不同加载方式下隧道爆破振动特征分析.pdf

第 35 卷 第 1 期 2018 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 35 No. 1 ▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂▂ Mar. 2018 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2018. 01. 007 不同加载方式下隧道爆破振动特征分析 蒲 磊 （中铁十六局集团 第二工程有限公司， 天津 300162 摘 要 数值模拟是研究爆破过程的一种重要方法， 而模拟爆破结果的可靠性依赖于爆破荷载的加载方 式。对几种不同爆破加载方式的要求和特点进行了分析。结合许家坪隧道爆破工程实际， 运用 ANSYS/ LS- DYNA 动力有限元软件， 对三种不同加载方式下的隧道开挖爆破进行了数值模拟， 并用现场实测结果进行了 对比分析。结果表明 共用节点算法与实测结果最为接近， 但计算时间较长， 对工程实际中的多炮孔爆破模 拟难以实现； 炮孔壁上施加三角形荷载与炮孔联心线所在的平面上施加三角形荷载的模拟结果较为接近， 两 者与实测结果均相差较大， 但计算时间及所需内存都较少。对其结果修正后， 能达到与实测结果相近的程 度。因此， 共用节点算法加载方式仅适用于模拟少量炮孔的爆破数值模拟， 施加等效荷载方式在模拟实际爆 破工程时， 适当加以修正， 能达到与实际相近的模拟结果。 关键词 隧道爆破；爆破荷载；加载方式；爆破振动 中图分类号 TD235. 1 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X 2018 01 -0042 -07 Study on Vibration Characteristics of Tunnel Blasting under Different Loading Modes PU Lei （The 2nd Engineering Co Ltd， China Railway 16th Construction Bureau LTD China， Tianjin 300162， China Abstract The numerical simulation is an important to study the blasting process， and the reliability of simulation results depends on the loading mode of blasting load. The requirements and characteristics of several kinds of blasting loading modes were analyzed. Combined with the actual project of Xujiaping tunnel blasting， the dynamic finite element software ANSYS/ LS-DYNA was applied to simulate the tunnel excavation and blasting with three dif- ferent loading modes. It is found that the simulation results of the co-node algorithm are in accordance with the actual blasting seismic effect， but the time of simulation is longer; the simulation results of applying triangular loads on the boreholes are close to that on the plane face that defined by the borehole centers， both of them are bigger than the ex- perimental results， but the computation time and memory requirement are less. After correcting the results， the simu- lation results are similar to the experimental results. It is concluded that the co-node algorithm is suitable for simula- ting the blasting shock response with a small number of boreholes， the results of applying the equivalent blasting load modes are consistent with the measured data after multiplied by a correction factor. The conclusion of the study pro- vides a reference for numerical simulation of tunnel blasting under similar conditions. Key words tunnel blasting;blasting load;loading mode;blasting vibration 收稿日期 2017 -11 -15 作者简介 蒲 磊 （1983 - ， 男， 工程师、 大学本科， 矿岩爆破，（E- mail 122312924 qq. com。 爆破所引起的地震效应被公认为爆破公害之首。在研究爆破振动传播规律时， 主要有数值模拟、 爆破振动测试， 小型爆破实验等方法， 由于爆破是一 个高温、 高压、 高速的瞬态过程， 数值模拟方法已经 成为一种必然趋势。爆破数值模拟的可靠性依赖于 万方数据 输入模型的材料参数、 炸药状态方程及爆破加载方 式等， 其中加载方式是一个重要的内容， 不同的加载 方式对模拟结果的精确度有重要的影响。 国内外的很多科研工作者对爆破数值模拟中不 同的加载方式进行了对比研究。如许红涛等对比分 析了流固耦合算法、 等效爆破荷载施加于炮孔壁及 炮孔连心线三种加载方式 [1]。苏佳园等讨论了简 化三角形荷载、 实测波形加载和炸药状态方程三种 加载方式模拟爆破过程中的压力和比容关系 [2]。 张玉成等将作用在炮孔壁上的孔状爆破荷载等效成 面荷载模拟爆炸作用， 这种方法可以简化模型且计 算容易收敛 [3]。胡亚辉将共用节点算法、 三角形脉 冲波荷载、 实测爆破振动荷载波形作为输入荷载进 行模拟， 与实测的数据对比， 得出第三种加载方式下 质点振速峰值、 振动频率都与实测数据比较接 近 [4]。SWOBODA G 等将等效爆破荷载施加在炮孔 璧上， 研究了距离隧道掌子面近区及远区的塑性区 变化情况并与静载作用下的结果进行了对比分 析 [5]。SHIN JongHo 等通过对现场的爆破测试数据 修正并施加在炮孔周围塑性区的外边界上， 模拟对 紧邻隧道的影响 [6]。李启月等应用微差爆破荷载 等效施加方法模拟了距爆源不同距离的中远场巷道 围岩质点振动速度 [7]。赵婉婷等研究了将爆破荷 载施加到隧道开挖轮廓面的适用性 [8]。丁桦等提 出了一种适用于松动爆破的爆破震源的等效模 型 [9]。胡军等对爆破荷载等效加载到粉碎区外边 界上的可行性进行了研究 [10]。杨建华等确定了群 孔起爆条件下爆炸荷载作用的等效弹性边界， 并计 算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载 [11]。 由于实际爆破工程中炮孔数量很多， 而给大量的炮 孔划分网格十分繁琐， 电脑计算运行的时间也较长， 因此选择一种合适的加载方式显得相当必要。 在分析共用节点算法、 炮孔壁上施加三角形荷 载及炮孔连心线所在的平面上施加三角形荷载三种 加载方式的要求和特点后， 运用 ANSYS/ LS-DYNA 软件对同一巷道模型分别采用这三种不同加载方式 进行了数值模拟， 并与实测爆破振动数据分别对比 分析， 得出不同加载方式的适用范围， 为进行爆破数 值模拟时选择合适的加载方式提供参考。 1 不同加载方式算法特点 1. 1 共用节点算法 共用节点算法是将炸药与被爆炸结构均采用 8 节点实体单元， 炸药单元与被爆炸结构单元之间具 有相同的节点， 采用软件自带的高能炸药材料模拟 爆炸过程 （简称方式 1 [12]。 这是很常用的一种模拟爆破荷载的方法， 当炮 孔数很多时， 划分炮孔、 炸药及堵塞介质的网格会相 当繁琐， 同时研究距离爆源较远处的爆破振动时， 需 要划分的网格数量太多， 严重时使得计算无法继续 进行下去。 1. 2 炮孔壁上施加三角形荷载 炮孔壁上施加三角形荷载是根据简化的三角形 脉冲荷载 [3， 13]， 在建模时不考虑炮孔形状， 直接将爆 破振动荷载曲线施加在炮孔壁上 （简称方式 2 。这 种方式较方式 1 节省了大量的计算时间及内存， 但 是进行网格划分的工作量仍然很大。 该荷载形式需要确定两大要素 ①爆破荷载峰 值; ②爆破荷载升压时间和正压作用时间。 （1 爆破荷载峰值 在 C-J 爆轰条件下， 炸药的平均爆轰压力为 [1] PD ρeD2 2 （γ 1 （1 式中 PD为炸药爆轰平均初始压力， Pa; ρe为炸药密 度， kg/ m3; D 为炸药爆轰速度， m/ s; γ 为炸药的等熵 指数， 对一般工业炸药取 3。 对于耦合装药条件， 作用在炮孔壁上的压力即 为炸药爆轰压力， 则有 P0 PD（2 式中 P0即为耦合装药时爆破荷载峰值压力， Pa。 （2 爆破荷载升压时间 tr和正压作用时间 ts tr 12r2 √ -uQ0. 05 / K（3 ts 84 3 r2 √ -uQ0. 2 / K（4 式中 K 为岩体的体积压缩模量， Pa; μ 为岩体 的泊松比; Q 为炮眼装药量， kg; r 为距装药中心的距 离与炮眼半径的比值， 偶合装药时取 1 [14]。其中体 积模量 K 和弹性模量 （或称杨氏 E、 μ 之间有关系 K E 3 （1 -2μ 。 在模拟分析时， 需要保证所定义的荷载时间范 围大于求解时间， 正压作用时间 ts后的荷载定义为 零 [13]。其中压力荷载需要施加到单元组元的表面 上， 如三维实体 solid 164 单元， 有6 个表面， 加载过程 中需要向程序声明加到哪个面。同时将荷载施加在 炮孔璧时需要将笛卡尔坐标系转换为柱坐标系 [15]。 柱状装药爆破时， 需要考虑爆轰波的传播过程， 需要将药柱划分为多个单元， 单元越多， 模拟结果越 精确。综合考虑计算时间及模拟精确程度将药柱分 成 8 个单元， 根据爆轰波传播速度 v; 单元长度 l; 考 34第 35 卷 第 1 期 蒲 磊 不同加载方式下隧道爆破振动特征分析 万方数据 虑各单元的起爆延迟 t。然后经过起爆延迟时间 t 分别将相同形式的爆破荷载施加在炮孔壁上 [1]。 1. 3 炮孔连心线所在的平面上施加三角形荷载 炮孔连心线所在的平面上施加三角形荷载是将简 化的三角形脉冲荷载施加在同排炮孔连心线与炮孔轴 线所确定的平面上 （简称方式3 [1]。这种方式在建模 时没有炮孔， 降低了划分网格的工作量， 单元数量也大 幅度的减少， 计算机计算时间大幅度的缩短。 将同排炮孔连心线所在竖直面建成平面， 假定 单个炮孔壁上作用有压力 P0; 炮孔半径为 r0; 孔间 距为 a; 等效施加在的炮孔连心线上， 需施加的等效 压力为 Pe（2r0/ a P0（5 对于三维问题， 等效压力施加在炮孔轴线与同 排炮孔连心线所确定的平面上， 压力作用的深度范 围与炮孔内装药段长度相等。 2 隧道爆破数值模拟模型 为了对比三种加载方式的爆破震动特征数值模 拟结果， 结合恩施金凤大道许家坪隧道爆破工程实 际， 采用 LS-DYNA 动力有限元软件对隧道掏槽爆破 过程进行了模拟计算， 并用实测结果分别进行了检 验验证。 2. 1 许家坪隧道工程地质特点 恩施金凤大道许家坪隧道， 围岩为白垩系上统 正阳组砂岩， 块状构造， 粘土质、 铁质孔隙式胶结。 岩体节理裂隙稍发育， 完整性好， 围岩呈大块状、 整 体状， 主要岩层属于软质岩。围岩级别以Ⅲ级围岩 为主。 隧道高 600 cm， 宽 1200 cm， 以两排掏槽孔作为 研究对象， 其距隧道中线 130 cm， 最下面一个炮孔 距底板 75 cm， 一排共布置 5 个炮孔， 炮孔间距 a 75 cm。炮孔直径 db4 cm， 采用耦合装药， 炮孔长 度 l 150 cm， 装药长度 l1 120 cm， 总装药量为 11. 5 kg， 堵塞介质为粘土， 堵塞长度 l230 cm。两 排掏槽孔示意图如图 1 所示。 图 1 掏槽孔示意图 （单位 cm Fig. 1 Sketch map of cut holes（unit cm 2. 2 计算模型与参数 采用动力有限元软件 ANSYS/ LS-DYNA 模拟炸 药爆炸时激励已开挖巷道底板的振动效应， 以两排 掏槽孔作为研究对象， 为减小计算量， 建二分之一模 型， 如图2 所示。数值模型尺寸为120 cm 120 cm 5550 cm （X 向 Y 向 Z 向 ， 使用三维实体 sol- id164 单元进行网格划分， 采用 cm-g-μs 单位制。 图 2 隧道爆破计算模型 Fig. 2 Calculation model of tunnel blasting 计算中， 炸药采用 LS-DYNA 中的自带的高能炸 药材料*MAT HIGH EXPLOSIVE BURN， 状态方程 采用 JWL 方程。恩施许家坪机场下穿隧道爆破现 场使用的炸药为 2岩石乳化炸药， 炸药的参数以及 JWL 方程的参数列于表 1。 JWL 状态方程的形式为 P A 1 - ω R1 V e-R1V B 1 - ω R2 V e-R2V ωE V （6 式中 P 为压力; V 为相对体积; E 为内能; A、 B、 R1、 R2、 ω 为常数。初始内能已经过调整， 当 V 1， T 298 K 时， P 0。 表 1 炸药的物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of explosive 密度/ （gcm -3 爆速/ （cmμs -1 A/ GPaB/ GPaR1R2ωEos/ GPa 1. 090. 4216. 418. 26. 20. 90. 156. 192 围岩采用 Mohr-Coulomb 材料*MAT MOHR COULOMB。根据围岩力学参数的反演成果， 围岩的 44爆 破 2018 年 3 月 万方数据 参数列于表 2。 表 2 围岩物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock 密度/ （kgcm -3 弹性模量/ GPa 泊松 比 粘聚力 C/ MPa 内摩 擦角/ 抗压 强度/ MPa 2500100. 250. 943. 7775. 5 堵塞介质为粘土， 粘土的物理力学参数列于表3。 表 3 粘土的物理力学参数 Table 3 Physical and mechanical parameters of clay 密度/ （kgcm -3 泊松比 粘聚力 C/ MPa 剪切模量/ MPa 内摩 擦角/ 1. 80. 350. 915043. 777 3 掏槽爆破震动衰减特征模拟分析 本文主要从振速峰值随爆心距衰减规律、 质点 振动速度时程曲线两个方面对三种加载方式的模拟 结果与实测的数据进行对比分析。 3. 1 三种加载方式下震动速度峰值衰减规律 从爆源向外依次取各节点上水平径向 （X 向 及竖直向 （Y 向 的振速峰值， 可得到振速峰值随爆 心距的衰减规律。三种加载方式和实测拟合的振速 峰值随爆心距衰减曲线如图 3 所示。 由图 3 可以看出， 方式 1 模拟结果与实测数据 吻合得较好; 后两种方式模拟结果在近区有差异， 在 远区接近; 后两种方式模拟结果较实测数据偏大， 尤 其是近区。 图 3 振速峰值随爆心距的衰减曲线 Fig. 3 Decay curve of vibration velocity peak with distance from explosive source 后两种方式模拟结果在近区有差异， 在远区接 近可以用圣维南原理来解释。圣维南原理叙述如 下 [16] 分布于弹性体上一小块面积 （或体积 内的荷 载所引起的物体中的应力， 在离荷载作用区稍远的 地方， 基本上只同荷载的合力和合力矩有关; 荷载的 具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。 由于在施加等效爆破荷载很大， 为了防止单元 出现负体积， 需要把网格划分得较大， 因此后两种方 式模拟结果比实测数据偏大， 尤其是近区。 3. 2 两种等效加载方式模拟结果的检验与修正 3. 2. 1 质点振动速度时程曲线 选择距离隧道掌子面 20 m 处实测振速时程曲 线与方式 1 及方式 2、 3 的振动数据乘以一个修正系 数0. 1 后的数据在水平径向 （X 向 及竖直向 （Y 向 的振速时程曲线进行对比分析。 由图 4、 图 5 可以看出， 与实测振速时程曲线进 行对比发现， 3 种方式模拟结果的频率相对实测结 果偏高， 3 种方式模拟得到的爆破振动周期基本一 致。3 种方式模拟得到的振速峰值出现的时间较为 一致， 波形的变化规律也较为接近， 与实测数据的峰 值基本接近。 由于隧道围岩采用的是弹塑性本构模型， 数值 模拟结果的频率相对实测结果偏高。 3. 2. 2 震动速度峰值衰减规律 为了减小施加等效爆破荷载时网格划分得较大 的影响， 在对方式 2、 3 的振动数据乘以一个修正系 数 0. 1 后， 与实测拟合的振速峰值在水平径向 （X 向 及竖直向 （Y 向 随爆心距衰减曲线如图 6 所示。 由图 6 可以看出， 对方式 2、 3 的振动数据乘以 一个修正系数 0. 1 后， 在近区方式 2、 3 模拟得到振 速峰值比实测数据稍小， 在中远区基本一致。 54第 35 卷 第 1 期 蒲 磊 不同加载方式下隧道爆破振动特征分析 万方数据 图 4 20 m 处水平径向振速时程曲线对比图 Fig. 4 Comparison of horizontal radial vibration speed time curve at 20 m 图 5 20 m 处竖直向振速时程曲线对比图 Fig. 5 Comparison of horizontal radial vibration speed time curve at 20 m 图 6 振速峰值随爆心距的衰减曲线 Fig. 6 Decay curve of vibration velocity peak with distance from explosive source 4 结论 结合许家坪隧道爆破工程实际， 运用 ANSYS/ LS-DYNA 动力有限元软件， 对三种不同加载方式下 的隧道开挖爆破进行了数值模拟， 并用现场实测结 果进行了对比分析。结果表明 （1 方式 1 模拟结果与实测结果最为接近， 但 是需要划分的网格数量较多， 计算的时间较长， 所需 的电脑内存也较多。 （2 由于在施加等效爆破荷载很大， 为了防止 64爆 破 2018 年 3 月 万方数据 单元出现负体积， 需要把网格划分得较大， 因此方式 2、 3 的模拟结果比实测数据偏大， 尤其是近区。方 式 2、 3 模拟结果在近区有差异， 在远区接近， 这和圣 维南原理的结论一致。 （3 对方式 2、 3 的振动数据乘以一个修正系数 0.1 后， 3 种方式模拟得到的振速峰值出现的时间较 为一致， 波形的变化规律也较为接近。在近区方式 2、 3 模拟得到振速峰值比实测数据稍小， 在中远区 基本一致。与实测振速时程曲线进行对比发现， 由 于隧道围岩采用的是弹塑性本构模型， 3 种方式模 拟结果的频率相对实测结果偏高， 3 种方式模拟得 到的爆破振动周期基本一致。 （4 方式 1 适用于模拟少量炮孔在近区的爆破 冲击响应。方式 2、 3 能够减少繁琐的划分网格工 序、 加快计算时间并减少对计算机内存的占用， 由于 研究爆破振动的危害区域主要位于中远区， 在模拟 实际的爆破工程中具有更强的适用性。 参考文献 References [1] 许红涛， 卢文波， 周小恒. 爆破震动场动力有限元模拟 中爆破荷载的等效施加方法 [J] . 武汉大学学报 （工学 版 ， 2008， 41 （1 67-71. 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