軟巖隧道光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬研究

周 杰

(1.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 四川 成都 610106；2.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川 成都 610039)

0 引 言

目前，在隧道工程爆破施工中，光面爆破技術(shù)對(duì)隧道開(kāi)挖周邊輪廓線的控制具有比較顯著的效果，并對(duì)隧道圍巖產(chǎn)生的損傷和對(duì)圍巖的擾動(dòng)也更小[1-3].在實(shí)際施工過(guò)程中，因地質(zhì)差異較大，當(dāng)圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，光面爆破達(dá)不到預(yù)期的爆破效果.一旦超挖會(huì)增加出渣量、混凝土用量，浪費(fèi)不必要的時(shí)間、物力和人力成本，而出現(xiàn)欠挖又需要補(bǔ)炮，再出渣，同樣也會(huì)增加時(shí)間等成本[4-6].對(duì)此，本研究以實(shí)際軟巖隧道工程為例，通過(guò)對(duì)軟巖的光面爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期減少軟巖隧道爆破施工時(shí)的超、欠挖量，從而保證施工安全和滿足施工進(jìn)度要求.

1 軟巖的性質(zhì)

研究表明，軟巖通常是IV級(jí)圍巖，其巖體呈較破碎～破碎結(jié)構(gòu)，在地質(zhì)中一般表現(xiàn)為第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍濕至潮濕的碎石土、卵石土、圓礫、角礫土及黃土.非黏性土呈松散結(jié)構(gòu)，黏性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu).軟巖具有可塑性、流變性、膨脹性等特點(diǎn)[7-8]，因此，在實(shí)際工程中，要求實(shí)施爆破后不僅開(kāi)挖斷面要符合設(shè)計(jì)要求，而且還必須保證圍巖的完整性，這將直接影響著軟巖隧道的支護(hù)效果和施工安全.

2 分析原理及計(jì)算方法

2.1 LS-DUNA程序簡(jiǎn)介

動(dòng)力有限元分析程序LS-DYNA包含幾何非線性、材料非線性和接觸非線性程序，有Lagrang算法、Euler算法、ALE算法3種算法，該程序以顯性求解為主的同時(shí)也有隱形求解功能，以結(jié)構(gòu)分析為主同時(shí)有熱分析、流體—結(jié)構(gòu)耦合功能，以非線性動(dòng)力分析為主還有精確分析功能.上述屬性使得該程序可用于巖體的爆破模擬，用于分析炸藥爆破過(guò)程中對(duì)圍巖巖體的破壞作用和應(yīng)力波傳播過(guò)程.

模擬采用ALE算法，該算法用一個(gè)獨(dú)立的初始構(gòu)形和現(xiàn)時(shí)構(gòu)形運(yùn)動(dòng)的參考構(gòu)形，將網(wǎng)格固定在介質(zhì)上，并根據(jù)計(jì)算需要在每一段時(shí)間間隔重新構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)，以避免大變形情況的產(chǎn)生，使數(shù)值計(jì)算變得困難[9].

2.2 材料的模型和狀態(tài)方程

在LS-DYNA中采用HIGH-EXPLOSI-VE-BURE材料模型能夠準(zhǔn)確地模擬炸藥爆炸過(guò)程中的沖擊波傳播及結(jié)構(gòu)的瞬間響應(yīng).爆炸時(shí)炸藥的控制方程爆轟波陣面[9]滿足以下表達(dá)式，

(1)

式中，ρD、uD、cD、pD分別為爆炸時(shí)爆轟波陣面上爆轟產(chǎn)物的密度、質(zhì)點(diǎn)速度、質(zhì)點(diǎn)聲速和爆轟壓力；D為炸藥爆速；ρe為炸藥密度.

2.2.1 炸藥的運(yùn)動(dòng)方程.

炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟產(chǎn)物應(yīng)滿足：

1)質(zhì)量方程為，

對(duì)于原始人類來(lái)說(shuō)，最大的對(duì)象莫過(guò)于頭頂上的天與腳底下的地了。這是他們的生存空間，是他們的環(huán)境。這天是太偉大了，日月星辰云霞出入其間，給大地帶來(lái)光明與黑暗，也帶來(lái)夢(mèng)幻與聯(lián)想；地雖然沒(méi)有天那樣神秘，但地也同樣極為偉大。海水、湖泊、河流、平原、森林，還有那千奇百怪的動(dòng)物、花草均在這大地上，成為人觸手可親的真實(shí)的世界。原始人最為崇拜的對(duì)象無(wú)疑就是天地了。

(2)

2)動(dòng)量方程為，

(3)

3)能量方程為，

(4)

4)狀態(tài)方程為JWL(Jones-Wilkens-Lee)[10]，其表達(dá)式如下，

(5)

式中，p為爆破時(shí)的爆轟壓力；V為爆破時(shí)爆轟產(chǎn)物的相對(duì)體積；ω為格林愛(ài)森參數(shù)；E0為初始比內(nèi)能；A、B、R1、R2為特征參數(shù).

對(duì)于特定的某種炸藥而言，A、B、R1、R2、w為常數(shù).

2.2.2 空氣材料模型及狀態(tài)方程.

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+

C6μ2)E

(6)

式中，p為爆破時(shí)的爆轟壓力；V為空氣的相對(duì)體積；E為空氣單位體積內(nèi)能；C0～6為特征系數(shù).

2.2.3 巖體材料模型.

巖體材料模型采用*MAT-JOH-NSON-HOLMQUIST-CONCRETE，配合*MAT-ADD-ERSION模型能較好地模擬巖體破壞情況.

3 數(shù)值模型與計(jì)算

3.1 模型建立

根據(jù)實(shí)際隧道掘進(jìn)施工中爆破炮孔的幾何參數(shù)確定數(shù)值模型的尺寸.本模型中建立3個(gè)孔炮孔直徑為4 cm，炮孔長(zhǎng)為300 cm.其中，間隔裝藥的孔間距分別為30 cm、40 cm、50 cm、60 cm，裝藥量為33%；連續(xù)裝藥的孔間距分別為80 cm、100 cm、120 cm、150 cm，裝藥量為67%；分別進(jìn)行有限元仿真模型進(jìn)行分析.單個(gè)藥卷直徑為32 mm，長(zhǎng)為200 cm，采用不耦合裝藥.巖體模型采用1/2長(zhǎng)方體建模，模型的正面定義為自由面，其他面定義為無(wú)位移及無(wú)反射邊界和一個(gè)對(duì)稱面.模型如圖1所示.

圖1數(shù)值計(jì)算模型示意圖

模型對(duì)稱處理后，長(zhǎng)l=2(a+b)，寬m=2a，如圖2所示.

a：巖體厚度； b：炮孔間距

圖2模型正面示意圖

乳化炸藥模型及其狀態(tài)方程參數(shù)如表1所示.

表1 乳化炸藥參數(shù)

巖石在受到爆炸沖擊作用時(shí)，應(yīng)考慮到大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高圍壓下材料的損傷實(shí)效的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)軟巖圍巖的物理屬性，使用的巖石材料參數(shù)如表2所示.

表2 巖石材料模型參數(shù)

空氣模型及其狀態(tài)方程參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 空氣模型參數(shù)及狀態(tài)方程值

3.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用的起爆方法，本模擬采用實(shí)際應(yīng)用最多的底部起爆方法，模擬周邊炮孔(間隔裝藥，裝藥量為33%)和輔助孔等(連續(xù)裝藥，裝藥量為67%)在不同炮孔間距條件下的起爆過(guò)程，分析爆破時(shí)巖體中的應(yīng)力場(chǎng)和破壞情況，借此判斷塑性圈范圍.

底部起爆的應(yīng)力波震面外法線方向與藥柱軸線夾角為50 °，爆炸過(guò)程中應(yīng)力波演化過(guò)程如圖3(a)、(b)所示.

圖3 爆炸應(yīng)力波演化過(guò)程

在該數(shù)值模擬中，以等效應(yīng)力大小作為判定巖體是否達(dá)到破壞條件來(lái)確定塑性圈范圍(破壞程度)，分析各工況的爆破應(yīng)力云圖，根據(jù)典型單元的應(yīng)力值確定塑性圈范圍.各工況下破壞關(guān)系如圖4所示.

圖4炮孔間距與塑性圈大小關(guān)系曲線

由圖4可知，圍巖的環(huán)向破壞范圍在間隔裝藥時(shí)隨著炮孔間距的加大而減小，當(dāng)采用連續(xù)裝藥時(shí)，圍巖的爆破破壞范圍比間隔裝藥大，且連續(xù)裝藥時(shí)也是隨著炮孔間距的增大環(huán)向破壞范圍降低.圍巖的軸向破壞范圍比環(huán)向破壞范圍小，且軸向破壞范圍隨著炮孔間距加大呈降低趨勢(shì).當(dāng)裝藥結(jié)構(gòu)為連續(xù)裝藥時(shí)，巖體在環(huán)向上的破壞范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在軸向上的破壞范圍.

4 結(jié) 論

根據(jù)模擬結(jié)果可知，在軟巖中進(jìn)行爆破開(kāi)挖，當(dāng)每循環(huán)進(jìn)尺3 m，周邊孔宜采用間隔裝藥，裝藥量為33%，孔間距為60 cm，同時(shí)孔口用炮泥堵塞，爆破時(shí)各炮孔間能較好的破壞貫通，光面爆破效果好.當(dāng)炮孔間距小于50 cm時(shí)，各炮孔間爆破時(shí)的加強(qiáng)效應(yīng)較強(qiáng)，使得塑性圈范圍過(guò)大，影響光面爆破效果，不宜采用.同時(shí)，輔助孔宜采用連續(xù)裝藥，裝藥量為67%，孔間距為150 cm，并堵塞炮孔，爆破時(shí)巖體能破壞貫通.而當(dāng)炮孔間距小于120 cm時(shí)爆破，各孔間的加強(qiáng)效應(yīng)較明顯，不宜采用.