隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

李迎凱 曾玉生

目前隧道掘進(jìn)施工中，主要采用鉆孔爆破法，鉆爆作業(yè)是其最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在一個(gè)掘進(jìn)作業(yè)循環(huán)的全部時(shí)間內(nèi)，鉆爆工作量約占40%～60%，而且技術(shù)也比較復(fù)雜。爆破效果的好壞直接影響后續(xù)鏟裝工作能否順利進(jìn)行。然而鉆爆設(shè)計(jì)工作大都是靠人工、憑經(jīng)驗(yàn)，存在設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖工作量大、繁瑣、易出錯(cuò)和資料的積累、查詢工作復(fù)雜等弊端。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)鉆爆設(shè)計(jì)的自動(dòng)化是完全有可能的。事實(shí)上國內(nèi)外在計(jì)算機(jī)輔助鉆爆設(shè)計(jì)方面也已進(jìn)行了有益的嘗試和探索，并取得了一定的進(jìn)展。本文在此基礎(chǔ)上結(jié)合鉆爆設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和施工過程中所需信息構(gòu)建開發(fā)隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)，旨在提高鉆爆設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，從而提高隧道掘進(jìn)施工速度。

1 系統(tǒng)構(gòu)建的原則

隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)開發(fā)的目的是應(yīng)用于隧道施工實(shí)際，提高鉆爆設(shè)計(jì)效率和信息管理水平，所以系統(tǒng)構(gòu)建的原則如下:

1)實(shí)用性。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后能夠很快應(yīng)用到隧道施工當(dāng)中，方便使用人員迅速掌握操作技巧，指導(dǎo)施工實(shí)踐，滿足提高效率的要求。

2)可靠性。技術(shù)人員能夠根據(jù)鉆爆設(shè)計(jì)結(jié)果直接進(jìn)行方案的制定和實(shí)施，并且能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，滿足爆破效果要求。

3)集成性。系統(tǒng)的信息管理包含鉆爆施工所需的相關(guān)知識(shí)和施工歷史信息，方便進(jìn)行查詢來指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工的順利實(shí)施。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的劃分

通過對隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)與施工整個(gè)過程分析，并根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能劃分原則，可以將隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)劃分為五個(gè)模塊:鉆爆方案設(shè)計(jì)、鉆爆信息管理、鉆爆器材管理、鉆爆安全管理、系統(tǒng)管理。

3 鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)

隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)對鉆爆設(shè)計(jì)資料有全面的考慮。首先應(yīng)當(dāng)了解工程設(shè)計(jì)的概況，記錄鉆爆設(shè)計(jì)人員、鉆爆實(shí)施單位和鉆爆開始時(shí)間;輸入爆區(qū)地質(zhì)情況、選擇炸藥和起爆器材、輸入斷面的形狀和參數(shù)、選取鉆孔設(shè)備以及確定掏槽方式。

3.1.1 爆區(qū)地質(zhì)

通過對大量隧道鉆爆設(shè)計(jì)、施工資料的分析研究發(fā)現(xiàn)，影響爆破效果的爆區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)主要是圍巖級(jí)別、巖石類型、巖石普氏系數(shù)f值、節(jié)理發(fā)育程度、風(fēng)化程度和地下水。為此，可將這些數(shù)據(jù)作為隧道爆破設(shè)計(jì)的原始基本數(shù)據(jù)，同時(shí)，還需按照鉆爆設(shè)計(jì)的要求，對其中一些定性數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)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(shè)置傳爆起爆系統(tǒng)的目的是在裝藥(藥包或藥卷)以外的安全距離處通過發(fā)爆(點(diǎn)火、通電或激發(fā)槍)和傳遞，使安在藥包或藥卷中的雷管起爆，并引發(fā)藥包或藥卷爆炸，從而爆破巖石。

3.1.3 斷面形狀及參數(shù)

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

3.1.4 掏槽方式選取

根據(jù)隧道掘進(jìn)斷面、巖石性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)上述初始設(shè)計(jì)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(shù)值賦給計(jì)算過程中的變量。

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果的輸出

3.2.1 爆破參數(shù)的輸出

在Visual Basic應(yīng)用程序代碼窗口中編寫代碼，把輸入的基本數(shù)據(jù)賦給過程中的變量，通過選擇合適條件及范圍的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，得出炮孔起爆順序、炮孔個(gè)數(shù)、孔角、孔深、單孔孔長、裝藥結(jié)構(gòu)、單孔炸藥量等參數(shù)。利用ListView控件輸出結(jié)果，方便打印。

3.2.2 預(yù)計(jì)鉆孔爆破指標(biāo)輸出

預(yù)計(jì)鉆孔爆破指標(biāo)主要包括:開挖面積、每循環(huán)進(jìn)尺、每循環(huán)爆破石方、炮眼總數(shù)、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(biāo)。

3.2.3 炮孔布置圖

圖形生成界面是系統(tǒng)生成炮孔布置圖的容器，通過此界面用戶可以查看系統(tǒng)生成的炮孔布置圖，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，繪制炮孔布置圖，圖中顯示炮孔位置、個(gè)數(shù)、孔角、抵抗線、孔間距、起爆順序等。

4 數(shù)據(jù)庫管理設(shè)計(jì)

基于Visual Basic爆破管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)量很大，爆破設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要查找?guī)r石和炸藥的特性，將設(shè)計(jì)的參數(shù)和相似爆破工程進(jìn)行比較。隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)建立了炸藥信息查詢、巖石信息查詢、實(shí)例信息管理系統(tǒng)。運(yùn)行爆破系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算出的爆破參數(shù)，添加于實(shí)例庫中，最后進(jìn)行爆破參數(shù)對比分析。

4.1 數(shù)據(jù)庫的建立

Access是一種新型的交互式關(guān)系類型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可以用最簡單的方式建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫，可以接收和轉(zhuǎn)換多種文件格式的數(shù)據(jù)，并方便地對現(xiàn)存的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。Access與Visual Basic結(jié)合，可創(chuàng)建出功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)。

VB數(shù)據(jù)庫體系是由用戶界面數(shù)據(jù)庫引擎和數(shù)據(jù)倉庫三層組成的層次結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)將初始數(shù)據(jù)的錄入在Access中完成，采用ADO對象庫編程，設(shè)計(jì)出友好的用戶界面及驅(qū)動(dòng)該界面的VB程序代碼，來實(shí)現(xiàn)對爆破數(shù)據(jù)庫的操作與管理。

4.2 數(shù)據(jù)庫的使用

該系統(tǒng)在巖石數(shù)據(jù)庫中根據(jù)巖石的分類，確定各類巖石的名稱、特性、容重、爆破性分級(jí)、抗壓強(qiáng)度、巖石堅(jiān)固性系數(shù)等。在炸藥數(shù)據(jù)庫中根據(jù)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(shù)。搜集以往的爆破資料，建立實(shí)例數(shù)據(jù)庫，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的爆破各參數(shù)參考和類比，進(jìn)行調(diào)整和修改。在以上各類數(shù)據(jù)庫中通過對數(shù)據(jù)添加、保存、刪除、修改命令，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的管理。通過隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)對爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)，將爆破參數(shù)添加到實(shí)例庫中。保存設(shè)計(jì)參數(shù)于實(shí)例庫中，通過從實(shí)例庫中調(diào)用參數(shù)，在爆破參數(shù)分析界面里對參數(shù)進(jìn)行對比分析調(diào)整。

5 應(yīng)用實(shí)例

下面是利用開發(fā)的系統(tǒng)對一個(gè)隧道鉆爆初始條件輸入、爆破參數(shù)、預(yù)計(jì)指標(biāo)、炮孔布置圖的繪制的實(shí)現(xiàn)，并且介紹該系統(tǒng)相關(guān)的使用方法。

5.1 爆破初始條件

表1 鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)

首先明確工程的設(shè)計(jì)概況，輸入該工程的名稱、斷面代號(hào)、設(shè)計(jì)人員、施工單位、鉆爆開始時(shí)間和預(yù)計(jì)結(jié)束時(shí)間，以及該工程的基本施工概況，點(diǎn)擊確定將工程屬性輸入數(shù)據(jù)庫，方便今后查詢使用，并且進(jìn)入鉆爆參數(shù)設(shè)計(jì)界面。根據(jù)地質(zhì)勘探和查詢巖石、炸藥信息，輸入爆區(qū)地質(zhì)情況、炸藥類型選取、斷面形狀及參數(shù)、鉆孔設(shè)備和鉆桿型號(hào)、掏槽類型等初始參數(shù)等。部分參數(shù)輸入情況如表1所示。

5.2 爆破參數(shù)的輸出

通過系統(tǒng)自行運(yùn)算，輸出炮孔設(shè)計(jì)參數(shù)表(如表2所示)。通過打印功能形成爆破說明書，點(diǎn)擊確定將主要參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫，以便查詢和與實(shí)例工程進(jìn)行對比。

表2 炮孔技術(shù)參數(shù)表

6 結(jié)語

該系統(tǒng)采用目前操作簡便的Visual Basic語言編寫，容易被現(xiàn)場技術(shù)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(shù)、不同設(shè)計(jì)變量等均無需調(diào)整程序，可方便使用。輸入初始數(shù)據(jù)后系統(tǒng)在后臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，能夠自動(dòng)進(jìn)行炮孔布置，裝藥量計(jì)算和爆破效果預(yù)測。代替了手工或簡單用AutoCAD繪制炮孔布置圖表，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)繪制炮孔布置圖和起爆連接網(wǎng)絡(luò)，避免了炮孔圖表的繪制落后于施工、阻礙工作進(jìn)度，提高了隧道掘進(jìn)鉆爆設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。在Access中建立爆破實(shí)例數(shù)據(jù)庫資料，通過與Access的連接，實(shí)現(xiàn)了利用鉆爆信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行爆破知識(shí)查詢和工程類比設(shè)計(jì)。

［1］ 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］ 劉文濤.Visual Basic+Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)與實(shí)例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［3］ 董傳銀.Visual Basic 6數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)［M］.北京:北京希望電子出版社，2002.

［4］ 閆愛軍，閆宇振.土石方開挖爆破計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［J］.西北水力發(fā)電，2006，22(2):41-43.

［5］ 王紅梅，東兆星，苗永奕.隧道掘進(jìn)爆破圖表計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［J］.工程爆破，2003，9(3):38-41.

［6］ 蔡書生，閆宇振.隧洞開挖爆破計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［J］.爆破，2005，22(2):58-60.