切槽爆破“钻切一体化”技术与装备

　　针对传统隧道爆破技术难以精确控制超欠挖，增加后续工序的复杂性和成本等诸多问题。申请人自主研发了隧道切槽爆破孔“钻切一体化”技术，成功解决了传统光面爆破炸药利用率低、炸药消耗大、超欠挖难以控制等问题。该技术基于爆破应力波与爆生气体共同作用理论与断裂-损伤动力学理论，实现了切槽爆破技术与切槽孔“钻切一体化”技术与装备研究。这一创新技术不仅提高了隧道爆破的施工质量和效率，还兼顾了环保和经济效益的要求，对隧道工程的可持续发展具有重要意义。

　　传统隧道爆破技术存在：难以精确控制爆破范围，常导致超挖或欠挖现象，增加了后续工序的复杂性和成本;受限于测量、钻孔精度和爆破参数的经验依赖，爆破效果不稳定，影响了岩壁平整度和施工质量;大量使用水泥和炸药导致环境影响和资源消耗增加，不利于可持续发展;复杂的工序和技术更新缓慢，限制了施工效率和安全性的提升等问题。为了提高隧道爆破的施工质量和效率，并兼顾环保和经济效益，申请人自主研发了隧道切槽爆破孔“钻切一体化”技术。这一创新技术通过整合多种先进的钻爆技术，解决了传统光面爆破中周边眼数量多、效率低、炸药消耗大、超欠挖难以控制等问题。

　　申请人以爆破应力波与爆生气体共同作用理论与断裂-损伤动力学理论为基础，开展切槽爆破技术与切槽孔“钻切一体化”技术与装备研究。切槽爆破在切槽方向预制初始裂纹，减小了裂纹起裂需要的能量，并抑制了其他方向裂纹发展。构建槽断裂-损伤动力学理论模型。

　　申请人结合 CT 扫描技术、三维重构技术、数字图像相关方法(DIC)与高速摄影技术，采用水泥砂浆为原料，制备了单、双孔圆孔及切槽孔岩板试件，采用石膏为原料，制备了单孔圆孔及切槽孔圆柱体试件，采用室内试验的方法，开展岩石材料不同聚能槽形状的岩石霍普金森杆实验缩尺模型单、双孔爆破试验。结果表明：圆孔 爆破裂纹方向随机，切槽孔对爆破能量具有导向作用，沿切槽方向扩展裂纹。对爆后石膏试件进行 CT 扫描三维重构，分别计算各试件各分段三维和二维分形维数，结果表明：圆孔爆破分形维数高，损伤更严重;三维分形维数计算受石膏内气泡影响，二维分形维数更符合实际;自由边界试件受反射拉伸波作用，被动围压模型试验更符合实际。申请人按照圆柱体石膏爆破试验模型试件尺寸及所选取的材料本构模型及参数，建立 4 个试件的数值模型。结合有限元数值模拟方法，模拟岩石切槽在荷载作用下切槽尖端应力-应变响应、揭示聚能-损伤-断裂规律，获得岩石的动态断裂特性数据。结果表明：切槽尖端存在应力集中，炮孔切槽对爆破能量具有导向作用。

　　申请人为解决传统切槽爆破二次刻槽费时费力、推广受限的问题，研发钻杆钻进与退杆过程一次成孔成槽的钻切一体成孔技术，不增加工序。研发钻切一体设备试验平台，开展不同切槽深度、角度，切槽刀头不同迎岩角度等参数下切槽孔成孔效率的钻孔试验，对岩石爆破效果的影响，以优化切槽爆破工艺和提高工程施工效率。研究基于岩石力学原理和凿岩机冲击动力学，建立了切槽破岩过程的力学模型，分析了冲击能量、冲击频率、钻头形状和尺寸等因素对破岩效果的影响。通过理论分析和有限元模拟，本文探讨了不同冲击荷载参数对岩石破碎效率和切槽形状的影响，以及如何通过调整这些参数来优化破岩过程。

　　申请人在广东韶关荷花隧道、广西桂林某在建隧道、重庆涪陵某在建隧道、云南昭通宋家坳隧道等多座新建隧道开展现场应用。现场应用发现钻切一体化装置结构越简单越可靠，在钎杆前端加装钻-切短杆设备能提升钻-切设备的适用性，无需改进施工现场现有钎杆，能直接安装在现有的设备上使用。开展切槽孔与圆孔现场 爆破对比试验，在相同的爆破参数下，半幅隧道切槽孔爆破超挖面积相较于圆孔爆破 减少了 54%，相应较少了因超挖导致喷射混凝土造成的施工、成本、环境污染，具有较好的社会经济效益。

　　申请人近五年来依托切槽爆破“钻切一体化”技术与装备，申请并授予了发明专利 1 项，实用新型专利 5 项;发表了学术论文 15 篇，其中 EI 收录 1 篇。在川渝、云 贵、两广、青藏等地开展隧道与地下工程方面的技术服务项目 10 余项，累计项目金额 800 万元。