隧道掘進爆破方案自動化系統設計研究

魏文義，李世才，李哲民，王 勇，羅利彬

(中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司 山東 濟南 250000)

當前，隨著我國基礎設施建設的快速發展，山嶺隧道建設和施工越來越多。其中，山嶺隧道開挖最常用的方法為鉆爆法。傳統的隧道掘進爆破方案設計多依據類似工程經驗，設計人員采用CAD或其他繪圖軟件進行的手動設計，方案設計效率低[1-2]。受設計人員技術水平、工作經驗以及爆破設計復雜性的影響，該爆破設計方案常常無法滿足隧道開挖需要。

近年來，國內外許多學者針對隧道掘進爆破自動化、智能化設計開展了大量的研究，且大多是涉及計算機輔助設計系統的研究[3-6]。文獻[7]研究了一種用于數字礦山的跨平臺隧道爆破設計系統，該系統實現了系統建模、爆破參數設計、三維孔型三維爆破動畫生成和參數報表生成。文獻[8]研究了隧道掘進爆破設計與荷載計算系統。文獻[9]對巷道掘進爆破系統研究與開發進行了相關研究。另一方面，在國外，該方面的研究起步較早，因此獲得了較多的研究成果。如加拿大諾蘭達(Noranda)技術中心研發BLASTCAD系統[10]，可通過輸入設計參數自動輸出炮孔布置圖以及爆破方案設計書。澳大利亞澳瑞凱公司開發了Shotplus軟件[11]，該軟件主要針對大型露天礦，尤其是拋擲爆破，具有設計和評價功能。美國愛達荷礦業學院Marrtin Smith和Robert L.Hautala聯系計算機專家系統進一步開發出爆破專家系統，Cater.C.L研發出爆破管理軟件。

以上研究成果大多實現了特定工程類型的爆破方案設計，且研發輔助化軟件系統需要安裝軟件或者插件[12-13]，系統的普適性、便捷性和自動化水平較低。為此，本文依托寨山隧道工程，通過隧道爆破設計理論及爆破方案設計的分析，應用現場試驗、軟件編程和互聯網+相結合的技術，研究并開發了隧道掘進爆破方案自動化設計系統。該系統可直接通過瀏覽器進行使用，無需安裝插件，爆破方案設計流程化、自動化水平更高。

1 隧道爆破設計依據

隧道工程施工前，應根據工程地質條件、巖體可爆性、隧道斷面尺寸、開挖方法、循環進尺、鉆眼機具和爆破器材等做好鉆爆設計，合理地確定出炮孔的數目、間距、深度、角度，確定出炸藥單耗、裝藥量、裝藥結構、起爆方法、起爆順序，安排好循環作業等，以便正確指導隧道鉆爆施工，達到預期的爆破效果。

(1)鉆爆法施工的基本要求[12]。①爆破時對圍巖的擾動破壞小，能夠保證圍巖的穩定性。②爆破后能夠達到斷面的設計要求且隧道輪廓較為平整，超、欠挖量在允許最大超挖值范圍內，并且盡量不出現欠挖的情況。 ③爆破后掘進進尺達到施工設計要求，工作面平整，炮根短淺。④爆破后的大塊率控制在合理范圍內，拋擲位置相對集中，滿足裝渣作業的要求。⑤在保證爆破效果的情況下，盡量減少炮孔數量，減少鉆眼工作量、炸藥等爆破材料的耗量。⑥避免爆破對周圍機械等設備的破壞，減少施工對周圍環境的污染。

(2)炮眼布置。炮眼布置順序依次為掏槽眼、周邊眼、輔助眼。掏槽眼一般布置在開挖面中央偏下部位，目的是為其他炮眼的爆破創造新的臨空面，其炮眼深度通常比其他炮眼深15～20 cm。除掏槽眼和底部炮眼外，所有其他炮眼眼底應落在同一垂直面上。底部炮眼深度一般與掏槽眼相同。周邊眼應嚴格按照設計位置布置。為方便機械鉆眼、減少超欠挖、形成平整順滑的輪廓面，在設計周邊眼時要設置外插斜率，其取值為3%～5%。輔助眼設置在周邊眼和掏槽眼之間的位置，由里至外，逐層布置。

(3)裝藥量的計算及分配。合理的裝藥量應根據所使用炸藥的性能，結合工程地質條件、炮眼直徑及深度、爆破負擔巖體體積和爆破效果要求等條件進行確定。目前，通常先通過爆破體積公式計算出一個循環進尺的總用藥量，然后根據各類型炮眼的爆破特性和要求進行分配，在爆破實踐中加以檢驗和修正，直至取得良好的爆破效果。

2 系統實現

2.1 需求分析

為了實現隧道鉆爆法掘進開挖時炮孔與裝藥參數化設計和爆破方案的自動生成。①要引入隧道幾何參數，包括斷面大小、形狀等，依據圍巖條件確定圍巖等級、開挖工法、循環進尺等；②依據施工條件確定炮孔孔徑，通過編制炮孔參數生成方法和桌面交互式設計，實現炮孔參數的設計；③選用炸藥類型，依據工程地質條件和爆破負擔巖體體積，通過經驗公式生成裝藥參數，配置炮孔裝藥量和裝藥結構，實現裝藥參數設計；④通過編制爆破設計方案生成流程，依據上述設計步驟，實現爆破方案的自動生成。整個系統通過網頁端加載，配置用戶名和密碼，實現隧道爆破方案的在線瀏覽和交互設計。對系統的主要需求如下。

(1)用戶能夠流暢地訪問系統，系統的穩定性高，對可能發生的錯誤進行捕捉，并及時對其進行反饋與處理。

(2)系統界面簡潔，操作簡單，用戶可對炮孔設計進行調整，例如對炮孔進行平移、縮放、刪除、添加等功能。

(3)支持參數化爆破設計，即通過導入爆破參數文件，可實時展示炮孔設計分布等參數，支持用戶交互，通過修改參數可實現炮孔設計的動態調整。

(4)根據爆破設計能夠方便有效地導出爆破設計方案文檔，實現與其他軟件的連接。

(5)簡單易用，不需要安裝任何插件或軟件，通過瀏覽器便可直接瀏覽、操作。

2.2 系統設計

2.2.1 總體設計

隧道爆破方案自動化設計總體設計如圖1所示。工程概況包括隧道類型、隧道里程、工程地質條件、圍巖分級、圍巖單軸抗壓強度和埋深；隧道幾何參數包括斷面大小、形狀、開挖方式及子斷面劃分；炮孔參數包括炮孔類型、數量、深度、間距和傾角；裝藥參數爆破單孔裝藥量、總裝藥量和裝藥結構；爆破方案自動生成包括工程概況、炮孔參數和裝藥參數的流程化導出和編輯，系統通過內嵌炮孔和裝藥設計圖表，實現炮孔參數的形象展示和裝藥參數的統計，最終生成爆破設計方案文檔。

圖1 系統總體設計

2.2.2 隧道輪廓自動化生成

隧道輪廓參數化自動生成方法如圖2所示。

圖2 隧道輪廓參數化自動生成方法

首先依據設計文件，將隧道輪廓劃分為圓弧段和直線段，確定圓弧段與直線段的數量、直徑、角度等參數，應用.txt編輯隧道輪廓組成參數；再應用Canvas設置隧道輪廓的起始位置，一鍵導入.txt文件自動生成隧道輪廓。

2.2.3 隧道炮孔軟件設計

隧道炮孔布置軟件實現的方法如圖3所示，首先按照炮孔分類和炮孔生成順序，通過.txt文件參數化導入和界面手動交互輸入，初步生成炮孔數量、分布和傾角等布置參數；然后軟件提供交互添加、刪除、移動等功能，優化生成最優的炮孔布置設計。

圖3 炮孔布置軟件實現方法

2.2.4 炮孔裝藥量設計

炮孔裝藥量及裝藥結構設計方法如圖4所示。

圖4 裝藥量及裝藥結構設計方法

首先，將炮孔布置參數自動生成表格，按照炮孔種類順序編號；然后，依據循環開挖進尺、每種炮孔負擔的爆破巖體體積和裝藥量經驗公式綜合確定炮孔的裝藥量大小，并自動統計生成表格；最后，按照炮孔孔長和裝藥量，設置炮孔縱向長度方向的間隔裝藥結構，實現炮孔裝藥量及裝藥結構的設計。

2.3 軟件技術

基于互聯網+的創新發展新形態，將互聯網與傳統隧道爆破設計相結合，實現隧道爆破方案的網頁端加載和自動化設計。采用的軟件技術包括HTML5、Canvas和cookie與session登錄認證技術。

(1)HTML是萬維網的核心技術之一，它是在互聯網上創建和展現內容的一種超文本標記語言。HTML5是新版本的HTML語言，具有新的元素、屬性和行為，它有更大的技術集，能夠創建出更多樣化和更強大的網站和應用程序。HTML5提供更多數據與應用開放接口，使外部應用可以與瀏覽器內部數據直接相連。

(2)Canvas是HTML5的新增組件，它就像是一塊幕布，可以用JavaScript在網頁上繪制各種圖表和動畫。在沒有Canvas時，只能借助Flash插件來實現繪圖，頁面必須使用JavaScript和Flash進行交互才能得以實現。有了Canvas，就可以直接使用JavaScript完成繪制，不再需要Flash插件。

基于cookie和session的登錄認證技術實現了網頁端的賬號、密碼登錄或手機驗證碼登錄。

3 工程實例驗證

3.1 工程概況

用戶在系統中創建隧道項目時，除了確定隧道名稱和隧道類型外，還需要對項目的工程概況進行編輯，主要包括工程地質條件、工程要求等。該部分內容將在最終的爆破設計方案中得以體現。隧道項目創建完成后，對隧道的里程段進行創建，其中主要包括里程段名稱、圍巖級別、模型輪廓、開挖工法和里程段概況。其中模型輪廓運用參數化繪制，用戶直接上傳隧道輪廓圓弧段直徑、角度等幾何參數文件，系統可運用Canvas直接繪制生成。

3.2 炮孔設計

在上傳隧道輪廓參數后，將進行炮孔的設計及布置，本系統炮孔設計布置采用參數化布置，通過上傳炮孔參數文件進行自動化炮孔布置，同時可對上傳的任意參數進行修改，在炮孔布置展示圖上可直接進行炮孔的添加、刪除等操作。

3.3 裝藥設計

在炸藥結構模塊，可以對爆破采用的裝藥結構進行選擇，裝藥結構類型主要包括間隔、非間隔、耦合、非耦合裝藥，同時采用間隔裝藥時，可采用空氣間隔裝藥或水袋法間隔裝藥。在裝藥設計模塊，用戶針對各類型炮孔及逆行單孔裝藥量的設計，系統通過統計前面設計的炮孔數量參數，自動計算出總裝藥量。

3.4 導出爆破方案

爆破方案設計完成后，系統通過后端將爆破方案所涉及的圖表等數據進行統計整合，自動生成爆破設計方案Word文檔，可直接進行導出。爆破設計方案文檔的導出便于用戶對其進行修改編輯。

4 結論

(1)依托寨山隧道工程，通過隧道爆破設計理論及爆破方案設計的分析，應用現場試驗、軟件編程和互聯網+相結合的技術，研究并開發了隧道掘進爆破方案自動化設計系統，包括炮孔設計、裝藥量與炸藥結構設計和爆破方案自動化生成。

(2)炮孔設計模塊采用參數化和界面交互式聯合方法，極大地提高了炮孔設計及繪圖效率，便于設計人員根據施工條件變化隨時調整炮孔參數。

(3)裝藥設計選定炸藥類型，依據工程地質條件和爆破負擔巖體體積，通過經驗公式生成裝藥參數，配置炮孔裝藥量和裝藥結構，并可實現裝藥量自動統計。

(4)系統支持一鍵導出爆破設計方案，對前面各模塊的設計數據進行統計整理，生成word文檔，導出后支持二次編輯。