劉建波 趙超群

（中鐵十一局集團(tuán)五公司 重慶 404100 中國鐵道科學(xué)研究院 北京 100081）

邊坡光面（預(yù)裂）爆破質(zhì)量數(shù)字化分析

劉建波 趙超群

（中鐵十一局集團(tuán)五公司 重慶 404100 中國鐵道科學(xué)研究院 北京 100081）

數(shù)字化分析是爆破行業(yè)在信息時(shí)代行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，涉及爆破工程作業(yè)的各個(gè)層面。先進(jìn)的施工工藝、施工機(jī)械和測量儀器的廣泛使用給路塹邊坡爆破質(zhì)量評價(jià)數(shù)字化的可行提供支持和保障，如何利用這些資源，開發(fā)符合自身特點(diǎn)的數(shù)字化評價(jià)系統(tǒng)是本文討論的問題。

數(shù)字化分析 邊坡 光面（預(yù)裂） 爆破

1 引言

隨著以計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用為主要特征的數(shù)字化時(shí)代的到來，工程施工的各個(gè)環(huán)節(jié)正以前所未有的速度經(jīng)歷著翻天覆地的變化。施工工藝、方法的進(jìn)步，機(jī)械、測量設(shè)備性能的提升，計(jì)算機(jī)輔助的普及為我們做了充分的外部條件支持。這時(shí)，如何順應(yīng)時(shí)代潮流，在爆破行業(yè)發(fā)展符合自身特點(diǎn)的數(shù)字化進(jìn)程，就急迫地?cái)[在我們每個(gè)從業(yè)者面前。本文針對路塹邊坡光面（預(yù)裂）爆破質(zhì)量評價(jià)的數(shù)字化系統(tǒng)集成進(jìn)行初步的探討。

2 目前路塹邊坡質(zhì)量驗(yàn)收測量的評價(jià)手段

根據(jù)《鐵路路塹邊坡光面（預(yù)裂）爆破技術(shù)規(guī)范》（TB 10122-2008）（以下簡稱“規(guī)范”）要求，鐵路路塹邊坡光面（預(yù)裂）爆破質(zhì)量評價(jià)的主控項(xiàng)目為半孔率、坡面平整度和邊坡坡率。目前三個(gè)指標(biāo)的測量方法由于受到現(xiàn)場條件、測量儀器等條件的制約，一般采用現(xiàn)場人工測量和后期手工計(jì)算相結(jié)合的方式。

2.1 半孔率指標(biāo)測量

規(guī)范要求：“半孔率指標(biāo)測量的數(shù)量和方法，按照不同的地址區(qū)段 （或同一地質(zhì)區(qū)每100 m分2段）分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。”“半孔率指標(biāo)檢測方法：采用觀察、米尺測量手段檢測，量尺誤差應(yīng)小于0.2 m?！爆F(xiàn)場實(shí)施時(shí)，需要 2名以上檢測人員在邊坡斜面上互相配合，先鑒別半孔或者非半孔，然后用米尺拉測相應(yīng)長度，同時(shí)進(jìn)行結(jié)果記錄。內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)，對測量結(jié)果進(jìn)行累計(jì)，計(jì)算得出半孔率。

2.2 坡面平整度和邊坡坡率指標(biāo)測量

規(guī)范要求：“坡面平整度和邊坡坡率指標(biāo)檢測數(shù)量：每開挖層每100m等距檢測6個(gè)斷面，檢測斷面應(yīng)在兩個(gè)殘留炮孔中間?！薄捌旅嫫秸群瓦吰缕侣手笜?biāo)檢測方法：在確定的檢測斷面前方架設(shè)全站儀，從坡腳開始垂直向上每隔1 m測量一個(gè)坡面坐標(biāo)，計(jì)算出平均坡率 φ為邊坡坡率，再根據(jù)平均坡率線計(jì)算各測點(diǎn)的偏差，即坡面凹凸差，凹陷取正值，凸起取負(fù)值?！?現(xiàn)場實(shí)施檢測時(shí)，首先對測量坡面按照巖性進(jìn)行范圍區(qū)劃，然后按照區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行斷面確定，最后假設(shè)全站儀對確定的斷面進(jìn)行測量。內(nèi)業(yè)工作是對測量結(jié)果進(jìn)行校核和計(jì)算，得出指標(biāo)值。

2.3 目前測量手段的優(yōu)缺點(diǎn)及改善的可能性

目前這種邊坡指標(biāo)值測量、計(jì)算手段符合現(xiàn)場測量人員習(xí)慣，計(jì)算要素值的取得在施工現(xiàn)場可以使用常規(guī)測量儀器獲得，不需要額外增加測量設(shè)備和測量人員。其缺點(diǎn)同時(shí)表現(xiàn)在：首先，外業(yè)測量工作繁重而危險(xiǎn)，采用傳統(tǒng)儀器，需要測量人員在陡峭的邊坡上實(shí)施量測，容易發(fā)生意外事故，有些測量值甚至不能直接獲得而需要估測；其次，內(nèi)業(yè)工作原始數(shù)據(jù)處理量大，容易出錯(cuò)；最后，邊坡質(zhì)量驗(yàn)收評價(jià)部門測量工作很大程度上需要施工方協(xié)助才能完成，評價(jià)結(jié)果的客觀性有待提高。

截止目前，隨著新型測量儀器量測性能的提高，測量標(biāo)的物的擴(kuò)展，對邊坡上述三種指標(biāo)的測量提供了新的可能，可以在一定程度上對邊坡評價(jià)進(jìn)行數(shù)字化、自動(dòng)化方面的改進(jìn)和提高。

3 路塹邊坡質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的分析推演

3.1 半孔率的計(jì)算

通過對已經(jīng)成形邊坡進(jìn)行高分辨率數(shù)碼攝影，利用計(jì)算機(jī)圖形識別技術(shù)，配合后臺(tái)編制的專用處理程序，對獲取照片顯示的炮孔進(jìn)行人工輔助識別，計(jì)算得到其真實(shí)長度，同樣可以得到邊坡的半孔率指標(biāo)。

自然坐標(biāo)與照片坐標(biāo)關(guān)系示意圖

如圖所示，建立邊坡自然坐標(biāo)和照片坐標(biāo)示意，圖中符號代表意義如下：

V：拍照點(diǎn)

O（o）：投影面中心點(diǎn)（相片中心點(diǎn)）

OV：相片投影中心點(diǎn)到拍照點(diǎn)的距離

Oxyz：以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)的投影坐標(biāo)系

Ox：以O(shè)為原點(diǎn)過V點(diǎn)的射線，也即投影坐標(biāo)系的橫軸

yOz：以O(shè)x為法向的投影平面，其中Oy，Oz為投影坐標(biāo)系的縱軸和豎軸，其中Oy平行于水平面

P：邊坡上任意點(diǎn)

p：點(diǎn)P在投影面yoz上的投影，也即相片上的點(diǎn)

Oxyz：以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)的投影坐標(biāo)系

（1）已知坐標(biāo)：

O：自然坐標(biāo)（Xo，Yo，Zo），投影坐標(biāo)（0，0，0）

V：自然坐標(biāo)（XV，YV，ZV），投影坐標(biāo)（OV，0，0）

（2）待計(jì)算坐標(biāo)：

p：自然坐標(biāo)（（Xp，Yp，Zp）P：自然坐標(biāo)（XP，YP，ZP）

（3）照片坐標(biāo)系與自然坐標(biāo)系的關(guān)系：

①照片坐標(biāo)系中，橫軸過點(diǎn)O，V，縱軸過點(diǎn)O；

②由于拍照時(shí)位置水平，所以縱軸與水平面平行，世界坐標(biāo)系的橫軸（x軸）上沒有旋轉(zhuǎn)，繞橫軸（x軸）旋轉(zhuǎn)角度xθ為0：

③自然坐標(biāo)系繞縱軸（y軸）旋轉(zhuǎn)角度yθ：

網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)在收到新區(qū)塊之后，首先驗(yàn)證區(qū)塊的合法性，是否包含上個(gè)區(qū)塊的哈希值。對于概率性共識，如比特幣中，還需要對區(qū)塊中交易的合法性、PoW的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后節(jié)點(diǎn)將本地鏈進(jìn)行更新，并開始新一輪的“挖礦”；對于確定性共識，節(jié)點(diǎn)直接更新本地區(qū)塊鏈。

④自然坐標(biāo)系繞豎軸（z軸）旋轉(zhuǎn)角度zθ：

⑥由于不存在縮放，所以照片坐標(biāo)系到自然坐標(biāo)系的變換矩陣為：

（4）計(jì)算P點(diǎn)自然坐標(biāo)：

①計(jì)算p的世界坐標(biāo)：

根據(jù)投影坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)的變換矩陣以及p點(diǎn)的投影坐標(biāo)可得：

③直線Vp與坡面∏S的交點(diǎn)即為P點(diǎn)：

可得P點(diǎn)的坐標(biāo)

（5）半孔長度計(jì)算：

②根據(jù)兩點(diǎn)間距離公式可得到此段半孔長度：

（6）半孔率計(jì)算

然后計(jì)算整個(gè)測量坡面上總炮孔長度Lz

3.2 坡面平整度和平均坡率的計(jì)算

（2）利用采集點(diǎn)，用最小二乘法生成逼近平面，即為計(jì)算坡面∏S，設(shè)計(jì)算坡面一般方程為：

根據(jù)最小二乘法，得到：

如果這n個(gè)點(diǎn)中至少有3點(diǎn)不在一條直線上，方程組有唯一解：a0，a1，a2

轉(zhuǎn)換為一般方程：

（3）計(jì)算坡面平整度即為所有點(diǎn)到計(jì)算坡面∏S的最大及最小相對距離絕對值之和：

①點(diǎn)到計(jì)算坡面的相對距離公式為：

（4）計(jì)算坡面與水平面的夾角α為計(jì)算坡度，計(jì)算坡率即為：tanα

4 結(jié)語

綜上所述，利用非接觸測量方式對邊坡進(jìn)行測量，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以大大降低外業(yè)測量人員工作強(qiáng)度和危險(xiǎn)程度；

（2）檢測人員通過人機(jī)交互將大量重復(fù)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理交給計(jì)算機(jī)進(jìn)行，既降低了工作強(qiáng)度又提高了測量精度；

（3）數(shù)字化測量對于邊坡質(zhì)量檢測不需要向施工方、設(shè)計(jì)方要求任何數(shù)據(jù)就可以對邊坡施工質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，需要與設(shè)計(jì)進(jìn)行對比時(shí)才需要相關(guān)資料，客觀公正性強(qiáng)。

采用非接觸測量，也有如下弱點(diǎn)：

（1）對全站儀、數(shù)碼相機(jī)性能指標(biāo)的要求比較高；

（2）測量當(dāng)天的天氣、光照影響及巖石的視覺對比度要求比較高。

目前，測量儀器的質(zhì)量和精度日新月異，通過采用高規(guī)格的全站儀、數(shù)碼相機(jī)就可以獲得精確的測量結(jié)果。課題研究在京滬高速鐵路路塹邊坡精準(zhǔn)控制爆破技術(shù)試驗(yàn)中進(jìn)行，采用上述推演結(jié)果配合現(xiàn)場實(shí)際操作現(xiàn)場探索已經(jīng)開始。不久的將來，路塹邊坡質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)字化測量應(yīng)該可以在應(yīng)用領(lǐng)域取得進(jìn)展，繼而在數(shù)字爆破的研究中起到一定的探索性作用。

［1］鐵路路塹邊坡光面（預(yù)裂）爆破技術(shù)規(guī)程.中華人民共和國鐵道部，2008

［2］王旭光.關(guān)于低碳經(jīng)濟(jì)與民爆行業(yè)發(fā)展的思考.北京《工程爆破》第15卷 第3期.2009

Numerical Analysis of the Smooth Blasting Quality of the Road Slope

LIU Jian-bo1）ZHAO Chao-qun2）

（No.5 Engineering Corporation Limited of China Railway 11th Bureau Group Co. Ltd1）Chongqing 400037 China Academy of Railway Sciences2）Beijing 100083 China）

Numerical analysis， which involves different aspects of engineering blasting， is the inevitable trend of the blasting industry development. The advanced construction techniques and machines and the widespread use of surveying instruments provide support and guarantee for the numerical evaluation of the cut slope blasting quality. The problem of how to utilize these resources and develop a suitable numerical evaluation system is discussed.

numerical analysis slope smooth blasting

?

A

1673-1816（2015）02-0027-05

2015-03-18

劉建波（1972-），男，漢，四川廣安人，學(xué)士，研究方向工程爆破。