CN114352300B - 一种数字化钻爆开挖系统和开挖方法 - Google Patents

Abstract

本专利提出一种数字化钻爆开挖系统和开挖方法，旨在实现每循环智能钻爆方案的动态优化设计，根据上循环超欠挖结果和围岩情况，自动修正炮眼参数和装药参数，通过智能钻爆信息化平台自动下发修正后的钻爆方案至智能凿岩台车，钻孔、装药、爆破，自动采集爆破后超欠挖结果，修正后的爆破方案和对应的超欠挖结果更新入库，修正钻爆法方案自动优化算法，周而复始，实现每循环钻爆方案动态调整和钻爆方案自动优化算法的训练修正，最终实现隧道钻爆施工超欠挖结果的精准控制，提高施工效率、降低施工成本。

Description

一种数字化钻爆开挖系统和开挖方法

技术领域

本发明涉及一种数字化钻爆开挖系统及开挖方法，属于隧道工程建设领域。

背景技术

隧道钻爆法机械化施工是保证施工质量、减轻作业人员劳动强度的需要，能减少隧道施工群死群伤事故，提高隧道施工安全性，能减少隧道施工作业人员，减少日益紧张的人力需求，是保证施工进度的重要措施。隧道智能装备是实现隧道智能建造的核心，不仅要施工装备机械化，而且要智能机械化，才能实现设计、施工和评价的工作目标，才能满足新工法、新理论和新目标的要求。因此，装备厂家必须要围绕隧道智能建造来研制智能化装备，实现地质数据的采集、施工数据的存储与装备少人无人化控制，打造更安全、更高效、更可靠、更智能，更经济的系列化隧道智能施工装备。

目前隧道施工机械化、智能化水平落后，现场管理自由度高、效率低，不利于隧道安全保障及施工效率提升，尤其是钻爆开挖作业，钻爆方案更新不及时，超欠挖控制差。为此，行业内多家单位开展了相关尝试，比如专利号为201810868924.1的专利提出一种基于BIM隧道超欠挖控制的方法，依据钻爆设计，与植入的钻爆设计方案进行匹配，结合爆破人员施工经验，对钻爆设计方案进行动态调整，并进行钻爆模拟，从而制定最佳的钻爆方案。但是这种方法的问题在于：一方面模拟的准确性难以把握，另一方面需要有经验的技术人员参与优化，智能化程度不足，与现行人工修正钻爆方案无异。

专利号为202010207661.7的专利提出一种钻爆法隧道智能建造方法，集成钻爆法隧道掌子面前方围岩智能预测方法、掌子面围岩智能分级方法、智能设计方法、智能施工方法、智能施工质量智能管控方法，实现掌子面前方围岩智能预测、掌子面围岩智能分级、智能设计、智能施工、施工质量智能管控的集成与高效率协同管理。但是，该方法主要是对于围岩预测、设计、施工及质量管理的集成，对于钻爆方案的设计仅是基于钻爆法隧道设计理论进行仿真计算来确定隧道设计参数，设计方案的适配性需要验证，仅是理论设计是不够的，需要实际钻爆实验修正。

专利号为201811554192.5的发明提出一种水电工程智能钻爆系统及方法，该系统通过卫星定位传输及测量装置结合光学或激光精确测量方式，将爆破点位通过激光投影方式精确投射在洞内准备钻爆开挖的断面上，同时将钻孔信息传输给钻爆设备，引导钻爆设备精确钻孔施工，爆破后对爆破效果进行实时测量分析，进而对爆破设计优化，达到精确爆破的目的。但是该方法一方面需要额外增加一台设备负责投射爆破点位，且该设备位置与凿岩台车或台架位置重合，影响正常钻孔作业；另一方面，该方法提到了钻爆方案的设计方法，根据理论计算公式、其他工程隧洞开挖海量经验数据，结合岩性、埋深、物探数据、开挖进尺等进行自动计算，未给出计算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种数字化钻爆开挖系统及开挖方法，能够实现隧道钻爆施工超欠挖结果的精准控制，提高施工效率、降低施工成本。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供一种数字化钻爆开挖方法，所述方法包括：

根据上一循环钻爆后的隧道超欠挖结果及隧道围岩等级，修正下一循环钻爆方案；

根据修正后的钻爆方案实施钻爆；

循环上述步骤，直至设定循环次数用尽。

进一步的，所述隧道超欠挖结果通过下述方法计算获取：

扫描隧道轮廓，获取超欠挖扫描点云数据；

对超欠挖扫描点云数据进行分析处理，得到隧道爆破后三维点云数据；

将隧道爆破后三维点云数据与隧道设计三维点云数据进行对比，计算获取当前隧道超欠挖结果。

进一步的，所述隧道设计三维点云数据利用隧道设计轴线、轮廓线生成。

进一步的，所述隧道围岩等级的划分方法包括：

依据凿岩台车掌子面网格块中爆破孔掌子面坐标及实时钻进参数确定待钻爆开完隧道围岩位置；

根据所述隧道围岩位置处的围岩抗钻系数确定隧道围岩等级。

进一步的，所述方法还包括：利用网格划分单元对超欠挖结果进网格划分，获取超、欠挖网格块中心三维坐标。

进一步的，利用如公式(1)所示的爆破模型修正钻爆方案：

Y_i(M_i，N_i)＝F_i(X_i-1，Z_i-1) (1)

其中，i为循环序号；Y_i(·)表示第i次循环的钻爆方案；M_i表示第i次循环对应的炮眼参数；N_i表示第i次循环对应的装药参数；X_i-1表示第i-1次循环的隧道超欠挖结果；Z_i-1表示第i-1次循环的隧道围岩等级；F_i(·)表示第i次循环钻爆方案调整策略；

X_i-1＝F_i-1(超挖网格块中心坐标C_i-1，欠挖网格块中心坐标Q_i-1)；

Z_i-1＝F_i-1(掌子面网格块中心坐标W_i-1，钻进参数P_i-1)；

M_i＝F_i(炮眼数量n，炮眼直径φ，炮眼前端面坐标B_q，炮眼后端面坐标B_h)；

N_i＝F_i(炸药库B_s，装药方式δ，装药系数ξ，装药密度ρ)；

对于第i次循环对应的炮眼参数M_i采用下述方法进行修正：

炮眼数量n保持不变；

对于每个炮眼，选择距离炮眼前端面圆心最近的网格块坐标W_i-1对应的抗钻系数f_i，计算第i次循环对应的炮眼直径φ_i＝AVERAGE(f_ij*φ_i-1/f_ij-1)，其中，j为当前循环下炮眼序号，j＝1，2，3……n；f_ij为第i次循环第j个炮眼的抗钻系数；f_ij-1为第i次循环第j-1个炮眼的抗钻系数；φ_i-1为第i-1次循环对应的炮眼直径；

若炮眼类型为周边孔，则第i次循环第j个炮眼的炮眼前端面坐标B_qij和炮眼后端面坐标B_hij的X轴坐标通过下式计算获取：

x_ij＝x_i-1j+L，

式中，x_i-1j为第i-1次循环第j个炮眼前端面坐标/炮眼后端面坐标的X轴坐标；L为每循环理论进尺；第i次循环第j个炮眼前端面坐标B_qij/炮眼后端面坐标B_hij的Y轴坐标和Z轴坐标根据超挖单元数量k和欠挖单元数量e、通过历史施工数据拟合获取；

若炮眼类型为掏槽孔或辅助孔，第i次循环第j个炮眼的炮眼前端面坐标B_qij和炮眼后端面坐标B_hij不变；

对于第i次循环对应的装药参数N_i采用下述方法进行修正：

炸药库B_s、装药方式δ不变；

第i次循环的装药系数ξ_i＝(1+(e-k)/n)ξ_i-1，通过调整后炮眼前后端面坐标计算出炮眼长度，乘以装药系数ξ_i得出装药长度；ξ_i-1为第i-1次循环的装药系数；

第i次循环的装药密度ρ_i＝(1+(e-k)/n)ρ_i-1，根据装药长度和直径计算出装药体积，乘以装药密度ρ_i计算得出装药质量；ρ_i-1为第i-1次循环的装药密度。

进一步的，所述方法还包括：当钻爆方案中参数修正比例大于10％时，提醒人工确认，并接受人工干预修改操作。

进一步的，所述方法还包括将修正后的钻爆方案及对应的超欠挖结果存储至专家库。

另一方面，本发明提供一种数字化钻爆开挖系统，包括钻爆信息化平台和凿岩台车；

所述钻爆信息化平台：用于根据上一循环钻爆后的隧道超欠挖结果及隧道围岩等级修正下一循环钻爆方案；

所述凿岩台车：用于根据修正后的钻爆方案实施钻爆。

进一步的，所述钻爆信息化平台包括：

超欠挖分析模块：用于根据隧道爆破后三维点云数据和隧道设计三维点云数据，计算输出超欠挖结果；

围岩级别分析模块：用于根据凿岩台车掌子面网格块中爆破孔掌子面坐标对隧道围岩等级，获取隧道围岩等级；

爆破模块：用于根据超欠挖结果及隧道围岩等级，利用预构建的爆破模型修正钻爆方案。

进一步的，所述超欠挖分析模块包括：

扫描仪：用于扫描隧道轮廓，获取超欠挖扫描点云数据；

后处理终端：用于对超欠挖扫描点云数据进行处理分析，得到隧道爆破后三维点云数据，并利用隧道设计轴线、轮廓线自动生成隧道设计三维点云数据；通过对比隧道爆破后三维点云数据与隧道设计三维点云数据，计算输出超欠挖结果。

进一步的，所述超欠挖分析模块还包括网格划分单元，所述网格划分单元利用网格划分单元对超欠挖结果进网格划分，获取超、欠挖网格块中心三维坐标。

进一步的，还包括：

提醒确认模块：当钻爆方案中参数修正比例大于10％时，提醒人工确认，并接受人工干预修改操作。

进一步的，还包括：

专家库：用于存储修正后的钻爆方案及对应的超欠挖结果。

进一步的，所述凿岩台车包括翼式臂架和连接于翼式臂架上的凿岩臂；所述翼式臂架配置有翼式臂架起升油缸，用于实现翼式臂架的姿态调整；

所述凿岩臂用于根据钻爆方案实施钻爆。

进一步的，所述凿岩臂包括凿岩臂基座、大臂、内含伸缩油缸的伸缩臂、内含凿岩机推进油缸的推进梁、凿岩机和钻杆；

所述大臂连接于凿岩臂基座上，所述凿岩臂基座上铰接有凿岩臂起升油缸，用于实现大臂姿态调整；

所述伸缩臂连接于大臂上，能够通过伸缩油缸相对大臂伸缩；

所述推进梁通过推进梁推进油缸相对推进梁底座滑动，通过推进梁摆动油缸先对推进梁底座摆动；

所述推进梁底座通过旋转机构连接于伸缩臂末端，所述旋转机构能够带动推进梁底座相对伸缩臂实现空间旋转，从而实现推进梁的姿态调整；

所述凿岩机推进油缸能够推动凿岩机沿推进梁滑动，从而带动钻杆凿岩钻孔。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

(1)本发明提出一种智能钻爆信息化平台系统，可实现多项目多设备的同时在线管理，实现钻爆方案的自动优化与下发；

(2)本发明提出一种智能钻爆信息化平台系统，修正后的爆破方案和对应的超欠挖结果自动更新入库，实现钻爆方案自动优化算法的训练修正；

(3)本发明提出一种智能钻爆信息化平台系统，实现了施工过程钻爆方案与超欠挖分析结果的存储，不断完善专家数据库；

(4)本发明提供了一种智能凿岩台车，用于配合本发明中的智能钻爆信息化平台，通过接受智能钻爆信息化平台所下发的钻爆方案，按照优化后的钻爆方案进行钻孔、装药；

(5)本发明提出一种数字化钻爆开挖方法，实现了每循环智能钻爆方案的动态优化设计，精准控制超欠挖，提高施工效率、降低施工成本。

附图说明

图1为本发明超欠挖分析网格划分示意图；

图2为本发明对于隧道掌子面网络块划分示意图；

图3为本发明钻爆方案循环优化方案流程图；

图4为本发明数字化钻爆开挖方法流程图；

图5为本发明凿岩台车整体结构示意图；

图6为本发明图5中凿岩臂架结构示意图；

图7为本发明图5凿岩臂结构示意图；

图8为本发明图5凿岩臂侧面结构示意图；

图9为本发明中工作臂末端坐标示意图；

图10为本发明凿岩臂参数调整流程图；

图11为本发明中钻爆方案智能优化方法；

图12为本发明中智能钻爆信息化平台工作流程图；

图中：行走底盘1；驾驶室2；支腿3；翼式臂架4；翼式臂架起升油缸401；左凿岩臂5；凿岩臂基座501；凿岩臂左起升油缸5021；凿岩臂右起升油缸5022；大臂503；伸缩臂504；第一旋转马达505；第二旋转马达底座506；第二旋转马达507；推进梁底座508；推进梁509；推进梁摆动油缸510；推进梁推进油缸511；凿岩机512；钻杆513；右凿岩臂6；中凿岩臂7；平台臂8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

一种数字化钻爆开挖系统，包括钻爆信息化平台和凿岩台车，如图2所示，其中钻爆信息化平台对需要开挖或者已进行过开挖的隧道进行掌子面划分出掌子面网格块，并自动采集爆破后超欠挖结果，修正后的爆破方案和对应的超欠挖结果更新入库，循环修正钻爆自动优化算法，如图12所示，钻爆信息化平台能同时对多个项目以及凿岩台车下发修正方案；而凿岩台车根据钻爆信息化平台下发修正后的爆破方案进行实时爆破。

钻爆信息化平台包括超欠挖结果分析模块、围岩级别分析模块、爆破模块；其中，超欠挖分析模块负责爆破后隧道轮廓扫描点云数据的处理、分析和结果输出，根据隧道爆破后三维点云数据和隧道设计三维点云数据，计算输出超欠挖结果；围岩级别分析模块利用钻进参数变化规律映射围岩等级，根据凿岩台车掌子面网格块中爆破孔掌子面坐标对隧道围岩等级，获取隧道围岩等级；爆破模块利用超欠挖分析模块输出的超欠挖结果和围岩级别分析模块输出的隧道围岩等级，利用预构建的爆破模型修正下循环钻爆方案。

超欠挖分析模块包括扫描仪、后处理终端以及网格划分单元；其中扫描仪用于对爆破后隧道轮廓进行三维扫描，获取超欠挖扫描点云数据；后处理终端对超欠挖点云数据进行处理分析，得到可准确计算爆破后隧道超欠挖的点云数据，并利用隧道设计轴线、轮廓线自动生成隧道设计点云数据，对比隧道爆破后三维点云数据与隧道设计三维点云数据，输出超欠挖结果；如图1所示，网格划分单元用于将超欠挖结果划分成若干个方块，并记录超、欠挖网格块中心三维坐标。

围岩级别分析模块根据划分的掌子面网格块中爆破孔掌子面坐标，利用钻进参数变化规律，进行围岩等级的确定。

爆破模块根据超欠挖结果及隧道围岩等级，利用预构建的爆破模型修正钻爆方案。所述爆破模型根据隧道钻爆工况的不同而变化，可以基于系统神经网络采用响应曲面法初步获得，再利用机器学习等大量数据训练，构建不同围岩、钻进参数与钻爆方案的对应关系，从而实现炮眼参数和装药参数修正。

钻爆信息化平台还包括提醒确认模块，针对优化方案参数修改比例大于10％部分，系统自动提醒人工确认，进行人工干预修改。

为使爆破模型更加智能化，钻爆信息化平台还包括专家库，对修正前后的钻爆方案的超欠挖结果分析、围岩级别分析以及优化方案进行存储更新入库，形成数据库存储经验数据。

如图5-8所示，凿岩台车包括用于驱动车辆的行走底盘1、驾驶室2、辅助支撑车辆的支腿3、翼式臂架4、安装在翼式臂架上的左凿岩臂5、安装在翼式臂架上的右凿岩臂6、安装在翼式臂架中间位置的中凿岩臂7、安装在翼式臂架上的平台臂8、液压系统和控制系统，控制系统根据所述钻爆信息化平台自动下发的钻爆方案，经由液压系统辅助控制翼式臂架4、三种凿岩臂以及平台臂8，按照数据库存储经验数据自动调整，实现凿岩台车自动钻孔、装药。

凿岩台车左凿岩臂5和右凿岩臂6结构相同、按照位置对称，中凿岩臂7安装在翼式臂架4中间位置，与左凿岩臂5、右凿岩臂6的区别主要是没有翼式臂架起升油缸401，中凿岩臂7起始位置固定。

以左凿岩臂5为例，包括凿岩臂基座501、凿岩臂左起升油缸5021、凿岩臂右起升油缸5022、大臂503、伸缩臂(内含伸缩油缸)504、第一旋转马达505、第二旋转马达底座506、第二旋转马达507、推进梁底座508、推进梁509(内含凿岩机推进油缸)、推进梁摆动油缸510、推进梁推进油缸511、凿岩机512、钻杆513。通过凿岩臂左起升油缸5021和凿岩臂右起升油缸5022的伸缩实现大臂503的上下起升、左右摆动，伸缩臂504利用内置伸缩油缸实现伸缩功能；第一旋转马达505可实现绕伸缩臂504端面360°旋转，第二旋转马达507可实现绕第二旋转马达底座506端面360°旋转，两个旋转马达带动推进梁底座508实现空间旋转，从而实现推进梁509的姿态快速调整；另外，推进梁509可利用推进梁推进油缸511伸缩运动在推进梁底座508上实现滑动，推进梁底座508铰接在第二旋转马达507上，通过推进梁摆动油缸510实现摆动；凿岩机512可在推进梁上滑动推进，其动力来自推进梁509内置的凿岩机推进油缸，从而带动钻杆513凿岩钻孔。

其中所述自动钻孔的实现如图9和图10所示，根据掌子面爆破孔的位置，调整炮眼前端B_q和B_h的坐标，凿岩台车工作臂末端自B_q匀速钻进至B_h的过程中，翼式臂架起升油缸4伸缩长度X₁、凿岩臂左起升油缸5021伸缩长度X₂、凿岩臂右起升油缸5022伸缩长度X₃、伸缩臂油缸504伸缩长度X₄、第一旋转马达505旋转角度X₅、第二旋转马达506旋转角度X₆、推进梁摆动油缸510伸缩长度X₇、推进梁推进油缸511伸缩长度X₈、凿岩机推进油缸伸缩长度X₉按照数据库存储经验数据自动调整，实现凿岩台车自动钻孔。

实施例2

本发明还提供了一种使用实施例1的数字化钻爆开挖系统进行钻爆开挖的方法，包括如下步骤：

对于循环爆破中，以第i-1次循环到第i次循环的修正为例，如图3和图4所示。

对所需爆破的目标进行超欠挖结果分析：使用三维扫描仪扫描爆破后隧道轮廓，获取超欠挖扫描点云数据，利用扫描后处理软件进行数据处理操作，得到准确计算爆破后隧道超欠挖的三维点云数据S₁。利用隧道设计轴线、轮廓线自动生成隧道设计三维点云数据S₂，对比爆破后隧道超欠挖轮廓与设计轮廓，输出超欠挖结果。利用网格划分单元，将超欠挖结果划分成若干个方块，并记录超挖网格块中心三维坐标C_i-1(X_i-1,Y_i-1,Z_i-1)或欠挖网格块中心三维坐标Q_i-1(X_i-1,Y_i-1,Z_i-1)。

对所需爆破的目标进行围岩级别分析：如图3对需要开挖或者已进行过开挖的隧道进行掌子面划分出掌子面网格块，将开挖后的隧道根据钻进参数变化规律确定凿岩台车掌子面网格块中爆破孔掌子面网格块中心坐标W_i-1(x_i-1,y_i-1,z_i-1)，将隧道围岩等级分为Ⅰ～Ⅴ级。围岩抗钻系数f，根据f大小将围岩等级划分为Ⅰ～Ⅴ级。比如，可以按照下表执行，根据不断山体围岩断裂程度不同，可以浮动调整判定值大小：

修正参数：如图3和图4所示，根据第i-1次循环中超欠挖结果分析的结果以及围岩级别分析的结果，进入开挖的第i次循环，利用系统基于神经网络构建的爆破模型，自动修正炮眼参数M_i和装药参数N_i；其中对炮眼参数M_i的修正包括修正炮眼数量n，炮眼直径φ，炮眼前端面坐标B_q(X_m-q,Y_m-q,Z_m-q)，炮眼后端面坐标B_h(X_m-h,Y_m-h,Z_m-h)，其中1≤m≤n，且n和m都为正整数；对装药参数N_i的修正包括常用炸药库Bi、装药方式δ、装药系数ξ以及装药密度ρ的修正，装药方式δ为单一/混合、连续/间隔、耦合中的任意一种方式；装药系数ξ为装药长度除以炮眼长度的计算值；装药密度ρ为装药质量除以装药体积的计算值。以上参数修正后，形成优化修正方案：

Y_i(M_i，N_i)＝F_i(X_i-1，Z_i-1) (1)

公式(1)中，i为循环序号；Y_i(·)表示第i次循环的钻爆方案；M_i表示第i次循环对应的炮眼参数；N_i表示第i次循环对应的装药参数；X_i-1表示第i-1次循环的隧道超欠挖结果；Z_i-1表示第i-1次循环的隧道围岩等级；F_i(·)表示第i次循环钻爆方案调整策略；

X_i-1＝F_i-1(超挖网格块中心坐标C_i-1，欠挖网格块中心坐标Q_i-1)

Z_i-1＝F_i-1(掌子面网格块中心坐标W_i-1+钻进参数P_i-1)

M_i＝F_i(炮眼数量n，炮眼直径φ，炮眼前端面坐标B_q，炮眼后端面坐标B_h)；

Ni＝F_i(炸药库B_s，装药方式δ，装药系数ξ，装药密度ρ)。

当出现大变形、富水等不良地质时，需优先解决不良地质问题，重新设计炮眼图；当围岩符合地勘报告预测时，无需调整炮眼数量，微调炮眼参数和装药参数，实现每循环钻爆方案的循环优化。

(1)第i次循环炮眼参数M_i采用下述方法修正：

炮眼参数n保持不变，每个炮眼选择距离炮眼前端面圆心最近的网格块坐标W_i-1对应的抗钻系数，炮眼直径φ_i＝AVERAGE(f_ij*φ_i-1/f_ij-1)，j为当前循环下炮眼序号，j＝1，2，3……n；f_ij为第i次循环下第j个炮眼的抗钻系数；

超挖网格块中心坐标C_i-1，k(r_k，θ_k，k)，k＝1，2，3……，每循环超挖情况不同，k可大可小，将超挖体划分成k个单元；欠挖网格块中心坐标Q_i-1，e(r_e，θ_e，e)，每循环欠挖情况不同，e可大可小，将欠挖体划分成e个单元；

每循环炮眼有3类：掏槽孔、辅助孔、周边孔，超欠挖情况主要受周边孔和装药参数影响，炮眼的类型在原始设计时已设定，炮眼优化不改变炮眼类型，所以下面炮眼参数优化公式适用于周边孔，掏槽孔、辅助孔参数不变；

第i次循环第j个炮眼前端面坐标B_qij(x_qij，y_qij，z_qij)，第i-1次循环第j个炮眼后端面坐标B_qi-1j(x_qi-1j，y_qi-1j，z_qi-1j)，x_qij＝x_qi-1j+L，x_qi-1j＝x_qi-2j+L；L为每循环理论进尺。

根据超欠挖单元θ_k、θ_e找到距离该单元最近周边孔，该周边孔Y、Z坐标根据当前炮眼圆心与掌子面原点连线，与掌子面水平夹角θ下超挖单元数量k和欠挖单元数量e，调整该周边孔Y、Z坐标，前后两个循环坐标之间的关系可以通过历史施工数据利用响应曲面法或机器学习拟合，比如：在某案例中得出：

y_qij＝(1+(e-k)/n)*y_qi-1j，z_qij＝(1+(e-k)/n)z_qi-1j；

第i次循环第j个炮眼后端面坐标B_hij(x_hij，y_hij，z_hij)

y_hij＝(1+(e-k)/n)*y_hi-1j，z_ij＝(1+(e-k)/n)z_hi-1j；

(2)第i次循环装药参数N_i采用下述方法修正：

其中炸药库B_s、装药方式δ不变；

第i次循环的装药系数ξ_i＝(1+(e-k)/n)ξ_i-1，通过调整后炮眼前后端面坐标，可计算出炮眼长度，乘以装药系数ξ_i得出装药长度；

第i次循环的装药密度ρ_i＝(1+(e-k)/n)ρ_i-1，根据装药长度和直径可计算出装药体积，乘以装药密度ρ_i可计算得出装药质量。

根据优化修正方案，通过钻爆信息化平台将优化修正方案下发到凿岩台车，凿岩台车按照优化后钻爆方案自动钻孔，进行第i次循环的钻孔作业。

第i次循环钻孔作业完毕后，进行装药，进行第i次循环阶段的超欠挖结果分析和围岩级别分析，进行以上钻爆方案的循环，其中，如果钻爆方案中参数修正比例大于10％时，提醒确认模块提醒人工确认，并接受人工干预修改操作；在循环过程中，同时将第i次循环中超欠挖结果分析、围岩级别分析以及优化方案进行存储更新入专家库，形成数据库存储经验数据，使得爆破模型更加化。

如图11所示，在进行优化修正钻爆方案时，将第i-1次循环中的超欠挖结果分析、围岩级别分析以及钻爆方案存储更新入专家库，进行经验数据训练拟合，然后再根据优化后的方案进行自动钻挖，目的在于进行爆破验证和训练修正，最后在第i次循环进行循环优化施工，以此循环，形成数据库存储经验数据，使得爆破模型更加化。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种数字化钻爆开挖方法，其特征在于，所述方法包括：

根据上一循环钻爆后的隧道超欠挖结果及隧道围岩等级，修正下一循环钻爆方案；

根据修正后的钻爆方案实施钻爆；

循环上述所有步骤，直至设定循环次数用尽；

所述方法还包括：利用网格划分单元对超欠挖结果进网格划分，获取超、欠挖网格块中心三维坐标；

利用如公式（1）所示的爆破模型修正钻爆方案：

（1）

其中，i为循环序号；表示第i次循环的钻爆方案；/>表示第i次循环对应的炮眼参数；/>表示第i次循环对应的装药参数；/>表示第/>次循环的隧道超欠挖结果；/>表示第/>次循环的隧道围岩等级；/>表示第i次循环钻爆方案调整策略；/>（超挖网格块中心坐标/>，欠挖网格块中心坐标/>）；/>（掌子面网格块中心坐标/>，钻进参数/>）；/>（炮眼数量n，炮眼直径/>，炮眼前端面坐标/>，炮眼后端面坐标/>）；/>（炸药库/>，装药方式δ，装药系数ξ，装药密度ρ）。

2.根据权利要求1所述的数字化钻爆开挖方法，其特征在于，所述隧道超欠挖结果通过下述方法计算获取：

扫描隧道轮廓，获取超欠挖扫描点云数据；

对超欠挖扫描点云数据进行分析处理，得到隧道爆破后三维点云数据；

将隧道爆破后三维点云数据与隧道设计三维点云数据进行对比，计算获取当前隧道超欠挖结果。

3.根据权利要求2所述的数字化钻爆开挖方法，其特征在于，所述隧道设计三维点云数据利用隧道设计轴线、轮廓线生成。

4.根据权利要求1所述的数字化钻爆开挖方法，其特征在于，所述隧道围岩等级的划分方法包括：

依据凿岩台车掌子面网格块中爆破孔掌子面坐标及实时钻进参数确定待钻爆开完隧道围岩位置；

根据所述隧道围岩位置处的围岩抗钻系数确定隧道围岩等级。

5.根据权利要求1所述的数字化钻爆开挖方法，其特征在于，所述爆破模型修正钻爆方案还包括：

对于第i次循环对应的炮眼参数采用下述方法进行修正：

炮眼数量n保持不变；

对于每个炮眼，选择距离炮眼前端面圆心最近的网格块坐标对应的抗钻系数/>，计算第i次循环对应的炮眼直径/>，其中，j为当前循环下炮眼序号，j=1，2，3……n；/>为第i次循环第j个炮眼的抗钻系数；/>为第i次循环第/>个炮眼的抗钻系数；为第/>次循环对应的炮眼直径；

若炮眼类型为周边孔，则第i次循环第j个炮眼的炮眼前端面坐标和炮眼后端面坐标的X轴坐标通过下式计算获取： />式中，/>为第i-1次循环第j个炮眼前端面坐标/炮眼后端面坐标的X轴坐标；L为每循环理论进尺；第i次循环第j个炮眼前端面坐标/>/炮眼后端面坐标/>的Y轴坐标和Z轴坐标根据超挖单元数量k和欠挖单元数量e、通过历史施工数据拟合获取；

若炮眼类型为掏槽孔或辅助孔，第i次循环第j个炮眼的炮眼前端面坐标和炮眼后端面坐标/>不变；

对于第i次循环对应的装药参数采用下述方法进行修正：

炸药库、装药方式δ不变；

第i次循环的装药系数，通过调整后炮眼前后端面坐标计算出炮眼长度，乘以装药系数/>得出装药长度；/>为第i-1次循环的装药系数；

第i次循环的装药密度，根据装药长度和直径计算出装药体积，乘以装药密度/>计算得出装药质量；/>为第i-1次循环的装药密度。

6.根据权利要求1所述的数字化钻爆开挖方法，其特征在于，所述方法还包括：当钻爆方案中参数修正比例大于10%时，提醒人工确认，并接受人工干预修改操作。

7.根据权利要求1所述的数字化钻爆开挖方法，其特征在于，所述方法还包括将修正后的钻爆方案及对应的超欠挖结果存储至专家库。

8.一种数字化钻爆开挖系统，其特征在于，包括钻爆信息化平台和凿岩台车；

所述钻爆信息化平台：用于根据上一循环钻爆后的隧道超欠挖结果及隧道围岩等级修正下一循环钻爆方案；

所述凿岩台车：用于根据修正后的钻爆方案实施钻爆；

所述系统利用网格划分单元对超欠挖结果进网格划分，获取超、欠挖网格块中心三维坐标；

所述系统具体利用如公式（1）所示的爆破模型修正钻爆方案：

（1）

其中，i为循环序号；表示第i次循环的钻爆方案；/>表示第i次循环对应的炮眼参数；/>表示第i次循环对应的装药参数；/>表示第/>次循环的隧道超欠挖结果；/>表示第/>次循环的隧道围岩等级；/>表示第i次循环钻爆方案调整策略；/>（超挖网格块中心坐标/>，欠挖网格块中心坐标/>）；/>（掌子面网格块中心坐标/>，钻进参数/>）；/>（炮眼数量n，炮眼直径/>，炮眼前端面坐标/>，炮眼后端面坐标/>）；/>（炸药库/>，装药方式δ，装药系数ξ，装药密度ρ）。

9.根据权利要求8所述的数字化钻爆开挖系统，其特征在于，所述钻爆信息化平台包括：

超欠挖分析模块：用于根据隧道爆破后三维点云数据和隧道设计三维点云数据，计算输出超欠挖结果；

围岩级别分析模块：用于根据凿岩台车掌子面网格块中爆破孔掌子面坐标对隧道围岩等级，获取隧道围岩等级；

爆破模块：用于根据超欠挖结果及隧道围岩等级，利用预构建的爆破模型修正钻爆方案。

10.根据权利要求9所述的数字化钻爆开挖系统，其特征在于，所述超欠挖分析模块包括：

扫描仪：用于扫描隧道轮廓，获取超欠挖扫描点云数据；

后处理终端：用于对超欠挖扫描点云数据进行处理分析，得到隧道爆破后三维点云数据，并利用隧道设计轴线、轮廓线自动生成隧道设计三维点云数据；通过对比隧道爆破后三维点云数据与隧道设计三维点云数据，计算输出超欠挖结果。

11.根据权利要求9所述的数字化钻爆开挖系统，其特征在于，所述超欠挖分析模块还包括网格划分单元，所述网格划分单元利用网格划分单元对超欠挖结果进网格划分，获取超、欠挖网格块中心三维坐标。

12.根据权利要求8至11任一项所述的数字化钻爆开挖系统，其特征在于，还包括：

提醒确认模块：当钻爆方案中参数修正比例大于10%时，提醒人工确认，并接受人工干预修改操作。

13.根据权利要求8所述的数字化钻爆开挖系统，其特征在于，还包括：

专家库：用于存储修正后的钻爆方案及对应的超欠挖结果。

14.根据权利要求8所述的数字化钻爆开挖系统，其特征在于，所述凿岩台车包括翼式臂架和连接于翼式臂架上的凿岩臂；所述翼式臂架配置有翼式臂架起升油缸，用于实现翼式臂架的姿态调整；

所述凿岩臂用于根据钻爆方案实施钻爆。

15.根据权利要求14所述的数字化钻爆开挖系统，其特征在于，所述凿岩臂包括凿岩臂基座、大臂、内含伸缩油缸的伸缩臂、内含凿岩机推进油缸的推进梁、凿岩机和钻杆；

所述大臂连接于凿岩臂基座上，所述凿岩臂基座上铰接有凿岩臂起升油缸，用于实现大臂姿态调整；

所述伸缩臂连接于大臂上，能够通过伸缩油缸相对大臂伸缩；

所述推进梁通过推进梁推进油缸相对推进梁底座滑动，通过推进梁摆动油缸先对推进梁底座摆动；

所述推进梁底座通过旋转机构连接于伸缩臂末端，所述旋转机构能够带动推进梁底座相对伸缩臂实现空间旋转，从而实现推进梁的姿态调整；

所述凿岩机推进油缸能够推动凿岩机沿推进梁滑动，从而带动钻杆凿岩钻孔。