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第一篇 基础知识1

1 地质1

1.1 岩石的分类1

1.1.1 岩浆岩（Igneous Rocks）1

1.1.2 沉积岩（Sedimentary Rocks）2

1.1.3 变质岩（Metamorphic Rocks）4

1.2 岩石的性质4

1.2.1 岩石的物理性质4

1.2.2 岩石的力学性质6

1.3 岩体的地质构造7

1.3.1 褶皱8

1.3.2 断层8

1.3.3 不连续面：层面、节理和裂隙10

1.3.4 复式构造-不整合面11

1.3.5 地质构造要素的描述方法11

1.4 岩体的特性对开挖工程的影响14

1.4.1 岩体中不连续面的特征描述14

1.4.2 岩体特性的现场勘测15

1.4.3 地下水15

1.4.4 岩体性质对开挖工程的影响15

1.5 岩石的坚固性分级18

1.5.1 普洛托吉雅柯诺夫（М.М.Протодьяконов）岩石分级18

1.5.2 岩石的三性综合分级20

1.5.3 中国国家标准《工程岩体分级标准》（GB 50218—2014）20

参考文献23

2 岩石钻孔及钻孔机械25

2.1 钻进岩石破碎机理及岩石的可钻性25

2.1.1 钻进岩石破碎机理25

2.1.2 岩石的可钻性及其分级27

2.2 钻孔机械32

2.2.1 钻机操纵方式分类32

2.2.2 钻进方法分类33

2.2.3 回转-冲击式钻进34

2.3 回转式钻进39

2.3.1 牙轮钻机及钻具39

2.3.2 具切削型钻头的回转式钻进40

2.4 钻具41

2.4.1 回转-冲击式钻进之钻具41

2.4.2 钻机和钻具的选择46

参考文献50

3 炸药51

3.1 炸药发展的历史51

3.2 炸药爆炸的特点52

3.3 炸药化学分解反应的形式及炸药的爆轰过程52

3.3.1 炸药化学分解反应的形式52

3.3.2 炸药的爆轰过程53

3.4 炸药的氧平衡55

3.4.1 氧平衡56

3.4.2 氧系数57

3.5 炸药的热化学57

3.5.1 炸药的爆热57

3.5.2 炸药的爆温60

3.5.3 炸药的爆容61

3.5.4 炸药的爆压和爆速62

3.6 炸药的分类62

3.6.1 按组成分类62

3.6.2 按敏感度分类63

3.6.3 按爆轰速度分类63

3.6.4 按用途分类63

3.6.5 按联合国危险品运输规则分类64

3.7 炸药的性能及其测试技术65

3.7.1 密度65

3.7.2 爆速65

3.7.3 威力和能量67

3.7.4 殉爆69

3.7.5 感度69

3.7.6 防水性69

3.7.7 炮烟和炮烟分级70

3.7.8 钝化71

3.7.9 炸药贮存稳定性和贮存期71

3.8 工业炸药（商用炸药）72

3.8.1 硝化甘油（NG）类炸药73

3.8.2 铵梯类炸药73

3.8.3 含水炸药75

3.8.4 散装爆破剂77

参考文献81

4 起爆系统82

4.1 雷管82

4.1.1 雷管的简略发展历史82

4.1.2 火雷管和导火索83

4.1.3 电雷管85

4.1.4 电磁雷管88

4.1.5 非电导爆管雷管88

4.1.6 电子（数码）雷管92

4.2 导爆索93

4.3 起爆药柱（继爆器）94

参考文献95

5 岩石爆破破碎机理96

5.1 爆破在岩石中产生的冲击波和应力波96

5.1.1 冲击波和应力波96

5.1.2 应力波的种类96

5.1.3 从自由面反射的应力波96

5.2 岩石爆破破碎机理97

5.2.1 冲击波形成的粉碎区97

5.2.2 应力波产生的径向裂隙区98

5.2.3 应力波从自由面反射98

5.2.4 爆炸气体的作用98

5.3 在岩石爆破破碎过程中炸药能量分配和利文斯顿爆破漏斗理论100

5.3.1 在岩石爆破破碎过程中炸药能量分配100

5.3.2 利文斯顿爆破漏斗理论101

5.4 岩石的可爆性分级102

5.4.1 岩石的可爆性及其影响因素102

5.4.2 岩石的可爆性分级准则104

5.4.3 典型的岩石的可爆性分级105

参考文献109

6 爆破评估报告111

6.1 资料收集111

6.1.1 从有关政府部门收集资料111

6.1.2 确定爆破工程所影响的范围111

6.1.3 与影响区内所有单位联络并收集的信息111

6.1.4 收集有关现有土力工程、气象和水文的资料112

6.2 现场勘测112

6.2.1 对爆破影响区内所有对象的现有状况进行摄影和量测112

6.2.2 对爆破影响区内的土力工程及地质地貌进行勘测112

6.2.3 记录已有缺陷112

6.3 爆破工程对环境影响的评估112

6.3.1 运输和储存爆炸品对环境影响的评估（EIA）112

6.3.2 爆破飞石的潜在风险113

6.3.3 爆破振动的影响113

6.3.4 爆破工程引起的空气冲击波的影响115

6.3.5 设置所有受影响对象的监测点115

6.4 消除和控制爆破工程产生的负面影响的措施115

6.4.1 防止和防护爆破飞石115

6.4.2 保护对象的爆破振动限制标准及爆破振动的控制115

6.4.3 对空气冲击波超压的限制119

6.4.4 监测爆破振动和空气冲击波超压的设备122

6.4.5 爆破振动和空气冲击波超压的警戒程序及其相应的要求和措施122

6.5 概述爆破开挖设计方案123

6.5.1 开挖工程的整体安排123

6.5.2 开挖工程的规模、开挖方法和主要设备123

6.5.3 工程中将要使用的爆炸品和爆破设计方案123

6.5.4 安全措施、疏散范围和疏散程序123

6.5.5 对设立工地爆炸品仓库的可行性进行评估并提出相应的安排和安全措施123

参考文献124

第二篇 露天开挖127

7 非爆破法开挖127

7.1 人工开尖和液压破碎锤开挖127

7.1.1 人工开尖127

7.1.2 液压破碎锤开挖127

7.2 液压岩石劈裂机128

7.2.1 楔劈类液压岩石劈裂机128

7.2.2 活塞型液压岩石劈裂机129

7.3 静态裂石剂129

7.4 其他非爆破方法开挖131

7.4.1 可控泡沫射流131

7.4.2 气体压力破碎岩石技术131

参考文献133

8 台阶爆破134

8.1 台阶爆破的几何参数134

8.1.1 炮孔倾斜角β134

8.1.2 炮孔直径d134

8.1.3 台阶高度H134

8.1.4 负荷W135

8.1.5 孔距S137

8.1.6 超深h138

8.1.7 填塞高度l2139

8.1.8 炮孔排列139

8.2 炸药单耗（炸药系数）及炸药量计算140

8.2.1 炸药单耗（炸药系数）140

8.2.2 炸药量计算140

8.3 炮孔装药结构141

8.3.1 连续装药结构141

8.3.2 连续分段装药结构142

8.3.3 分段间隔装药结构142

8.4 起爆方法和起爆顺序142

8.4.1 电雷管起爆系统142

8.4.2 非电导爆管雷管起爆网路设计143

8.4.3 电子雷管起爆网路设计146

8.5 炮孔起爆延时的选择146

参考文献147

9 沟槽爆破148

9.1 炮孔布置和起爆顺序148

9.1.1 炮孔直径148

9.1.2 炮孔布置148

9.1.3 起爆顺序148

9.2 沟槽爆破的炮孔装药设计150

9.3 沟槽爆破安全153

参考文献153

10 露天开挖的轮廓爆破技术154

10.1 轮廓爆破的种类154

10.2 预裂爆破和光面爆破154

10.2.1 预裂爆破和光面爆破炮孔的特点154

10.2.2 预裂爆破和光面爆破炮孔的机理154

10.3 预裂爆破和光面爆破炮孔的参数155

10.3.1 理论方法155

10.3.2 经验方法156

10.4 预裂爆破和光面爆破的设计、装药和起爆158

10.4.1 预裂爆破和光面爆破设计158

10.4.2 预裂爆破和光面爆破的装药158

10.4.3 轮廓炮孔的填塞和起爆159

10.5 缓冲爆破和密集钻孔160

10.5.1 缓冲爆破160

10.5.2 密集钻孔161

参考文献161

11 露天爆破安全162

11.1 爆破操作的一般规程162

11.2 爆破飞石及其控制162

11.2.1 爆破飞石及其产生的原因162

11.2.2 飞石距离计算164

11.2.3 飞石的预防和保护措施165

11.3 爆破振动及其控制167

11.3.1 爆破产生的地层振动167

11.3.2 影响爆破振动波强度的因素169

11.3.3 爆破中控制爆破振动的措施171

11.3.4 岩石爆破中预测和限制爆破振动的准则172

11.3.5 测监爆破振动的设备174

11.4 爆破产生的空气冲击波超压及其控制174

11.4.1 露天爆破产生的空气冲击波超压174

11.4.2 影响空气冲击波超压的因素175

11.4.3 空气冲击波超压的预测176

11.4.4 在露天爆破中限制空气冲击波超压的标准176

11.4.5 减低露天爆破产生的空气冲击波超压的措施177

参考文献178

12 台阶爆破计算模型和计算机辅助设计179

12.1 概述179

12.1.1 爆破计算模型179

12.1.2 计算机辅助设计179

12.1.3 岩石爆破块度分布规律179

12.2 几个典型的爆破数学模型181

12.2.1 哈里斯模型181

12.2.2 法夫里的模型和BLASPA模拟程序［12］182

12.2.3 Kuz-Ram模型［13］183

12.2.4 BMMC数学模型185

12.2.5 节理发育岩体的爆破模型190

12.2.6 SABREX模型191

12.3 几个典型的计算机辅助爆破设计程序191

12.3.1 BLAST MAKER191

12.3.2 EXPERTIR193

12.3.3 Blast-Code模块194

12.3.4 IESBBD专家系统194

参考文献197

第三篇 地下开挖199

13 绪论199

13.1 地下开挖的种类和特点199

13.2 地下开挖同环境的关系200

13.2.1 地下开挖对环境的影响200

13.2.2 周围环境对地下开挖的限制201

13.3 岩石中地下开挖的方法201

参考文献202

14 岩石的地下机械开挖203

14.1 钻孔和液压锤开挖203

14.2 臂式掘进机开挖204

14.3 向上式（天井）全断面掘进机206

14.3.1 天井掘进机的掘进方式206

14.3.2 天井掘进机在土木工程中的主要应用208

14.3.3 采用天井掘进机的主要优点208

14.4 全断面隧道掘进机（TBM）208

14.4.1 引言208

14.4.2 隧道掘进机面（TBM）的分类209

14.4.3 刀具破碎岩石的机理211

14.4.4 TBM的操作系统213

14.4.5 TBM选型216

14.5 竖井的机械开挖216

14.5.1 臂式掘进机开挖-垂直井开挖机（VSM）216

14.5.2 全断面竖井挖掘机217

14.6 岩石中钻孔灌注桩218

14.6.1 小至中直径的钻孔灌注桩218

14.6.2 大直径混凝土灌注桩219

参考文献220

15 其他地下开挖方法221

15.1 明挖法221

15.1.1 明挖法的建造方法221

15.1.2 明挖法边帮的支撑方法222

15.2 箱涵隧道顶入法和顶管法223

15.2.1 箱涵隧道顶入法（jacked box tunneling）223

15.2.2 顶管法223

参考文献225

16 地下开挖的钻孔爆破法概论226

16.1 引言226

16.1.1 钻孔爆破法的工作循环226

16.1.2 钻孔爆破法的工作条件226

16.1.3 钻孔设备、炸药和爆破设计226

16.2 隧道和硐室的开挖方法226

16.2.1 全断面开挖227

16.2.2 部分断面开挖227

16.3 直井开挖方法228

16.3.1 竖井开挖228

16.3.2 天井开挖229

参考文献232

17 光面爆破技术233

17.1 光面爆破的特点和机理233

17.2 光面爆破炸药量计算233

17.3 光面爆破的装药结构和方法234

参考文献235

18 地下开挖的爆破设计236

18.1 隧道及硐室的爆破设计和施工236

18.1.1 炮孔布置及爆破顺序236

18.1.2 掏槽（抽炮）孔布置236

18.1.3 对掏槽孔和隧道爆破的讨论238

18.1.4 平行孔掏槽设计240

18.1.5 崩落孔布孔设计241

18.1.6 抬炮孔243

18.1.7 轮廓孔243

18.1.8 炮孔的线性装药密度243

18.1.9 隧道爆破设计的其他参考资料244

18.2 全断面掘进竖井的爆破设计246

18.2.1 掏槽（抽炮）孔设计246

18.2.2 竖井爆破参数246

18.3 地下爆破的起爆设计247

18.3.1 起爆设计的原则247

18.3.2 电子雷管用于隧道爆破249

18.4 计算机辅助隧道爆破设计和管理251

18.4.1 山特维克的iSURE？——隧道管理软件251

18.4.2 阿特拉斯的“地下工程管理MWD”软件254

参考文献258

19 地下工程的装载和运输259

19.1 隧道开挖的装载和运输259

19.1.1 轮胎式装载机配自卸式卡车260

19.1.2 连续装载机配梭车或皮带运输机260

19.1.3 轨道运输261

19.2 竖井开挖的装载和提升263

19.2.1 人工竖井开挖的装载和提升263

19.2.2 机械化竖井开挖的装载和提升263

参考文献265

20 地下开挖的通风266

20.1 开挖工程对通风的要求266

20.1.1 地下空间空气质量的要求266

20.1.2 对新鲜空气供气量的要求266

20.2 通风设备266

20.2.1 对通风设备的要求266

20.2.2 地下通风系统的风机种类267

20.3 通风系统设计267

20.3.1 通风机流量计算267

20.3.2 风压计算268

20.3.3 风机和风筒设计268

20.3.4 风机选择269

20.3.5 通风筒269

20.4 地下开挖工程的通风方式270

20.4.1 压入式通风270

20.4.2 抽出式通风270

20.4.3 混合式通风270

20.5 优化通风271

参考文献271

21 地层的加固和支撑272

21.1 岩体的稳固性对地下开挖的影响272

21.1.1 地压的概念和地下空间周围的应力分布272

21.1.2 地层条件对地下开挖的影响274

21.1.3 岩体开挖的稳定性分级274

21.2 开挖前对地层的预先加固281

21.2.1 冻结法开挖281

21.2.2 地层预注浆开挖283

21.3 新开挖空间的初始支护287

21.3.1 岩钉、岩石锚杆和岩石锚固287

21.3.2 岩石锚杆的种类288

21.3.3 岩石锚杆的安装289

21.3.4 铁网在岩石面上的安装293

21.3.5 喷射混凝土和钢纤维喷射混凝土293

21.3.6 钢拱架和钢肋拱架294

21.3.7 超前锚杆和管棚预支撑295

21.3.8 软弱地层的坑口开挖296

21.4 地下开挖的永久支护297

21.4.1 永久支护的选择297

21.4.2 永久支护的种类297

21.5 新奥隧道工法300

参考文献301

22 地下开挖的监测及其设备302

22.1 绪言302

22.2 沉降监测302

22.2.1 地面沉降监测302

22.2.2 公用设施和建筑物沉降监测302

22.3 位移和变形监测305

22.3.1 倾斜仪监测305

22.3.2 磁性沉降计305

22.3.3 测斜器306

22.3.4 裂缝监测307

22.3.5 收敛矩阵监测307

22.3.6 时域反射计传感装置——斜坡位移探测器308

22.4 地下水监测308

22.4.1 测水管／水压计308

22.4.2 振弦式水压计309

22.4.3 孔隙水压力传感器309

22.5 爆破振动和空气冲击波超压监测310

22.6 监测设备管理310

22.6.1 设备选择310

22.6.2 监测数据采集频率312

22.6.3 警报机制312

参考文献314

23 地下工程的健康、安全和风险管理315

23.1 引言315

23.2 地下开挖的一般安全要求317

23.2.1 员工识别系统317

23.2.2 照明317

23.2.3 通讯317

23.2.4 信号／警戒标志317

23.3 地下工程的主要危害和危险及其排除措施318

23.3.1 地层塌陷318

23.3.2 爆破产生的地层振动318

23.3.3 隧道掘进机（TBM）319

23.3.4 隧道运输320

23.3.5 建造中的竖井320

23.3.6 隧道空气和空气质量控制321

23.3.7 消防和救护322

23.3.8 炸药和爆破工作324

23.4 工地临时炸药仓及炸药在工地内的运输325

23.4.1 工地内临时炸药仓325

23.4.2 爆炸品运输327

23.4.3 爆炸品仓库和运输车辆的消防设备和应用328

23.4.4 紧急计划328

参考文献329