土木工程岩石开挖理论和技术PDF电子书下载

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β 134

8.1.2 炮孔直径d 134

8.1.3 台阶高度H 134

8.1.4 负荷W 135

8.1.5 孔距S 137

8.1.6 超深h 138

8.1.7 填塞高度l2 139

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 MAKER 191

12.3.2 EXPERTIR 193

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