隧道掘進鉆爆設計信息管理系統的構建與實現

李迎凱 曾玉生

目前隧道掘進施工中，主要采用鉆孔爆破法，鉆爆作業是其最重要的一個環節。在一個掘進作業循環的全部時間內，鉆爆工作量約占40%～60%，而且技術也比較復雜。爆破效果的好壞直接影響后續鏟裝工作能否順利進行。然而鉆爆設計工作大都是靠人工、憑經驗，存在設計計算和繪圖工作量大、繁瑣、易出錯和資料的積累、查詢工作復雜等弊端。隨著計算機應用技術的發展，實現鉆爆設計的自動化是完全有可能的。事實上國內外在計算機輔助鉆爆設計方面也已進行了有益的嘗試和探索，并取得了一定的進展。本文在此基礎上結合鉆爆設計現狀和施工過程中所需信息構建開發隧道掘進鉆爆設計信息管理系統，旨在提高鉆爆設計效率和質量，從而提高隧道掘進施工速度。

1 系統構建的原則

隧道掘進鉆爆設計信息管理系統開發的目的是應用于隧道施工實際，提高鉆爆設計效率和信息管理水平，所以系統構建的原則如下:

1)實用性。系統實現后能夠很快應用到隧道施工當中，方便使用人員迅速掌握操作技巧，指導施工實踐，滿足提高效率的要求。

2)可靠性。技術人員能夠根據鉆爆設計結果直接進行方案的制定和實施，并且能夠根據實際情況進行調整，滿足爆破效果要求。

3)集成性。系統的信息管理包含鉆爆施工所需的相關知識和施工歷史信息，方便進行查詢來指導設計和施工的順利實施。

2 系統結構的劃分

通過對隧道掘進鉆爆設計與施工整個過程分析，并根據系統結構功能劃分原則，可以將隧道掘進鉆爆設計信息管理系統劃分為五個模塊:鉆爆方案設計、鉆爆信息管理、鉆爆器材管理、鉆爆安全管理、系統管理。

3 鉆爆參數設計

3.1 鉆爆參數設計相關數據

隧道掘進鉆爆設計信息管理系統的設計應對鉆爆設計資料有全面的考慮。首先應當了解工程設計的概況，記錄鉆爆設計人員、鉆爆實施單位和鉆爆開始時間;輸入爆區地質情況、選擇炸藥和起爆器材、輸入斷面的形狀和參數、選取鉆孔設備以及確定掏槽方式。

3.1.1 爆區地質

通過對大量隧道鉆爆設計、施工資料的分析研究發現，影響爆破效果的爆區地質數據主要是圍巖級別、巖石類型、巖石普氏系數f值、節理發育程度、風化程度和地下水。為此，可將這些數據作為隧道爆破設計的原始基本數據，同時，還需按照鉆爆設計的要求，對其中一些定性數據進行量化處理。

3.1.2 炸藥和起爆器材的選取

工程用炸藥一般以某種或幾種單質炸藥為主要成分，另加一些外加劑混合而成。目前在隧道鉆爆施工中使用最廣的是硝銨類炸藥。硝銨類炸藥品種極多，但其主要成分是硝酸銨，占60%～85%以上，其次是梯恩梯或硝酸鈉(鉀)，占10%～15%。設置傳爆起爆系統的目的是在裝藥(藥包或藥卷)以外的安全距離處通過發爆(點火、通電或激發槍)和傳遞，使安在藥包或藥卷中的雷管起爆，并引發藥包或藥卷爆炸，從而爆破巖石。

3.1.3 斷面形狀及參數

斷面的形狀主要有圓形、拱形、橢圓形、矩形。下面以本單位應用最為廣泛的直墻圓拱形斷面為例，需要輸入的參數有:斷面跨度、側墻高度、矢高、半徑等，從而可計算出鉆爆斷面面積。

3.1.4 掏槽方式選取

根據隧道掘進斷面、巖石性質和地質構造等條件，掏槽孔的排列形式有很多種類，歸納起來可分成三種: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與工作面斜交的掏槽方法。通常有單向掏槽、錐形掏槽和楔形掏槽幾種形式。直眼掏槽通常分為龜裂掏槽、桶形掏槽和螺旋形掏槽三種類型。本系統主要是最常用的錐形掏槽、楔形掏槽、直眼掏槽、混合掏槽等幾種掏槽方式的選取。在Visual Basic語言中實現上述初始設計變量的輸入通過在輸入界面中添加Text，OptionButton和ComboBox控件來完成，把輸入的數值賦給計算過程中的變量。

3.2 設計結果的輸出

3.2.1 爆破參數的輸出

在Visual Basic應用程序代碼窗口中編寫代碼，把輸入的基本數據賦給過程中的變量，通過選擇合適條件及范圍的經驗公式來計算，得出炮孔起爆順序、炮孔個數、孔角、孔深、單孔孔長、裝藥結構、單孔炸藥量等參數。利用ListView控件輸出結果，方便打印。

3.2.2 預計鉆孔爆破指標輸出

預計鉆孔爆破指標主要包括:開挖面積、每循環進尺、每循環爆破石方、炮眼總數、鉆孔總長、雷管用量、炮孔利用率、炸藥用量、單位耗藥量、單位雷管用量等指標。

3.2.3 炮孔布置圖

圖形生成界面是系統生成炮孔布置圖的容器，通過此界面用戶可以查看系統生成的炮孔布置圖，系統根據設計結果，繪制炮孔布置圖，圖中顯示炮孔位置、個數、孔角、抵抗線、孔間距、起爆順序等。

4 數據庫管理設計

基于Visual Basic爆破管理系統中的數據量很大，爆破設計人員經常要查找巖石和炸藥的特性，將設計的參數和相似爆破工程進行比較。隧道掘進鉆爆設計信息管理系統建立了炸藥信息查詢、巖石信息查詢、實例信息管理系統。運行爆破系統設計計算出的爆破參數，添加于實例庫中，最后進行爆破參數對比分析。

4.1 數據庫的建立

Access是一種新型的交互式關系類型數據庫管理系統，可以用最簡單的方式建立一個數據庫，可以接收和轉換多種文件格式的數據，并方便地對現存的數據庫進行擴展和升級。Access與Visual Basic結合，可創建出功能強大的數據庫應用系統。

VB數據庫體系是由用戶界面數據庫引擎和數據倉庫三層組成的層次結構。本設計將初始數據的錄入在Access中完成，采用ADO對象庫編程，設計出友好的用戶界面及驅動該界面的VB程序代碼，來實現對爆破數據庫的操作與管理。

4.2 數據庫的使用

該系統在巖石數據庫中根據巖石的分類，確定各類巖石的名稱、特性、容重、爆破性分級、抗壓強度、巖石堅固性系數等。在炸藥數據庫中根據炸藥的分類，確定工程中常用炸藥名稱、密度、猛度、爆力、殉爆距離、比容等參數。搜集以往的爆破資料，建立實例數據庫，與系統設計的爆破各參數參考和類比，進行調整和修改。在以上各類數據庫中通過對數據添加、保存、刪除、修改命令，實現對數據庫的管理。通過隧道掘進鉆爆設計信息管理系統對爆破參數的設計，將爆破參數添加到實例庫中。保存設計參數于實例庫中，通過從實例庫中調用參數，在爆破參數分析界面里對參數進行對比分析調整。

5 應用實例

下面是利用開發的系統對一個隧道鉆爆初始條件輸入、爆破參數、預計指標、炮孔布置圖的繪制的實現，并且介紹該系統相關的使用方法。

5.1 爆破初始條件

表1 鉆爆參數設計相關數據

首先明確工程的設計概況，輸入該工程的名稱、斷面代號、設計人員、施工單位、鉆爆開始時間和預計結束時間，以及該工程的基本施工概況，點擊確定將工程屬性輸入數據庫，方便今后查詢使用，并且進入鉆爆參數設計界面。根據地質勘探和查詢巖石、炸藥信息，輸入爆區地質情況、炸藥類型選取、斷面形狀及參數、鉆孔設備和鉆桿型號、掏槽類型等初始參數等。部分參數輸入情況如表1所示。

5.2 爆破參數的輸出

通過系統自行運算，輸出炮孔設計參數表(如表2所示)。通過打印功能形成爆破說明書，點擊確定將主要參數錄入數據庫，以便查詢和與實例工程進行對比。

表2 炮孔技術參數表

6 結語

該系統采用目前操作簡便的Visual Basic語言編寫，容易被現場技術人員掌握;而且對于不同巖性、不同斷面、不同掏槽類型、不同炸藥類型和性能參數、不同設計變量等均無需調整程序，可方便使用。輸入初始數據后系統在后臺進行計算，能夠自動進行炮孔布置，裝藥量計算和爆破效果預測。代替了手工或簡單用AutoCAD繪制炮孔布置圖表，實現了自動繪制炮孔布置圖和起爆連接網絡，避免了炮孔圖表的繪制落后于施工、阻礙工作進度，提高了隧道掘進鉆爆設計的質量和效率。在Access中建立爆破實例數據庫資料，通過與Access的連接，實現了利用鉆爆信息數據庫進行爆破知識查詢和工程類比設計。

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