0m，内层掏槽孔的孔深为3.7m～4.0m，内、外层掏槽孔的垂直间距为0.8m～1.0m，同侧相邻槽眼的外层掏槽孔之间的孔口最短距离至少为6m，内层掏槽孔之间的孔口最短距离至少为8m，最大单段炸药量的计算公式为：
[0040][0041]qmax
为延时爆破最大单段药量；v为保护对象所在地址点振动点安全允许速度(cm/s)；k,a为与爆破地点和周边环境之间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，r为爆破震源与测量点之间的最短距离。
[0042]
测量点沿隧道掘进方向设置至少5个，沿隧道的掘进方向的反方向设置至少5个，沿隧道掘进的正方向和反方向设置若干测量点，这些测量点一方面可对爆破产生的振动波的振动强度进行监测，另一方面也可监测振动波的加速度，以此达到监测爆炸产生的振动效果的目的。
[0043]
s3、槽眼开挖。
[0044]
在步骤3中，根据确定的爆破点进行槽眼开挖，多个所述槽眼以隧道中轴线为对称轴，对称分布在所述隧道两侧的岩壁上，每个槽眼内至少开设有两对掏槽孔，掏槽孔沿槽眼中轴线对称设置，且每对掏槽孔均由内层掏槽孔和外层掏槽孔组成。
[0045]
s4、装药爆破。
[0046]
在步骤4中，掏槽孔内的炸药填充采用间隔装药的方式，间隔装药的孔内各装药段之间的堵塞长度为1.0m～3.0m，同一槽眼内，内、外层掏槽孔之间采用毫秒延迟爆破的方式进行爆破，相邻所述槽眼内掏槽孔之间采用的毫秒延迟爆破的延迟时间间隔范围为20ms～50ms，爆破顺序如图2所示，按照由内层掏槽孔向外层掏槽孔的顺序进行，即内层掏槽孔
①
/
②
至外层掏槽孔
③
/
④
的顺序起爆，爆破时，内层掏槽孔周围的岩体在炸药的作用下破碎并被抛掷，从而形成第一层抛掷区，同一槽眼内沿中轴线相对设置的内层掏槽孔爆破后产生的部分岩体碎片之间相互碰撞，形成第二层抛掷区，紧接着外层掏槽孔内的炸药爆炸，形成第三层抛掷区，同一槽眼内沿中轴线相对设置的外层掏槽孔爆破后形成的部分岩体碎片之间相互碰撞，从而形成第四层抛掷层。
[0047]
如图2所示，以一个槽眼为例，该槽眼内开设有至少两对掏槽孔，每对掏槽孔均由内掏槽孔和外掏槽孔组成，内掏槽孔包括内掏槽孔
①
和内掏槽孔
②
，外掏槽孔包括外掏槽孔
①
和外掏槽孔
②
，其中隧道掏槽孔的主要爆破参数如表1所示。
[0048]
表1
[0049][0050]
s5、收集测量点记录的爆破信息，测量点的并根据爆破信息绘制地震波振动加速度图验证减震效果。
[0051]
在步骤5中，不同方位的测量点收集到在不同的时间点，爆破时产生的振动波和振动加速度，并将采集到的数据通过终端设备进行整合处理，最终输出检测到的振动波形图，将采用减震爆破方案产生的振动波形图和原爆破方案产生的振动波形图对比，如图3至图4所示，图3为常规爆破地震波振动速度波形图，图4为减震爆破地震波振动速度波形图，将图3与图4对比可以明显看出，在0s至0.2s的时间段里，采用常规爆破方案产生振动速度波明显高于采用减震爆破方案产生的振动速度波，从0.2s往后，采用常规爆破方案和减震爆破方案产生的振动速度波差距逐渐缩小，并随着时间的推移，最后趋于平缓，由此对比可以验证出，在爆破作业的初期，采用减震爆破方案进行爆破能够有效的降低爆破产生振动速度波，因此采用减震爆破方案进行爆破完全具备有效性。
[0052]
本发明的基于不良地质的爆破减震方法的一种实施方式，三维数字模型采用bim软件建立隧道的3d模型；将该3d模型与进度计划进行关联，生成4d模型，利用navisworks软件中的timeliner模块对4d模型进行仿真模拟，在仿真模拟的过程中，可对施工方案进行施工模拟分析，其中模拟环节可包括各项碰撞检测和施工模拟，碰撞检测包括土建模型碰撞检测和隧道内部管道碰撞检测，根据检测结果确定各个施工环节的工艺措施，从而确定最
优的施工方案，并且可在其中设置各单位、各项目人员的名单以及他们所能获得的相关权限和职能，并在4d模型的基础上引入成本，导入各工序人工费、材料费和机械费，根据引入的成本建立5d模型；基于该5d模型，利用挣值法对计划进度和实际进度进行偏差分析，从而得到分析结果，并针对分析结果制定相应的改进措施，将三维数字模型与施工进度计划及施工成本等相结合，能够对隧道的爆破施工进行可视化管理，并针对隧道的实际情况研究出相适应的作业方式，对隧道中的槽眼位置、间距、钻孔深度、钻孔角度、钻社角度、装药量等参数进行确定，保证实际作业中的工作安全性、经济性及快速性，从而提高了工作效率，节省了工期及成本。
[0053]
本发明的基于不良地质的爆破减震系统，采用了本发明任一实施例的基于不良地质的爆破减震方法，包括信息数据采集模块和数据建模分析模块，信息数据采集模块包括红外发射子模块、红外接收子模块和高清摄像机，红外发射模块和红外接收模块成对设置在信息数据采集模块上，其中红外发射模块对测量点发射出正弦光波，红外接收模块接收反射回来的光波信号，通过发射的光波信号和接收的信号形成的深度场，由此隧道的深度信息采集装置可采用红外发射器和红外接收器配合进行信息采集工作，也可采用探地雷达等装置进行隧道深度信息的收集，高清摄像机设置在所述信息数据采集模块的两侧，以此可对隧道表面和隧道周边环境进行拍摄收集。
[0054]
数据建模分析模块均可以为由计算机运行特定的程序实现的功能模块，通过计算机运行相应的程序模块可实现数据处理模块和建模分析模块中的所有功能以及其可以达到效果。根据确定的模型编制计算机程序，属于本领域的常规技术手段，在本说明书中不再赘述。建模分析模块在计算机中建立以隧道主体、周边环境以及施工方案等相结合的bim模型，并通过对该模型进行分析，确定最终的施工作业方案，由计算机将从该方案中获取的数据进行集中处理，最后将处理结果绘制成地震波振动加速度图来验证减震效果。
[0055]
在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0056]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。