На строительстве туннелей, добыче полезных ископаемых на шахтах или крупных инфраструктурных объектах при столкновении с твердыми породными массивами, как добиться эффективного и безопасного взрыва или рытья? В этом процессе буровые роботы играют важную роль, а их эффективность работы в значительной степени зависит от точного проектирования схем разметки отверстий и научных методов бурения. Как важное оборудование в современном строительстве, схемы разметки отверстий и стратегии бурения буровых роботов оказывают прямое влияние на эффективность строительства, результаты взрыва и безопасность эксплуатации.
I. Логика проектирования схем разметки отверстий: баланс между наукой и практичностью
Проектирование схем разметки отверстий должно соответствовать трем основным принципам, обеспечивающим жизнеспособность и безопасность всей схемы.
Равномерное распределение и сбалансированная нагрузка: Отверстия для бурения должны быть равномерно расположены вдоль линии контура рытья туннеля и подразделяются на три типа: «периферийные отверстия», «расчленяющие отверстия» и «вспомогательные отверстия». Среди них периферийные отверстия отвечают за очерчивание границ рытья, способствуя правильной форме туннеля; расчленяющие отверстия находятся в центре поперечного сечения и служат начальным точкой пробоя при взрыве, необходимо сначала разрушить центральную породу для формирования свободной поверхности; вспомогательные отверстия заполняют область между расчленяющими и периферийными отверстиями, дальнейшим расширяя зону разрушения породы. При неравномерном распределении отверстий может произойти неполное разрушение породы, а также деформация контура туннеля, создавая опасные ситуации.
Адаптация параметров и регулировка под породу: Сжимающая прочность различных пород значительно различается. Например, сжимающая прочность гранита может достигать более 150 МПа, а сланца — только 30-50 МПа. Параметры разметки отверстий должны регулироваться в соответствии с характеристиками породы. Например, расстояние между периферийными отверстиями в твердой породе обычно контролируется в диапазоне 40-60 см, а в мягкой породе может увеличиваться до 60-80 см; глубина отверстий также должна соответствовать требованиям к прогрессу взрыва. Если планируется продвижение за один взрыв на 1,5 метра, глубина расчленяющих отверстий должна быть на 10-20 см больше, чем глубина периферийных, чтобы уменьшить случаи «недорыва» (порода не разрушена до требуемой глубины) или «избыточного рытья» (рытье превышает проектный контур).
Безопасность прежде всего и избегание рисков: Схемы разметки отверстий должны избегать слабых зон в туннеле, например, участков пород с развитой трещиноватостью, чтобы предотвратить обрушение породной поверхности во время бурения; кроме того, позиции отверстий должны поддерживать безопасное расстояние от сооружений, таких как стальные опоры и трубопроводы в туннеле, чтобы избежать повреждения оборудования. Качественная схема разметки отверстий должна пройти три этапа проверки: геологическое обследование, механические расчеты и имитация взрыва, при этом погрешность должна контролироваться в пределах 5 см, иначе это может оказать негативное влияние на результаты взрыва.
II. Основные методы бурения буровых роботов: адаптация к различным строительным условиям
Помимо точной схемы разметки отверстий, необходимо также применять научные методы бурения буровых роботов, чтобы превратить проектную схему в реальные результаты строительства. В зависимости от условий строительства основные методы бурения можно разделить на три типа: «метод полного сечения», «метод ступенчатого рытья» и «метод центральной перегородки (метод CD)», каждый из которых соответствует различным стратегиям разметки отверстий и особенностям эксплуатации.
Метод полного сечения: Подходит для туннелей в твердой породе, стремление к эффективному строительству
При строительстве длинных туннелей в твердой и геологически стабильной породе метод полного сечения широко применяется. Буровые роботы согласно схеме разметки отверстий за один раз завершают бурение и взрыв всего поперечного сечения туннеля, что значительно повышает эффективность по сравнению с традиционным ручным бурением. Во время эксплуатации робот сначала с помощью лазерной системы позиционирования точно проектирует координаты отверстий из схемы на породную поверхность, обеспечивая погрешность положения и угла каждого отверстия менее 3°; последовательность бурения должна строго соответствовать принципу «сначала расчленяющие отверстия, затем вспомогательные, наконец периферийные». Для расчленяющих отверстий часто используют метод «клинчатого расчленения» или «параллельного бурения». Например, при кличатом расчленении 2-4 отверстия наклоняются под углом 45° к центру, образуя клиновидное пространство и создавая свободную поверхность для последующего взрыва.
Метод ступенчатого рытья: Подходит для туннелей в мягкой породе или с большим поперечным сечением, фокус на строительной безопасности
Если поперечное сечение туннеля большое (например, автомобильные туннели) или порода мягкая и подвержена обрушению, метод ступенчатого рытья демонстрирует свои преимущества. Этот метод делит поперечное сечение туннеля на два яруса: верхний и нижний. Буровой робот сначала завершает разметку и бурение отверстий на верхнем ярусе, после взрыва сначала разрушает породу верхнего яруса, затем приступает к строительству нижнего яруса, образуя режим «ступенчатого продвижения».
При этом схема разметки отверстий для данного метода должна особо учитывать «соответствие высоты ступени и глубины отверстия». Высота верхнего яруса обычно составляет 3-5 метра, а глубина отверстий должна быть на 0,5 метра больше высоты ступени, чтобы обеспечить ровность поверхности ступени после взрыва; кроме того, периферийные отверстия верхнего яруса должны наклоняться наружу на 3-5°, образуя «предварительно расколотую поверхность» и уменьшая влияние взрыва на породу нижнего яруса. При строительстве определенного автомобильного туннеля после применения метода ступенчатого рытья риск обрушения туннеля был эффективно контролирован, а также удалось хорошо адаптироваться к переходам между различными геологическими участками. Например, при переходе из участка твердой породы в мягкую достаточно скорректировать расстояние между отверстиями на нижнем ярусе, не меняя общей строительной последовательности.
Метод центральной перегородки (метод CD): Подходит для сложных геологических условий, усиление контроля деформации
При строительстве туннелей в сложных геологических условиях с низкой стабильностью породной поверхности (например, туннелей, пересекающих разломные зоны) метод центральной перегородки (также известный как метод CD) является важным выбором для обеспечения безопасности. Этот метод делит поперечное сечение туннеля на две части: левую и правую, в центре устанавливается временная центральная перегородка для опоры. Буровой робот сначала выполняет бурение и взрыв на левом поперечном сечении согласно схеме разметки отверстий, после завершения опоры приступает к строительству правого поперечного сечения, что эквивалентно «делению туннеля на блоки» и постепенному их разрушению.
Схема разметки отверстий для данного метода должна сосредоточиться на проектировании «параметров отверстий вблизи временной центральной перегородки». Расстояние между периферийными отверстиями должно быть уменьшено до 30-40 см, а угол бурения наклонен наружу, чтобы избежать повреждения центральной перегородки во время взрыва; кроме того, длина рытья каждого блока контролируется в пределах 2-3 метров, применяя метод «коротких прогрессов и быстрой опоры» для предотвращения обрушения породной поверхности из-за длительного экспонирования. При строительстве определенного гидротехнического туннеля, пересекающего разломную зону, был применен метод центральной перегородки, а совместно с точной разметкой отверстий и контролируемым взрывом удалось успешно справиться с 5 мелкими обрушениями породной поверхности и обеспечить безопасность строительства.
От точного проектирования схем разметки отверстий до научных методов бурения, а также постоянного интеллектуального обновления, буровые роботы становятся важной силой в современном строительстве благодаря характеристикам «точности, эффективности и безопасности». На все больше строительствах туннелей, шахтах и инфраструктурных проектах они
