本发明涉及一种控制轮廓面平整度的地下硐室光面爆破方法，属于工程爆破与岩石力学技术领域。
背景技术：
近年来，随着我国基础建设进程的加快与西部大开发战略的深化实施，水利水电工程、隧道工程及地下空间结构工程日益增多，地下硐室“大埋深、大断面、复杂环境”是我国地下硐室建设领域所面临的新形式。
炸药在爆炸的瞬间可以释放出巨大的能量，故爆破技术被广泛应用于水利、采矿、交通及建筑工程等领域。炸药爆炸时短时间内可放出大量的能量，使其被广泛应用于矿山、水利、道路、交通及国防等国民经济建设领域。光面爆破是地下硐室开挖掘进的一种典型控制爆破形式，通过在硐室断面的设计轮廓线合理布置周边孔而进行控制爆破，实际就是爆破光面层，在爆破完成之后，在硐室断面形成一个光滑平整的边壁，该轮廓面即满足设计开挖要求，又能保持围岩的完整性，可达到安全、便捷、高效的施工目的。
我国自20世纪60年代以来在基础设施建设中积累了大量光面爆破施工经验，取得了不少工程成果。但光面爆破一直是地下硐室安全生产工作的关键技术问题，在具体实施过程中，受岩石的非均质性、不连续性与各向异性，光面爆破作用机理研究不足，爆破参数大多凭借工程经验确定等因素影响，实际施工现场通常会出现超欠挖现象，以致地下硐室轮廓面的平直度质量较差，给工程建设造成了较大的损失。
技术实现要素：
目的：为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种控制轮廓面平整度的地下硐室光面爆破方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种控制轮廓面平整度的地下硐室光面爆破方法，包括以下步骤：
步骤一：根据实际施工效果中存在的超欠挖现象，组织课题攻关小组进行现场调查，收集现场图片；
步骤二：进行数理分析，评定既有光面爆破效果；
步骤三：分析确定光面爆破的关键参数，如周边孔孔距、最小抵抗线、周边孔密集系数、周边孔装药量及装药结构和起爆时差等；
步骤四：根据流体动力学理论进行地下硐室周边孔孔距核算；
步骤五：结合现场调查、试验数据与理论分析结果，制定具体对策和实施计划；
步骤六：光面爆破效果校核。
进一步的，所述地下硐室进行掘进光面爆破，且钻孔深度≤3m时，光面爆破效果主要评价指标为：1)平均线性超挖量≤100mm，最大线性超挖量≤250mm；2)爆破进尺达到设计要求，爆破块度满足装渣要求；3)不应欠挖：当围岩坚硬完整时，允许岩石个别突出部分(≤0.1m2/1m2)侵入衬砌，并且对喷锚衬砌的侵入值应≤5cm，地下硐室拱、墙脚以上1m内断面严禁欠挖；4)孔痕率(残留有痕迹的炮孔/周边孔总数)：硬岩应＞80％，中硬岩应＞70％，软岩应＞50％，并且均匀分布在轮廓线上。
进一步的，所述光面爆破参数选择与岩石和地质条件、炸药性能、掘进断面的面积等因素有关，硐室周边孔爆破一般采用小直径炮孔，装药量小，要求爆落岩体的同时，形成光滑、平整的轮廓面。爆破施工中应要求炮孔利用率高，开挖轮廓及尺寸准确，对围岩振动及破坏较小。
进一步的，所述周边孔密集系数m＝a/w，其中a为周边孔孔距w为最小抵抗线。m值随周边孔孔距a和光面层厚的改变而变化。m值选择过大，则爆破后光面炮孔间容易留下岩埂，造成欠挖；m值选择过小，可能会出现超挖。在以往的施工经验中一般采用“小孔距大抵抗线”，即m值一般小于1，实践表明m值等于0.8时，爆破后光面效果较好。当围岩条件较差时，除缩小孔距、减少装药量或增打导向空孔外，应稍加大光面层厚度，m值甚至可以接近0.5。
进一步的，所述光面炮孔直径在35-45mm之间时，对于预留光面层单独剥落情况，一般软岩的线装药密度为0.07-0.12kg/m，中硬岩为0.10-0.15kg/m，硬岩为0.15-0.25kg/m；对于全断面一次爆破的，为减少残孔，线装药密度可适当增加，硬岩可达到0.30-0.35kg/m。
进一步的，所述起爆方法为全断面法，全断面法可以采用毫秒延期雷管全断面一次起爆，一般起爆顺序是：掏槽孔、辅助孔、崩落孔、周边孔(底孔、帮孔、顶孔)。
进一步的，所述各层炮孔间起爆时间间隔一般不应＜25ms，一般以50-100ms为宜。为保证光面效果，周边孔的起爆时间一般滞后相邻的崩落孔100ms-150ms，并保证周边孔齐发爆破。
进一步的，所述根据流体动力学理论进行地下硐室周边孔孔距核算，首先应取样进行岩石抗压强度试验，获取岩石单轴抗压强度ucs。所述岩石抗压强度试验的试样是四块完整且大小合适的爆破点石块，在每块岩石上钻取一块50×50×100mm的标准长方体试件，再使用tye-2000型压力试验机测试岩石单轴抗压强度，确定岩石力学性质，并绘制岩石单轴抗压强度试验结果统计表。
进一步的，根据权利要求1所述的一种控制轮廓面平整度的地下硐室光面爆破方法，其特征在于：所述根据流体动力学理论进行地下硐室周边孔孔距核算，关键因素是确定周边孔内压力pb，继而推导周边孔孔距s。当0.7ucs≤pb≤1.5ucs时，就能保证炮孔周边岩石破裂。周边孔装药一般采用径向不耦合间隔装药，则周边孔内压力pb的计算公式为
其中：pb为周边孔内压力；ρe为装药密度；d是炸药爆轰速度，re是装药的直径；he为装药的深度；rb是炮孔的直径；hb为炮孔的深度；γ为经验系数，可取0.3-0.5。
同时，uts＝ucs/12，则周边孔孔距s为
进一步的，根据实际工况进行爆破参数数据校核，将实际装药密度ρe、炮孔深度hb等数据带入求解；根据试验数据、理论分析、现场调查及优化设计等制定光面爆破施工计划及实施细则，并应加强安全培训及操作监督。
有益效果：本发明提供的控制轮廓面平整度的地下硐室光面爆破方法，具有节约施工成本，提升施工质量，提高经济效益的特点，适用于水利水电工程、隧道工程、地下空间结构等领域的地下硐室的光面爆破。具有以下优点：
(1)本发明可行性高、经济效益好。经过系统的分析论证，提出了因地制宜的地下硐室爆破开挖方法，可一次性保证硐室轮廓面的平整度，有效避免了超欠挖现象，继而避免了二次施工，节省了大量的资金；
(2)本发明便于操作、系统性强，对实际工程具有重要的指导意义；
(3)本发明一次爆破开挖成型，减少了后期工序，大幅度提升了地下硐室的稳定性和安全性，缩短了劳动时间，增加了劳动效率，并有效保护了工人的生命财产安全；
(4)本发明可为岩体地区水利水电工程、隧道工程及地下空间结构工程领域地下硐室爆破开挖提供可靠的方法支撑。
附图说明
图1为本发明光面爆破方法的总体流程图；
图2为具体实施例中地下硐室边墙爆破开挖后的效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
某提升绩溪蓄能电站主副厂房部分硐室由于围岩条件较差，与实际施工有关周边炮孔的某些特定参数不符等因素导致了地下硐室开挖轮廓面的不平整，为改善轮廓面平整质量，从改善爆破方案，提高钻孔质量，加强监督等手段入手，合理控制与降低了地下硐室超开挖、欠挖现象。
如图1所示，一种控制轮廓面平整度的地下硐室光面爆破方法，包括以下步骤：
(1)根据实际施工效果中存在的超欠挖现象，组织课题攻关小组进行现场调查，收集现场图片。
(2)进行数理分析，评定既有光面爆破效果。
所述地下硐室进行掘进光面爆破，且钻孔深度≤3m时，光面爆破效果主要评价指标为：1)平均线性超挖量≤100mm，最大线性超挖量≤250mm；2)爆破进尺达到设计要求，爆破块度满足装渣要求；3)不应欠挖：当围岩坚硬完整时，允许岩石个别突出部分(≤0.1m2/1m2)侵入衬砌，并且对喷锚衬砌的侵入值应≤5cm，地下硐室拱、墙脚以上1m内断面严禁欠挖；4)孔痕率(残留有痕迹的炮孔/周边孔总数)：硬岩应＞80％，中硬岩应＞70％，软岩应＞50％，并且均匀分布在轮廓线上。
(3)分析确定光面爆破的关键参数，如周边孔孔距a、最小抵抗线w、周边孔密集系数m、周边孔装药量及装药结构和起爆时差等。
所述光面爆破参数选择与岩石和地质条件、炸药性能、掘进断面的面积等因素有关，硐室周边孔爆破一般采用小直径炮孔，装药量小，要求爆落岩体的同时，形成光滑、平整的轮廓面。爆破施工中应要求炮孔利用率高，开挖轮廓及尺寸准确，对围岩振动及破坏较小。
所述周边孔密集系数m＝a/w，其中a为周边孔孔距w为最小抵抗线。m值随周边孔孔距a和光面层厚的改变而变化。m值选择过大，则爆破后光面炮孔间容易留下岩埂，造成欠挖；m值选择过小，可能会出现超挖。在以往的施工经验中一般采用“小孔距大抵抗线”，即m值一般小于1，实践表明m值等于0.8时，爆破后光面效果较好。当围岩条件较差时，除缩小孔距、减少装药量或增打导向空孔外，应稍加大光面层厚度，m值甚至可以接近0.5。
所述光面炮孔直径在35-45mm之间时，对于预留光面层单独剥落情况，一般软岩的线装药密度为0.07-0.12kg/m，中硬岩为0.10-0.15kg/m，硬岩为0.15-0.25kg/m；对于全断面一次爆破的，为减少残孔，线装药密度可适当增加，硬岩可达到0.30-0.35kg/m。
所述起爆方法为全断面法，全断面法可以采用毫秒延期雷管全断面一次起爆，一般起爆顺序是：掏槽孔、辅助孔、崩落孔、周边孔(底孔、帮孔、顶孔)。
所述各层炮孔间起爆时间间隔一般不应＜25ms，一般以50-100ms为宜。为保证光面效果，周边孔的起爆时间一般滞后相邻的崩落孔100ms-150ms，并保证周边孔齐发爆破。
(4)根据流体动力学理论进行地下硐室周边孔孔距核算。
所述根据流体动力学理论进行地下硐室周边孔孔距核算，首先应取样进行岩石抗压强度试验，获取岩石单轴抗压强度ucs。所述岩石抗压强度试验的试样是四块完整且大小合适的爆破点石块，在每块岩石上钻取一块50×50×100mm的标准长方体试件，再使用tye-2000型压力试验机测试岩石单轴抗压强度，确定岩石力学性质，并绘制岩石单轴抗压强度试验结果统计表。
表1岩石单轴抗压强度试验结果统计表
所述根据流体动力学理论进行地下硐室周边孔孔距核算，关键因素是确定周边孔内压力pb，继而推导周边孔孔距s。当0.7ucs≤pb≤1.5ucs时，就能保证炮孔周边岩石破裂。周边孔装药一般采用径向不耦合间隔装药，则周边孔内压力pb的计算公式为
其中：pb为周边孔内压力；ρe为装药密度；d是炸药爆轰速度，re是装药的直径；he为装药的深度；rb是炮孔的直径；hb为炮孔的深度；γ为经验系数，可取0.3-0.5。
同时，uts＝ucs/12，则周边孔孔距s为
(5)工程核算。
主副厂房炮孔的孔径rb为42mm，孔深hb为4.0m，药径re为32mm，装药深度he为0.8m，岩石抗压强度ucs＝62.25mpa，炸药密度ρe＝1200kg/m3，爆轰速度d＝4000m/s。代入步骤(4)得周边孔内压力pb＝160mpa，周边孔孔距s≤1.34m。
该计算结果可直观的判定装药量过多，气体压力偏大，因此该参数将导致炮孔周边过粉碎，不利于轮廓线平整。根据工程经验，建议施工时将炮孔的孔径扩大至60mm，可减少单孔装药量0.48-0.60kg，即降低线装药密度120-150g/m，代入步骤(4)可得pb为34.6-45.8mpa，s为460-590mm(实际统一使用500mm)。
(6)结合现场调查、试验数据与理论分析结果，制定具体对策和实施计划。
1)炮孔的钻孔工序应该做到准、平、直、齐。
第一，在开工前准确地将中腰线引到工作面上，然后按中腰线定出周边孔、二圈孔、辅助孔和掏槽孔的位置，并在工作面上做出标记；
第二，打正顶孔作为定向孔，为了保证第一个正顶眼沿巷道轴向钻进，钻孔时在距工作面1m处悬挂一临时中线，第一个正顶孔打好后，插上炮棍作为其它炮孔的标志方向；
第三，划分区域，定人、定孔位、定孔数，以便钻孔工熟练操作，掌握规律，提高钻孔速度和准确性，保证孔位、孔深及其方向的准确。
2)周边孔开孔一般应使炮孔中心落在轮廓线上。炮孔深度2.5m以下时，炮孔斜率一般应为3％左右，并向外倾斜，即每米长炮孔超挖3cm。周边孔至内圈炮孔排距容许偏差为50mm。
3)所有周边孔应该互相平行，并且深度不应超过其他掘进孔孔深。一般情况下，周边孔不容许有偏向轮廓线里面的误差。
4)预量钎杆长，作好标记号，保证各炮眼深度一致。如果开挖面不齐，应根据实际情况调整炮孔深度及装药量，力求所有炮孔底在一个横断面上。
5)钻孔完毕，装药前必须用高压风将炮孔内岩粉吹干净。对钻好的炮孔进行质量检查，如发现不合格，应重新钻孔，经质量检查合格后方可进行装药工序。
6)选择合理光爆参数和装药结构，并且周边眼必须采用同一段别的雷管起爆，保证周边孔齐发爆破。建议：延期网路中，周边孔滞后主爆区爆破100ms-150ms以后再爆破；或者采用预留光爆层，即先爆破内圈炮孔，再爆破光面层。
7)爆破监理要求各标段对新近开工和重点部位的爆破作业点编制专项爆破方案，报爆破监理部，爆破总监理工程师对其中的关键参数选取提供技术指导，再审核合格并批准后，方允许各个标段施工。
8)爆破监理工程师对钻孔质量进行抽查，发现不达标即与爆破设计不相符的，立即要求整改，整改合格后方可进行下一步施工。
9)加强对现场爆破作业人员操作过程的监督，包括部分周边眼爆破参数(如线装药密度、装药结构等)选取，要求爆破施工与爆破设计相符。
(7)施工完毕后现场调研，校核光面爆破效果。如图2所示，为具体实施例中地下硐室边墙爆破开挖后的效果图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。