通过明晰制约钻爆法施工技术水平发展存在的工序复杂、设备落后、人力需求大及信息离散化等问题,可助力构建少人甚至无人化智能岩巷(隧道)开拓体系。基于此,对岩巷(隧道)智能化钻爆技术与装备的发展现状展开综合论述。首先阐述了智能钻爆法的基本概念与内涵,即采用AI等前沿科技构建具备信息深度自感知、智能优化自决策、精准控制自执行等功能特性的综合集成爆破技术。其次,系统总结了当前隧道智能化钻爆技术的研究现状,重点涵盖了爆破器材、透明地质技术、爆破参数智能设计、智能化钻爆施工技术与装备、精准爆破技术以及爆破质量管理的关键进展与存在的不足。最后,对未来岩巷(隧道)智能化钻爆技术与装备的发展趋势进行了展望,提出构建以数字化、自动化和智能化为核心的全生命周期智能掘进体系,以实现安全、高效、绿色的地下工程施工。

为改善掏槽爆破孔底岩体破裂效果,建立直眼掏槽爆破三维数值模型,定量分析了延期时间与孔底装药结构对直眼掏槽爆破岩体损伤面积和分布特征的影响。结果表明,在小直径空孔直眼掏槽爆破过程中,随着到自由面距离的增加,岩体损伤范围和爆生裂纹分形维数呈现非线性减小的变化趋势,槽腔底部岩体破裂效果较差。短延时起爆能改善槽腔中下部区域岩体破裂效果,底部岩体损伤面积和分形维数随延期时间由0 ms增加至3 ms呈先升后减趋势,1 ms时效果最佳。延长空孔深度并在超深段设置底部装药可进一步提升槽腔底部岩体破裂程度。在此基础上开展现场试验,结果显示巷道爆破掘进效果显著提升,平均炮孔利用率提高9.1%。

针对传统爆破设计依赖经验,存在效率低、精度不足等问题,提出一种基于理论计算与数学建模的爆破自动化设计方法。通过构建掏槽孔、辅助孔和周边孔的自动布置算法,结合装药结构与起爆顺序优化,可实现爆破方案的自动设计、爆破图表输出与三维可视化展示。通过岩石竖井实际工程应用验证,自动化爆破方案爆后井壁平整度和岩体破碎效果良好,验证了自动化爆破设计方案的可行性,为爆破设计提供了科学、高效的技术支持。

为精确模拟含软弱夹层的隧道爆破应力波传播过程,探究爆破振动穿越软弱层前后的动力响应规律,本研究基于JHB-4D-LSM(Johnson-Holmquist-Beissel-four-dimensional lattice spring model)连续-非连续方法,建立单孔爆破数值模型,重点分析不同爆破距离、夹层厚度及倾角等因素的影响。结果表明:基于JHB-4D-LSM模型模拟了隧道爆破应力波传播过程,计算结果与LS-DYNA模拟结果吻合较好,验证了该方法的有效性。软弱夹层的迎波面岩体局部应力集中、峰值应力增加,背波面岩体应力峰值降低;说明夹层具有双重作用,应波面应力增强及背波面应力衰减,且双重作用效应随着软弱夹层厚度的增加,呈正相关的关系,对施工安全控制具有指导意义。软弱夹层与炮孔距离越小,夹层迎波面岩体应力集中现象越明显,当两者的距离大于30 cm时,软弱夹层对应力传播的影响减小;软弱夹层倾角对爆破应力波传播的影响,主要取决于炮孔与软弱夹层的垂直距离,垂直距离越小,炮孔附近岩体的应力峰值越高,应力阻隔效应越明显。本研究结果为软弱层发育地区隧道爆破振动控制技术的优化提供了借鉴和参考。

为弥补液氧爆破技术理论研究中围压耦合作用分析的不足,通过现场试验与LS-DYNA数值模拟相结合,利用液压真三轴加载系统,系统研究红砂岩试件的损伤演化规律。结果表明:围压显著影响爆破效果,无围压时裂纹长且分散,而围压增加则抑制裂纹扩展,使爆破能量集中、裂纹方向明确且数量减少;试件底部漏斗效应受多种因素影响且围压改变其几何参数,应变峰值与破坏现象相关且围压增加抑制应变增长;数值模拟进一步揭示岩体应力与损伤演化规律,显示围压抑制损伤扩展、降低钻孔周围能量峰值并使能量衰减变缓。本研究揭示了围压对液氧爆破损伤破裂特征的关键调控作用,为深部高应力岩石爆破提供了理论依据与实践参考。

针对节理岩体钻爆开挖超欠挖严重的问题,采用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型联合压剪与拉剪失效准则,开展不同节理特征条件下轮廓炮孔近区应力场分布及裂纹演化路径分析。研究结果表明:节理的倾角、厚度及强度特征显著影响裂缝扩展;节理与炮孔连线夹角呈45°时超欠挖最严重,形成较为明显的“Z”字形轮廓;节理强度越弱、宽度越大,对爆炸应力波的阻隔作用和拉伸破坏作用越强。结合节理特征对轮廓成型的影响机制与实际效果,提出光爆孔“空孔诱导”布设方案及起爆时序优化措施,丰富了光面爆破定向断裂及轮廓成型理论。

为研究偏心装药结构的爆破特性,使炸药的能量得到充分利用和精确释放,本研究运用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,研究多种不耦合系数下偏心装药结构爆破的孔壁压力和岩体动态响应。通过建立三维数值模拟模型,研究偏心装药工况下不耦合系数K=2.0、1.56、1.25以及同心装药工况下K=1.0的孔壁压力、岩体损伤情况以及爆炸地震波能量通量变化情况。结果表明:偏心装药工况下,装药段耦合侧与不耦合侧的孔壁峰值压力随不耦合系数增大相差越大,耦合侧的孔壁峰值压力为不耦合侧的4~11倍;距离装药段较远处的非装药段耦合侧和不耦合侧孔壁压力几乎不受偏心装药结构的影响,同一位置处耦合侧与不耦合侧孔壁压力数值相差较小,但孔壁压力仍随不耦合系数的增大而减小;偏心装药结构装药段和非装药段的损伤区域都出现了“偏心效应”,裂隙区体积是粉碎区体积的8~15倍,裂隙区体积和地震波能量通量的峰值都随不耦合系数的增大而减小。

为提高通排水效率并保障隧道运行安全,依托青海赛尔龙2号隧道施工,建立了SPH-FEM(smoothed particle hydrodynamics-finite element method)耦合计算模型,对比了不同布孔方式(垂直布孔与楔形布孔)下的岩石损伤演化、爆破槽腔尺寸及岩石抛掷效果。研究结果表明:垂直布孔与楔形布孔条件下,岩体整体损伤范围基本一致,但楔形布孔时沟槽底板易产生超欠挖,不利于爆破成型控制。不同布孔方式下爆破轮廓形状相近,相比于垂直布孔,采用楔形布孔更有利于提升槽腔体积与槽腔口面积。从轮廓成型效果及粒子抛掷效率的角度,对楔形钻孔炮孔布置方案进行了优化,可在保证轮廓成型效果及粒子抛掷数量的同时,降低粒子的抛掷速度,为深埋排水沟高效成型提供参考。

为解决隧道拱脚爆破开挖超挖严重、岩体损伤过大问题,以青岛地铁6号线地铁车站拱盖法爆破开挖为工程背景,采用数值模拟和现场试验相结合的方法,优化拱脚爆破的炮孔与装药量参数,研究拱脚岩体爆生裂缝扩展、贯通演化过程和岩体损伤特征,提出长短孔嵌套布孔方法。研究结果表明:长短孔爆破后孔周裂纹密集、连通,有利于开挖轮廓的成形;与常规周边孔布设相比,爆生自由面一侧和围岩深处一侧的破碎岩体面积均较小,分别减小19.4%和29.2%;采用优化后拱脚爆破参数,拱脚开挖轮廓圆顺,超挖小、无欠挖;与优化前爆破开挖相比,最大超挖值减小59.4%,显著改善爆破效果,提高了爆破开挖质量。