基于钻进参数的硬岩隧道光面爆破超欠挖控制技术研究

作     者：何志恒 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄明利

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：钻进参数 围岩感知 光面爆破 超欠挖 

摘      要：现阶段,光面爆破仍是我国隧道施工领域的主流施工方法,光面爆破参数的设定、调整多依据围岩级别与施工经验,面对工程地质条件的动态变化不能精准、及时地对爆破参数做出变更,从而导致隧道出现严重超欠挖现象。面对新时期我国由“隧道大国向“隧道强国转变的新格局,寻求一种可在施工阶段应用的精准探测掌子面前方围岩性质从而动态调节、及时反馈光面爆破参数设计的方法具有重要意义。本文采用理论分析、机器学习、数值模拟和现场试验相结合的方式,针对基于钻进参数的硬岩隧道光面爆破超欠挖控制技术展开研究,主要研究内容与成果如下:(1)基于文献调研和理论分析,建立钻进参数与光面爆破参数的相关性。确定光面爆破超欠挖关键影响因素,研究岩石在冲击式球形钻杆作用下的应力状态与破碎机理,分析基于钻进参数的围岩感知原理,从而证明了基于钻进参数的隧道光面爆破超欠挖控制的可行性。(2)提出了一种基于凿岩台车钻进参数的隧道光面爆破参数优化方法。基于现场实测数据分析凿岩台车钻进参数与围岩亚级别的相关性,确定4项钻进参数在不同围岩亚级下的分布情况,建立了基于凿岩台车钻进参数的隧道围岩亚分级预测模型,其中CNN-SVM混合网络模型测试精度最高,为85.71%;在此基础上提出隧道施工期围岩亚分级现场应用程序,并建立数值模型分析不同爆破参数下的围岩损伤,以隧道超挖方量进行方案初选,基于FracLab工具箱以分形维数定量表征爆破后隧道岩面粗糙度从而进行方案比选,最终确定Ⅳ级围岩E为50cm、W为60 cm、装药量为3卷。结果表明,优化后光面爆破周边轮廓清晰,炮眼痕迹率明显,试验段内平均线性超挖最大值由40 cm减小至19 cm,同比减小52.5%,取得了良好的爆破效果。(3)提出了一种基于人工钻进参数的光面爆破炮孔参数优化方法。依托遵秦高速鹁塘沟隧道,揭示了人工炮孔钻进速度与围岩岩石坚固性系数的关系,构建了光爆层厚度、周边眼间距与岩石坚固性系数的函数公式,提出了基于炮孔钻进速度的光面爆破参数设计方法。计算得出试验断面光爆层厚度为600 mm、周边眼间距为520 mm,试验段爆破后监测数据表明:平均超挖距离减小至69 mm、平均超挖面积减小至0.768 m、炮眼痕迹率可达90%以上,实现了隧道超欠挖的精准控制。