基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法

1.本发明属于隧道工程施工领域，具体是一种基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法。


背景技术：

2.近年来我国基建工程大规模上马，而隧道工程是基建工程中非常重要的一部分，隧道工程施工中开挖方式通常分为人工开挖、机械开挖和爆破开挖，爆破开挖具有施工成本低的显著特点，因而其在山岭隧道中通常采用。爆破开挖爆破方式依赖于岩体的物理力学特性，通常爆破设计基于工程岩体分级，但这种设计方法过于粗糙，不能准确反映隧道掌子面岩体的不均匀性和多变性，造成爆破超挖和欠挖现象，既浪费炸药，又造成隧道稳定性差，或需后续补挖、充填注浆等额外施工。目前流行的设计方法是控制爆破，其设计依据岩体的物理力学特性，科学合理设计炮眼布置及装药方式，有时还辅以定向爆破管等装置，但其所依赖的基础为待爆岩体的物理力学特性。目前，精准及时掌握待爆岩体所需爆破能量是亟待解决的难题。
3.因此，考虑到爆破的精准性和设计调整的及时性，本发明提供了一种基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，以解决隧道爆破技术中的上述不足之处。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提供一种基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法。
5.本发明采取以下技术方案：一种基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，包括以下步骤。
6.s100～在钻机的钻杆夹具上安装动态压力计，动态压力计的感应面朝钻杆前方，动态压力计连接压力数据显示仪；在钻机的钻头底面安装应力传感器，应力传感器连接应力数据显示仪；钻机的钻杆末端安装位移计，位移计与位移数据显示仪相连。
7.s200～钻机钻进，通过位移计、应力传感器和动态压力计获取位移动态曲线、应力动态曲线和压力动态曲线，然后通过时间对应关系获得钻头应力随位移曲线以及钻杆压力随位移曲线，为钻孔不同深度破岩比能计算提供基础数据。
8.s300～利用公式，基于钻头应力随位移和钻杆压力随位移曲线计算钻孔不同深度破岩所需比能，e为各点岩体钻破所需的比能，σ为各点处应力传感器所显示的应力值，p为各点处压力传感器所显示的压力值，d为钻孔的直径，k为4.2σ，钻孔的深度等于位移传感器的位移值，同时计算获得破岩比能-位移图。
9.s400～利用公式计算单孔爆破破岩所需能量，其中w为掌子面爆破所需的能量，l为炮眼深度，a为单眼控制爆破面积。
10.s500～利用公式计算单孔所需炸药量，其中q为炸药质量，m为单位质量炸药爆炸的能量。
11.s600～利用公式计算所需炸药的卷数，n为所需炸药的卷数，q为单卷炸药的质量。
12.s700～依据破岩比能分布间隔装药。
13.与现有技术相比，本发明在钻机钻杆夹具上安装动态压力计,压力计感应面朝钻杆前方，压力计与数据线并连接压力数据显示仪；在钻头底面安装应力传感器，应力传感器数据线从钻杆内部引出，并连接应力数据显示仪；钻杆末端安装位移计，位移计通过数据线与位移数据显示仪相连；钻机钻进过程中获取位移动态曲线，应力动态曲线和压力动态曲线；利用公式计算不同位置破岩所需比能。本发明测试设备安装简单，计算原理清晰，计算方法简便，可以实时准确预测所钻岩体破岩所需的比能，并根据爆破岩体所需的能量设计爆破方式及装药，大大提高爆破效率和爆破质量。
14.因此可以带来以下有益效果：1.各传感器安装简便，可适用于大部分打眼钻机，推广性强；2.本发明原理简单，易于操作；3.本发明可以实时监测，及时获得不同位置破岩比能；4.本发明可以快速方便计算获得爆破所需的能量。
附图说明
15.图1是所述方法各监测仪器安装立体示意图；图2是所述监测应力-时间实例图；图3是所述监测位移-时间实例图；图4是所述监测压力-时间实例图；图5是所述转换应力-位移实例图；图6是所述转换压力-位移实例图；图7是所述破岩必能-位移实例图；图8是所述破岩质量-位移实例图；图9是依据破岩比能装药实例图；图中，1为钻机底座，2为钻杆夹具，3为钻杆，4为钻头，5为应力传感器，6为压力传感器，7为位移传感器，8为数据传输线，9为应力数据显示仪，10为位移数据显示仪，11为压力数据显示仪。
具体实施方式
16.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.一种基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，包括以下步骤：
s100～参见图1，在钻机的钻杆夹具2上安装动态压力计6，动态压力计6的感应面朝钻杆前方，动态压力计6连接压力数据显示仪；在钻机的钻头4底面安装应力传感器5，应力传感器5连接应力数据显示仪9；钻机的钻杆3末端安装位移计7，位移计7与位移数据显示仪10相连。
18.s200～钻机钻进，通过位移计7、应力传感器5和动态压力计6获取位移动态曲线（图3）、应力动态曲线（图2）和压力动态曲线（图4），然后通过时间对应关系获得钻头应力随位移曲线（图5）以及钻杆压力随位移曲线（图6）。
19.s300～利用公式，基于钻头应力随位移和钻杆压力随位移曲线计算钻孔不同深度破岩所需比能，e为各点岩体钻破所需的比能，σ为各点处应力传感器所显示的应力值，p为各点处压力传感器所显示的压力值，d为钻孔的直径，钻孔直径为45mm，k为4.2σ，同时计算获得破岩比能-位移图（图7）。
20.s400～利用公式计算单孔爆破破岩所需能量，其中w为掌子面爆破所需的能量，l为炮眼深度，a为单眼控制爆破面积。本实验中炮孔深度2200mm，间距800mm，即a=0.64m2，计算得w=2.32mj。
21.s500～利用公式计算单孔所需炸药量，其中q为炸药质量，m为单位质量炸药爆炸的能量；取矿用乳化炸药m为3mj/kg，计算得q=0.77kg。
22.s600～利用公式计算所需炸药的卷数，n为所需炸药的卷数，q为单卷炸药的质量；规格35
×
200mm药卷为200g/卷，即q为200g，计算得n=3.87卷，取n为4卷。
23.s700～依据破岩比能分布间隔装药。
24.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。


技术特征：
1.一种基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，其特征在于：包括以下步骤，s100～在钻机的钻杆夹具（2）上安装动态压力计（6），动态压力计（6）的感应面朝钻杆前方，动态压力计（6）连接压力数据显示仪；在钻机的钻头（4）底面安装应力传感器（5），应力传感器（5）连接应力数据显示仪（9）；钻机的钻杆（3）末端安装位移计（7），位移计（7）与位移数据显示仪（10）相连；s200～钻机钻进，通过位移计（7）、应力传感器（5）和动态压力计（6）获取位移动态曲线、应力动态曲线和压力动态曲线，然后通过时间对应关系获得钻头应力随位移曲线以及钻杆压力随位移曲线，为计算破岩比能提供基础数据；s300～基于钻头应力随位移和钻杆压力随位移曲线计算钻孔不同深度破岩所需比能，同时计算获得破岩比能-位移图；s400～计算单孔爆破破岩所需能量；s500～计算单孔所需炸药量；s600～计算所需炸药的卷数；s700～依据破岩所需的比能分布间隔装药。2.根据权利要求1所述的基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，其特征在于：所述的步骤s300中，利用公式计算破岩所需的比能，其中e为各点岩体钻破所需的比能，σ为各点处应力传感器所显示的应力值，p为各点处压力传感器所显示的压力值，d为钻孔直径，k为4.2σ，钻孔的深度等于位移传感器的位移值。3.根据权利要求1所述的基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，其特征在于：所述的步骤s400中，利用公式计算，其中w为掌子面爆破所需的能量，l为炮眼深度，a为单眼控制爆破面积。4.根据权利要求1所述的基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，其特征在于：所述的步骤s500中，利用公式计算，其中q为炸药质量，m为单位质量炸药爆炸的能量。5.根据权利要求1所述的基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法，其特征在于：所述的步骤s600中，利用公式计算，n为所需炸药的卷数，q为单卷炸药的质量。

技术总结
本发明属于隧道工程施工领域，具体是一种基于钻孔能量耗散监测的隧道开挖爆破优化方法。S100～在钻机的钻杆夹具上安装动态压力计，在钻机的钻头底面安装应力传感器，钻机的钻杆末端安装位移计；S200～钻机钻进，通过位移计、应力传感器和动态压力计获取位移动态曲线、应力动态曲线和压力动态曲线，然后通过时间对应关系获得钻头应力随位移曲线以及钻杆压力随位移曲线，为计算破岩比能提供基础数据；S300～基于钻头应力随位移和钻杆压力随位移曲线计算钻孔不同深度破岩所需比能，同时计算获得破岩比能-位移图；S400～计算单孔爆破破岩所需能量；S500～计算单孔所需炸药量；S600～计算所需炸药的卷数；S700～依据破岩所需的比能分布间隔装药。需的比能分布间隔装药。需的比能分布间隔装药。


技术研发人员：陈培利 刘万林 成俊文 贾宗瑜 刘研 叶志宾 杨双锁 秦云 孙康华 张书豪 牛少卿 孙龙华 池磊 傅重阳 王子君 刘鹏君 武云龙 苏鑫 张泽锋
受保护的技术使用者：中铁开发投资集团有限公司 中铁三局集团第五工程有限公司 太原理工大学
技术研发日：2021.11.05
技术公布日：2022/6/4