龙永爆破施工指导研究大纲1.doc

项目建议书

项目名称：山区高速公路灰岩边坡及隧道爆破开挖施工优化关键技术研究

申报单位：湖南省龙永高速公路建设开发有限公司

参加单位：长沙理工大学
国防科技大学

二○一二年十一月
山区高速公路灰岩边坡及隧道爆破开挖施工优化关键技术研究
1、研究背景、意义
本项目以龙（山）永（顺）高速公路第13合同段边坡及隧道爆破工程为依托，该项目起点位于新寨村黑溪沟，终点位于沙湾庙，桩号为K41+900～K52+000，全长10.1km。其中K41+900～K42+300段为低山地貌，最高点高程约768.2m；K42+300～K49+100段为狭长的岩溶洼地，地形起伏相对较小，沿线地表多基岩出露，一般地面高程在580～650m。全线以中风化灰岩、白云质灰岩为主，部分不良地质段多岩溶区，线路右侧山坡植被较发育，左侧多为农田。岩石节理裂隙多呈微张或闭合状，且多被泥质物填充，总体地质条件较为复杂。爆破区域周边环境也不甚理想，爆破施工地段有多处民用建筑位于爆破振动影响范围内。
从该标段的地质、地形特点和周边环境情况来看，影响爆破施工的不利因素较多。因此，如何提高爆破施工效率和施工质量，确保爆破施工安全，降低爆破施工成本显得尤为重要。
爆破施工效率高低和施工质量好坏直接关系到总体工程的施工进度、工程质量、工程效益，以及施工单位的声誉等。而爆破参数设计和爆破施工工艺决定了爆破施工效率和施工质量。为此，加强山区高速公路灰岩爆破参数设计和施工工艺研究对于拟制技术上先进、投入上经济、效果上良好、实施上安全的爆破方案尤其重要。而利用数值模拟和试验相结合的技术手段进行爆破分析研究是当前国际发展的趋势。采用数值模拟的方法，可以方便、经济地模拟出不同地质、地形条件下边坡和隧道爆破逼真的动态爆破效果和大量力学数据，通过优化分析，确定最佳爆破参数组合，同时得到各个爆破参数下爆破块度的分布情况，从而优化比较出较为理想的爆破方案，然后再与理论分析结果和试验结果加以优化比较，从而确定出最优的爆破方案。数值模拟分析与传统的工程设计流程相比，加深了对物理现象的认识，而且通过计算机进行优化设计，可减少试验次数，缩短研制周期且大量节省人力、财力、物力，并能预言试验效果和详细展现动态过程的数据与图像，为试验技术发展提供详尽的技术背景资料。
该合同段的安全技术工作同样值得关注。由于该合同段地质条件较为复杂，存在较多的岩溶地域，且岩石节理裂隙多，如果在爆破技术设计和施工工艺上不加以重视的话，往往会出现冲炮事故，造成严重的人员伤亡。又考虑到施工区多处地段有民用建筑，周边环境也不理想，爆破产生的灾害效应如振动、空气冲击波、飞石等，都可能给国家和人民生命财产造成重大损失，也容易引起不少的民事纠纷，造成误工、阻工等事件的频频发生，严重影响施工进度和施工单位的信誉。为此，爆破施工安全控制应该是爆破施工过程中的重中之重。
另外，当地火工品单价较高，如何控制好火工品用量，降低工程成本也是工程面临的主要问题之一。
为了安全、经济有效地进行本工程爆破工作，必须深入探索山区高速公路灰岩爆破技术，提高理论和实践水平，大力促进该类工程安全效益和综合经济效益的提高。
鉴于此，本项目将通过对依托工程详细调研、理论研究、试验分析和计算机数值模拟分析，提出一套针对龙永高速公路第13合同段特殊地质条件和地形特点的边坡及隧道爆破施工参数，对施工方案进行优化，确保边坡和隧道围岩的完整和稳定，不超、欠挖，控制好爆破块度，并加快爆破施工循环和提高爆破效率，有效缩短爆破施工工期，并能在确保爆破施工安全的前提下，达到大幅降低施工成本、提高施工进度、最大限度减少爆破对周围环境的不良影响和获得良好爆破效果的目的，真正为创建“资源节约型、环境友好型”示范工程添砖加瓦。
2、 研究内容
本项目结合龙永高速公路的地质及施工特点，初步确定研究内容有如下六大方面：
（1）基于爆破影响分析的依托工程边坡及隧道地质地形调研与分类研究
对龙永高速公路第13合同段全线的地质、地形特点进行详细调研，并考虑施工要求，从影响爆破施工的角度进行详细分析，提出龙永高速公路第13合同段的基于爆破施工优化的地质地形分类，并标记具体路段，作为精细化爆破施工的基础。
（2）不同地质地形条件下的边坡和隧道爆破施工参数优化技术研究
采用数值模拟和现场试验的研究方法，建立相应的计算机模型并进行数值模拟研究，通过反复的爆破参数优化，确定爆破参数的最佳优化方案组合。然后通过现场试验的反复验证和获得的大量测试数据的基础上，确定不同地质和地形条件下的最佳爆破参数。
对于边坡爆破来说，对不同类型条件下的边坡爆破施工参数优化试验及数值模拟研究，从提高边坡爆破施工效率，并同时保证边坡爆破安全出发，提出孔距、孔深和单孔装药量的最优方案。
对于隧道爆破来说，从隧道爆破设计、开挖方法、爆破技术、掏槽形式、炮眼布置、装药量等的设计、计算出发，提出合理的隧道爆破形式，确定合适的爆破参数及最小抵抗线，减少二次破碎，最大限度地降低对围岩的破坏。
（3）爆破块度的试验和数值模拟研究
爆破块度分布是定量评价爆破质量的重要指标。合理的块度分布不仅能够降低开采成本，减小后续的二次破碎工作量，而且提高出渣效率。爆破块度的预测与控制是一项较为复杂的课题，尽管国内外研究者已作了大量的研究工作，但此问题迄今尚未得到很好的解决，其难点在于爆破碎块的形成受岩体内宏观节理、裂隙、断层等地质结构(构造)和爆破参数的双重控制。该合同段涉及岩溶地域和复杂节理、裂隙等地质结构，为此，加强该复杂地质条件下的灰岩爆破块度分布的研究，从经济和技术角度来讲都具有重要的意义。
（4）复杂地质条件下的爆破施工主动安全技术研究
该合同段由于地质条件较为复杂，存在较多的岩溶地域，且岩石节理裂隙多，如果在爆破技术设计和施工工艺上不加以重视的话，往往会出现冲炮事故，造成严重的人员伤亡。又考虑到施工区多处地段有民用建筑，周边环境也不理想，爆破产生的灾害效应如振动、空气冲击波、飞石等，都可能给国家和人民生命财产造成重大损失，也容易引起不少的民事纠纷，造成误工、阻工等事件的频频发生，严重影响施工进度和施工单位的信誉。
复杂地质条件下的爆破施工主动安全技术研究就是要化被动为主动，不是完全靠被动防护，而是从源头上减小爆破产生的灾害效应，大幅减少被动防护工作量。该项安全技术研究是建立在对复杂地质情况了如指掌的基础上的，体现在爆破参数设计中、落实在安全防护方案上的一项关键的山区高速公路灰岩爆破技术。
（5）爆破用药量及优化技术经济效益的精细化测算
通过数值模拟、现场试验的反复验证和获得的大量测试数据的基础上，参照条件相近工程的爆破技术参数和本工程相关地质参数，合理选取本项目标准单位用药量系数及松动爆破单位用药量系数等爆破参数，并精确计算装药量，对全线爆破用药量进行大致估算。同时，对本项目提出的施工优化技术的经济效益进行测算，评判施工优化技术的经济效果。
（6）龙永高速公路第13合同段边坡及隧道爆破施工技术培训和技术指导
应用本项目研究成果，对现场施工人员进行1-2次技术培训，并对爆破施工现场进行不定期的现场技术指导。
3 拟解决的关键技术
通过本项目的研究，拟解决以下关键问题：
（1）复杂地质条件下山区高速公路灰岩爆破计算机数值模拟和试验相结合技术
（2）对爆破块度进行预测，并提出影响爆破块度的关键因子及相互关系；目的是达到爆落的岩石块度均匀、粒径满足要求，爆堆集中，以提高装岩效率，并使爆落的碎石粒径能够满足龙永高速公路的路基填筑要求，实现爆渣的二次利用，降低施工成本。
（3）隧道光面爆破选择合适设计爆破参数，提高炮眼利用率，避免二次破碎，最大限度减少对围岩的破坏。
（4）爆破施工与边坡开挖相配合，边坡爆破面完整，避免爆破破坏边坡岩体本身结构，避免超、欠挖现象出现。
（5）深入研究复杂地质条件下山区高速公路灰岩爆破主动安全控制技术，分别从技术层面和防护手段上避免发生爆破安全事故，同时可以大幅减少防护工作量。
（6）如何在确保爆破质量的前提下提出减少爆破用药量的方法，并对全线爆破用药量进行较准确估算。

4 拟采取的技术路线
针对本项目确定的研究内容，确定课题研究技术路线如下（图1）：
前期准备
理论分析
数值模拟和试验研究
优化设计
总结并编制研究报告

图1、研究技术路线
（1） 前期准备：资料收集与整理
收集复杂地质条件下山区高速公路灰岩爆破相关的资料，并加以分析研究，整理得到影响各部分研究的具体影响参数。通过分析资料，初步了解现有的理论基础以及数值模拟水平，为后续研究找到一定的平台，在此基础上深化研究内容并提升研究水平。
（2） 理论分析
从理论上分析岩体的爆破机制，建立爆破过程与爆破效果之间的联系，能够根据孔网参数、装药参数和岩体条件在爆前计算出爆破效果。利用应用回归分析和显著性检验等数理统计理论，建立灰岩边坡和隧道爆破效果与岩体特征、炸药类型、爆破参数的变量因子预测模型，预测不同爆破参数下爆破效果情况，得出爆破参数和爆破效果最佳匹配关系。
（3） 数值模拟模型的建立、计算和数值模拟结果的获取
鉴于理论模型还必需基于某些理想假设才能求得岩体爆破这一系统的分析解，本项研究拟采用理论分析和专家经验以及工程统计检验相结合的方法建立灰岩爆破数值模拟物理模型，其主要内容如下：
1）实践中边坡爆破的对象是岩体。岩体是天然岩石块体的集合。除岩石本身的物理力学性质以外，岩石块体之间的节理裂隙等地质不连续面对爆破的作用过程与结果也具有重要影响。基于此考虑，从岩石性质和岩体的不连续性两方面分析并确定衡量岩体可爆性的指标，同时采用有效的数据分析处理方法，为边坡爆破的计算机模拟研究建立岩体可爆性分级标准；
2）将边坡爆破视为一个由岩体、炸药以及空气三部分组成的动态结构，建立三者的物理模型，根据各自的具体形状进行网格划分，给定具体的材料参数、本构方程及状态方程等；
3）应用Livingston爆破漏斗理论的基本原理，将爆炸应力波理论和爆炸气体膨胀破坏理论相结合，分析边坡爆破的内部作用和外部作用，建立预测爆破破岩效果数学模型的数学形式与基本结构，并采用统计检验的方法最终确定预测爆破破碎效果的数学模型。
4）边坡爆破计算机设计方法
山体表面几何形状的不规则性、爆区内岩石种类的非单一性和岩石力学性质的不一致性，岩体的非均质不连续性，是实践中边坡爆破环境条件的三大普遍特征。边坡爆破的关键在于如何精确控制爆破时裂缝的产生位置和发展方向，如何精确控制断裂面的形成，获得较为平整的开挖面和合理的爆破块度。
本项研究拟在上述工作的基础上，针对边坡爆破环境条件的普遍特征和边坡炮孔爆破的一般实际需要，确定以计算机自动方式和人机交互方式进行爆破设计的具体方法。
在理论分析的基础上，利用动力学软件来分析整个爆破响应过程，得到相应的数值计算结果，具体如下：
1）各参数分布图像
获取数值模拟结果以后，通过软件的后处理程序得到能直观表现爆破毁伤效果的参数分布情况。
图像的准确获取对爆破块度的数值模拟研究非常重要，通过分析不同情况下爆破效果的图像，可以准确地测量和计算出爆破块度的分布情况，从而量化各个参数对爆破块度的影响程度，为爆破块度的优化设计提供有力的数值模拟依据。
2）各个过程的动画结果
数值模拟后处理结果可以清晰地给出整个爆破过程的动画演示，通过动画结果可以得到更加直观、连续的爆破响应过程，同时也可以得到边坡形成时岩体断裂情况。
3）具体单元的性能参数
选取某些关键点，提取其相应的性能参数，如某一单元的应力、位移、速度等参数随时间的变化曲线，从而能够掌握岩体所有部位的性能情况，为完整边坡爆破成形提供详细、具体的依据材料。
以上内容主要是针对边坡爆破的；对于隧道爆破，其技术路线同样适用。
（4） 试验研究
试验研究主要技术路线主要包括室内试验和野外试验两大部分：
1）在爆破施工现场对岩体进行大量钻孔取样，加工岩石试样，在室内INSTRON液压伺服机上开展标准静载试验、在SHPB压杆上开展常规动力冲击试验，以及动态多次冲击试验等，获得典型岩石试样的动态抗压强度、抗拉强度，并建立动态冲击下岩石的强度破坏准则，为理论分析和数值模拟计算提供技术基础。
2）在进行室内试验的同时，在爆破现场根据施工组织方案和数值模拟结果，针对目前已经在实施的爆破方案所产生的爆破效果和爆破危害效应开展效果观察、数据监测和技术评估等工作，其中数据监测主要内容包括：爆破震动监测、声波波速监测和位移变形监测等，选取爆破现场典型断面为监测目标，在监测断面上埋设爆破测震仪的传感器、多点位移计和声波监测孔，并在围岩、喷射混凝土层中埋设位移监测孔，分别开展工程现场的实时监测，利用先进的BLASTMATEⅢ及其配套软件对爆破震动信号进行分析和处理。然后根据试验结果得出的大量数据，开展参数优化结果验证、块度模拟结果验证、安全技术方案验证等三个主要方面的工作，为最终技术方案的完善做最为细致的前期工作。
以上试验类型主要为边坡爆破和隧道爆破两大类型。
（5） 山区高速公路灰岩边坡及隧道爆破施工参数优化设计
在理论分析、数值模拟和试验研究的基础上，分析研究各个参数对爆破块度分布等爆破效果以及起爆安全网络可靠度的影响程度，获取各参数优化设计方案。
（6） 施工优化技术经济效益测算

5 研究进度与计划
年月
主要工作内容
目标
2012年
12月
~
2013年
2月
调研、搜集整理资料，进行可行性论证，完成理论研究
完成研究预案
2013年
3月
~
2013年
4月
1、室内试验、野外监测和数值模拟：利用动力学软件ANSYS/LS-DYNA建立相关物理模型，模拟边坡爆破的应力分布情况和破坏结果；
2、利用应用回归分析和显著性检验等数理统计理论，建立边坡爆破块度分布与岩体特征、炸药类型、爆破参数的7种变量因子预测模型，预测不同爆破参数下爆破块度情况
得出爆破参数和爆破效果最佳匹配方案
2013年
6月
~
2013年
8月
1、室内试验、野外监测和数值模拟：利用动力学软件ANSYS/LS-DYNA建立相关物理模型，模拟隧道爆破的应力分布情况和破坏结果；
2、利用应用回归分析和显著性检验等数理统计理论，建立隧道爆破块度分布与岩体特征、炸药类型、爆破参数的7种变量因子预测模型，预测不同爆破参数下爆破块度情况
得出爆破参数和爆破效果最佳匹配方案
2013年
9月
~
2013年
11月
完成研究报告、审查、鉴定
按时提交报告

表5-1 项目进度安排（细化）
年度
月
具体研究内容
阶段目标
2012
11
课题相关资料收集，国内外相关研究进展调研、相关资料初步汇总分析
课题前期准备工作
12
公路隧道现场初步考察，资料整理
课题前期准备工作
2013
1
修改完善课题研究计划、可行性报告
课题前期准备工作
2
相关资料深入分析、整理和现场考察
制定课题研究大纲和研究计划
3
对项目总体研究计划进行细化
项目可行性报告通过评审
4
爆破施工现场取样，选择断面布置爆破震动监测点、围岩位移观测面等
有针对性的对不同岩体各项物理力学参数进行系统测定
5
室内岩石静载下抗压、抗拉、抗剪及三轴压缩试验，现场监测数据收集
测定不同岩体的静力学参数，既有爆破方案的爆破灾害效应监测
6
室内岩石试样的常规动力学试验、现场监测数据收集
测定不同岩体的静力学参数，既有爆破方案的爆破灾害效应监测
7
利用动力学软件ANSYS/LS-DYNA建立相关物理模型
边坡爆破和隧道爆破物理模型分别建立
8
进行数值模拟，分析出理想爆破参数，并结合现场试验测试，对参数进行不断调整优化
完成新爆破方案
9
进行数值模拟，分析出理想爆破参数，并结合现场试验测试，对爆破技术参数进行不断调整优化，使爆破块度达到理想值，并对主动安全控制技术进行深入研究
完善新爆破方案，形成爆破主动安全控制技术方案，并优化新爆破方案和安全控制方案在工程现场实施的科学性和实用性
10
课题相关资料收集
提交项目结题研究报告
11
课题成果总结
课题验收和成果鉴定

6、经费估算及经费来源
项目预算总经费为 万元，具体经费预算如表2：
表2 项目经费预算表
序号
细目
金额
9
劳务费

10
方案审查费

11
资料印刷费

12
通讯、交通费

13
税费及管理费

合计

特殊科研试验费用估算表（单位：万元）
支出科目
估算金额
标准
（或单价）
次数
（或人次）
数量
（或工作时）
计算依据及列表
备注
经费支出预算总额

一、科研业务费总额

1．测试、计算、分析费
测试费
1
0.1/次
10

计算费
0.5
0.05/次
10

分析费
0.5
0.05/次
10

2．原材料、试剂、药品等消耗品购置费
原材料购置费
2

防护材料
试剂购置费

药品购置费
1

雷管、炸药

3．计算机编程及机时费
编程费
9
0.01/工作时
1003
4003
计算分成三块：
边坡爆破模拟
隧道爆破模拟
爆破块度模拟
租用国防科大工作站
机时费
9
0.01/工作时
1003
4003
软件使用费
9
0.01/工作时
1003
4003
4．试验物品购置费
购置费
4

日用品、生活用品、导线、应变片

饲养费

5．协作费
5
0.5/次
10

6．差旅费
6
0.3/次人
20

7．业务资料及翻译、检索查新费
业务资料及翻译费
0.5
0.05/次
10

检索查新费
0.5
0.25/次
2

8．打印、论文发表出版费
打印费
2
0.2/次
10

论文发表出版费
3
0.3/次
10

9．知识产权登记费

10．调研、会议费
2
0.4/次
5

11．专家咨询费
2
0.2/次
10

12．评审费
2
0.1/次人
20

13．咨询费

二、设备费

1．专用仪器设备材料及配件购置、加工费
10

凿岩机等打孔设备和测振仪、爆速仪、应力应变仪等测试设备使用费

2．科研专用软件及小型专用仪器设备购置费

三、管理费
20

合同金额20%

四、人员费
8
0.01/次人
800

五、其它
3

不可预见费

合计
100

7、预期科研成果
本项目以龙永高速公路实体工程为依托。通过项目的实施，具体应完成或达到如下预期科研成果：
（1）研究报告(主报告)：《山区高速公路灰岩边坡及隧道爆破开挖施工优化关键技术研究综述报告》
（2）技术报告：《山区高速公路灰岩边坡及隧道爆破开挖施工优化关键技术研究技术报告》（包括各种模拟结果、实验数据、图表、计算程序、实拍照片等）
（3）试验报告：《岩石静力学参数室内试验报告》、《野外爆破监测及技术评估报告》
（4）查新报告
（5）用户使用证明
（6）录像片
（7）在学术刊物上发表的相关科研论文，其中在核心期刊上发表学术论文3～5篇；