科技成果简要技术说明及主要技术经济指标

近年来，随着社会经济发展和科学技术不断进步，我国交通运输行业得到快速发展，交通量日益增长，小断面隧道已无法满足交通运输需求，在交通设计和建设过程中越来越需要三车道、四车道等大断面特大断面隧道。在大断面隧道建设过程中钻爆法仍然是岩体开挖的主要方法，钻爆效果如何直接关系到工程建造安全、质量与效率。目前钻爆参数的设计仍沿用传统小断面矿山巷道的钻爆设计理念“多打眼、少装药”,大大增加了工人的钻孔强度，且容易发生错钻、漏钻，影响爆破安全、质量与效率。传统隧道钻爆设计与施工方法已难满足当前大断面隧道安全高效建造需求，主要技术瓶颈为：大断面隧道炮孔数量布设过多，施工强度大并影响掘进效率；层状节理岩体隧道爆破超挖难以有效控制等。

为此，中交一公局西北工程有限公司联合贵州大学、江西理工大学等多家单位通过校企合作组建研发团队，构建科学研究、人才培养与成果转化为一体的“产学研”平台，组建团队，通过理论研究、现场试验、设备改造、工法改良、管理提升等途径，开展了大断面隧道爆破参数优化与混凝土超耗控制技术研究。

一、取得的主要研究结果如下：

(1)基于隧道爆破破岩机理，通过楔形掏槽孔外推、调整楔形掏槽孔角度以及起爆时序，提出了大断面硬岩隧道爆破减孔布设理论与方法。构建了大断面硬岩隧道爆破减孔爆破参数体系，重新定义了主要参数的意义及作用。

(2)基于爆炸应力波衰减规律和不同岩石类型的静动力学特性，提出了楔形掏槽孔外推理论与计算方法，确定了不同岩性条件下的楔形掏槽孔外推距离。开展了多种岩性的冲击动力学试验，揭示了石灰岩、板岩、花岗岩的静动力学规律，给出了岩体的破坏准则。

(3)基于楔形掏槽孔外推理论与岩石破坏准则，提出了考虑掏槽角度与布设角度耦合作用的楔形掏槽孔角度计算理论与布设方法。针对Ⅲ级围岩，楔形掏槽孔布设角度应满足68°≤0≤70°及70°≤B≤72°。采用0=70°,β=70°布孔方式，炮孔平均利用率达到90.24%,能有效提高炮孔利用率，降低施工成本，为类似大断面隧道施工提供一种高效、精细化爆破方法。

(4)考虑了爆炸应力波的几何衰减和物理衰减，推导了地应力和节理共同作用下的爆炸应力波衰减公式。以周边孔孔距45cm、抵抗线56cm为标准，在巴岳山隧道研究段开展了现场爆破试验。试验结果表明地应力和节理共同作用下，采用提出的周边孔布设方法和孔网布设参数进行爆破施工，IV级围岩的平均超挖值控制在22cm,每延米混凝土超耗均控制在100%以内，混凝土超耗控制效果较好。

(5)建立了PPV和损伤变量D的关系曲线，得出了损伤深度和峰值振速的关系，确定了保留岩体损伤时的临界峰值振动速度PPVa:拱顶位置为16.55cm/s,拱肩位置为51.34cm/s,拱腰位置为32.45cm/s,拱脚位置为33.22cm/s,底板中部位置为72.04cm/s。现场试验得出距离掌子面1m的断面处，拱底位置和底板中部位置Z 方向的爆破振动速度最大，10m处拱顶和拱脚的爆破振动速度最大，20m处拱肩X 方向的爆破振动速度最大，30m处爆破振动速度分布规律与20m处基本一致，40m 和50m处拱腰与拱肩的爆破振动速度最大。

(6)结合振动波的透射、折射和反射传播规律分析振动波对隧道支护结构大体积混凝土的力学作用机理，建立了爆破荷载作用下支护结构质点振速与拉应力和切应力的函数关系式。结合弹性波的传播特性研究隧道分段毫秒延时起爆降振机理，提出了隧道群孔延时爆破振动计算方法。现场试验结果表明岩石破碎程度高、隧道轮廓线成型效果好、掌子面较为平整，楔形掏槽孔、辅助孔、和周边孔的平均利用率分别为81.88%、91.28%、96.08%,喷射混凝土超耗率平均值为76.32%,周边孔平均残痕率为83.28%,平均炸药单耗为0.706kg/m³。

(7)本研究提出的大断面隧道爆破参数优化与混凝土超耗控制技术能够在工程现场成功应用，减少了炮孔数量、提高了爆破质量，加快了施工进度，降低了施工成本。现场试验结果表明研究段每循环钻孔数量将减少20个，每循环将节约钻孔时间0.5小时，钻孔数量将大幅减少，节约钻孔时间，提高施工效率。IV级围岩每延米混凝土超耗控制在100%以内，混凝土超耗控制效果较好。

二、取得的主要创新成果如下：

(1)提出了大断面硬岩隧道爆破减孔布设理论与方法，与传统设计理论不同，通过掏槽孔外推形成双向临空面改善破岩条件，利用高能孔爆破提高破岩效率，减少了大断面隧道的炮孔布设数量；

(2)系统构建了大断面隧道减孔布设关键参数的计算方法，通过不同岩体冲击载荷动力特性研究，揭示了不同掏槽孔倾斜角能量分布特征，提出了掏槽孔布设位置与布设角度的定量计算方法；

(3)提出综合考虑地应力、节理和岩体抗拉强度影响的周边孔孔距计算公式，并通过将监控量测位置与损伤监测位置契合以确定合理预留沉降，从而有效控制了爆破超欠挖，将初喷混凝土超耗控制在合理范围。

项目实施以来，发表核心以上期刊论文16篇，其中SCI、EI收录9篇；获授权发明专利9件。研究成果已在巴岳山隧道、香草隧道等爆破工程中得到应用，解决了大断面隧道爆破参数优化与混凝土超耗控制技术的多个关键技术难题，取得了显著的经济和社会效益，推广至今新增产值3.7亿元，节约成本116.1万元，新增利税2000万元。