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原文传递隧道掘进爆破方案分区智能设计算法研究

论文题名：	隧道掘进爆破方案分区智能设计算法研究
关键词：	隧道掘进;爆破作业;分区智能设计;炮孔布置;起爆顺序;装药量
摘要：	随着交通强国战略的进一步加深，基础设施建设的发展也进一步加快。钻爆法开挖作为隧道开挖最为常见的施工形式，还具有较大的提高空间。据最新数据统计，目前在钻爆法中人工钻孔占比仍然在90％以上。经过现场调研，人工钻爆开挖的爆破效果绝大部分取决于工人的爆破经验，而非合理的爆破设计。为了改变这一生产模式，本文基于爆破设计理论，针对人工钻爆施工设计，提出了一套根据现场实际情况快速生成炮孔布置、起爆顺序和装药量的智能设计算法。本文的主要工作与研究成果如下: 　　(1)通过提取轮廓线参数，提出了三心圆、单心圆、城门洞型和马蹄型轮廓线的参数化绘制方法。研究现场开挖断面高度对作业台架的影响，提出了三种不同层高的台架形式。通过研究现场作业台架和隧道开挖轮廓线的关系，提出了按台架形状对掌子面分区的设计方法。对掏槽孔、周边孔和辅助孔三类炮孔分布设计不同的布置规则，掏槽孔和周边孔的孔距取决于围岩等级与规范要求，辅助孔通过巴隆公式计算孔距和排距来确定炮孔布置。在不同分区按照炮孔类型不同对这些规则进行组合得到不同分区的炮孔布置。　　(2)按照从局部到整体自内而外爆破的基本原则，总结出一套适用于分区设计炮孔的起爆顺序规则。对于同一分区炮孔，通常按自内而外或自上而下依次排序;对于同一类型炮孔，侧面炮孔先于顶部炮孔，顶部炮孔先于底部炮孔，中部分区炮孔先于左一分区、右一分区炮孔;对于不同分区不同类型炮孔，侧面炮孔和顶部炮孔的总体起爆顺序为掏槽孔先于扩槽孔，扩槽孔先于压炮孔，压炮孔先于内圈孔，内圈孔先于周边孔,底部炮孔的总体起爆顺序为抬炮孔先于底板孔,底板孔先于内圈孔，内圈孔先于周边孔，周边孔先于尖点孔，侧面炮孔中的内圈孔先于底部炮孔中的第一层抬炮孔，内圈孔先于周边孔。以内层爆破创造的空间有利于外层爆破为基本原则，以先爆炮孔为后爆炮孔创造更多的临空面为导向，建立了起爆顺序优化的规则。　　(3)从装药量计算的体积公式出发，分别研究了每个炮孔负担的爆破岩石体积的计算方法和炸药单耗计算方法。将爆破岩石体积计算按照炮孔是否倾斜分为两类单独计算，再按照起爆顺序进行修正得到精确的负担爆破岩石体积。考虑炮孔类型、临空面方向、炸药做功能力、炮孔个数和最小抵抗线方向等因素分别提出了适用于辅助孔、周边孔和掏槽孔的炸药单耗模型。使用爆破效果良好的案例炸药单耗参数进行拟合，利用拟合后的炸药单耗模型可以相对精确地计算每一个炮孔的装药量。　　(4)对现场常用的超欠挖数据交换格式DXF文件进行解析，提取出其中包含轮廓线和超欠挖值的信息。建立爆破设计参数与超欠挖效果预测的数字量化体系。考虑围岩条件和周边孔施工参数，应用BP神经网络对爆破参数和实际超欠挖数据进行训练和预测。预测误差范围在20％以内，可以满足实际需要。将BP神经网络模型预测结果作为依据，并建立相应规则来动态调整周边孔参数。　　(5)现场采集岩石回弹数据，室内试验获得相应岩样的单轴抗压强度值。使用MATLAB对样本数据进行最小二乘法拟合，最终得到相关系数0.9699的线性回归公式，便于在现场计算岩石坚固性系数。将所研究算法应用于潍坊抽水蓄能电站项目1#引水隧洞现场的爆破方案设计，根据BP神经网络预测的超欠挖结果进行了动态调整后，对方案进行应用，获得了良好的爆破效果，验证了算法的可行性。
作者：	于礼杰
专业：	土木水利
导师：	徐帮树
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023