牛銅山隧道鉆爆法裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析

錢陽 張志強(qiáng)

【摘要】在鉆爆法施工作業(yè)中，隧道爆破效果很大程度取決于裝藥結(jié)構(gòu)的形式。文章以浦梅鐵路牛銅山隧道為依托工程，研究不同裝藥條件下巖石的破碎效果。以顯式動力有限元程序LS-DYNA為工具，分別對耦合裝藥、空氣介質(zhì)不耦合裝藥和水介質(zhì)不耦合裝藥三種裝藥結(jié)構(gòu)下的巖石破碎范圍、監(jiān)測單元有效應(yīng)力及監(jiān)測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動速度等進(jìn)行分析研究。通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，建議牛銅山隧道施工爆破中，掏槽眼采取耦合裝藥，輔助眼采取水介質(zhì)不耦合裝藥，周邊眼采取空氣介質(zhì)不耦合裝藥，以確保隧道開挖作業(yè)安全、高效、合理。

【關(guān)鍵詞】裝藥結(jié)構(gòu); LS-DYNA; 破碎效果; 有效應(yīng)力; 質(zhì)點(diǎn)振動速度

【中國分類號】U455.6【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

近年來，我國交通路網(wǎng)不斷發(fā)展完善，伴隨而來的是越來越多的隧道工程，且隧道在線路中所占比例越來越高[1-2]。鉆爆法以其地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，綜合效益顯著等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于隧道爆破工程中[3]。在隧道爆破中，圍巖性質(zhì)、炸藥參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)等因素均會影響巖體爆破效果。在諸多因素中，裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果影響較大。裝藥結(jié)構(gòu)是指炸藥卷在炮孔中的相對位置、與炮孔壁的接觸情況等，一般分為兩種形式：耦合裝藥和不耦合裝藥[4]。針對隧道爆破中的不同炮孔，如何選取合理高效的裝藥結(jié)構(gòu)，是本文研究的重點(diǎn)所在。

閆國斌、于亞倫[5]建立不耦合裝藥三維模型，對不同耦合系數(shù)下，空氣和水介質(zhì)裝藥爆破時炮孔壁應(yīng)力及破壞情況進(jìn)行研究，最終揭示了不耦合系數(shù)與孔壁應(yīng)力間的關(guān)系。梁為民等人[6]通過模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，不耦合裝藥可以延長應(yīng)力波和爆生氣體在炮孔壁的作用時間，從而有效改善爆破效果，高效利用炸藥能量。顧文彬等人[7]通過具體爆破開挖工程進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明有效降低爆破振動效應(yīng)的裝藥結(jié)構(gòu)是以水作為填充介質(zhì)的不耦合裝藥。

本文結(jié)合浦梅鐵路牛銅山隧道實(shí)際工程，采用LS-DYNA軟件建立單孔柱形裝藥3D模型，模擬不同裝藥結(jié)構(gòu)下的巖體應(yīng)力發(fā)展?fàn)顟B(tài)及振動速度變化，對比分析不同裝藥結(jié)構(gòu)對爆破效果的影響，進(jìn)而選擇合理的爆破裝藥結(jié)構(gòu)，為相似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

牛峒山隧道位于福建省龍巖市連城縣隔川鄉(xiāng)，是浦梅鐵路楊源站至連城站區(qū)間的一座單線隧道，如圖1所示。隧道進(jìn)出口臨近204省道，起訖里程為DK366+138～DK369+160，全長3 022 m，隧道最大埋深205 m。隧道位于線路為單面上坡。

由于地質(zhì)構(gòu)造作用，隧址區(qū)巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，扭曲揉皺現(xiàn)象明顯，層里紊亂，地表植被發(fā)育，巖石露頭較少。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

由于模型為對稱結(jié)構(gòu)，為了減小單元數(shù)目從而節(jié)約計(jì)算成本，建立1/4無限均勻巖體介質(zhì)爆破模型，如圖2所示，模型是外形尺寸為100 cm×100 cm×30 cm的立方體，炮泥堵塞段長10 cm，裝藥段長10 cm，下覆無限均勻巖體厚度為10 cm。采用cm-g-μs單位制建立模型，模型均選用SOLID164實(shí)體單元。

耦合裝藥時炸藥和巖體完全接觸，炮孔和藥卷直徑均為4.2 cm，不耦合裝藥時炮孔直徑不變，藥卷直徑減小為3.2 cm，不耦合系數(shù)為1.31。起爆點(diǎn)設(shè)置在藥卷中心位置處。

為了消除建模過程中產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，計(jì)算時裝藥端面采用自由邊界，左表面（YZ面）和下表面（XZ面）為對稱邊界，其余各面均采用無反射邊界。

2.2 計(jì)算材料與參數(shù)

模型中主要包含巖體、炮泥、炸藥、空氣和水五種材料。巖體和炮泥材料采用各向同性、隨動硬化或各向同性和隨動硬化的混合模型，其關(guān)鍵字段為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC。炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料進(jìn)行模擬，狀態(tài)方程為*EOS_JWL?？諝夂退牧喜捎?MAT_NULL材料進(jìn)行模擬。

計(jì)算模型材料主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 耦合裝藥監(jiān)測單元有效應(yīng)力分析

在炮孔X、Y和XY方向分別選取監(jiān)測單元見圖3，H838410（爆心距1 m）、H479422（爆心距1 m）、H535982（爆心距1.4 m），分別提取三個監(jiān)測單元的有效應(yīng)力并繪制時程曲線，如圖4～圖6所示。

（1）爆心距為1 m的監(jiān)測單元H838410和H479422均在550 μs時出現(xiàn)峰值有效應(yīng)力，應(yīng)力值均約為9.74 MPa，說明強(qiáng)度較大的應(yīng)力波此刻傳播至該位置處，之后應(yīng)力波強(qiáng)度迅速減小，表明了應(yīng)力波是從炮孔中心以柱面波不斷向四周傳播。

（2）爆心距為1.4 m的監(jiān)測單元H535982在800 μs時出現(xiàn)峰值有效應(yīng)力，其相比于爆心距為1 m的監(jiān)測單元峰值有效應(yīng)力出現(xiàn)較晚，其應(yīng)力值約為8.03 MPa，說明應(yīng)力波在向周圍傳播過程中，其對巖體的有效應(yīng)力逐漸減小。

（3）峰值有效應(yīng)力的出現(xiàn)時間隨著爆心距的增大而逐漸增大，但其應(yīng)力峰值隨著距炮孔距離的增大而逐漸減小。

3.2 耦合裝藥監(jiān)測節(jié)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振速分析

在炮孔X、Y和XY方向分別選取監(jiān)測節(jié)點(diǎn)（圖7），1017146（爆心距1 m）、648309（爆心距1 m）、808975（爆心距1.4 m），分別提取三個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z三方向的質(zhì)點(diǎn)振速并繪制時程曲線，如圖8～圖10所示。

（1）各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處質(zhì)點(diǎn)峰值振速出現(xiàn)的時間與相對應(yīng)位置的監(jiān)測單元峰值有效應(yīng)力出現(xiàn)時間基本一致，表明了強(qiáng)度較大的應(yīng)力波出現(xiàn)的同時伴隨最大有效應(yīng)力及質(zhì)點(diǎn)峰值振速的出現(xiàn)。

（2）爆心距為1 m的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)1017146和648309的質(zhì)點(diǎn)峰值振速分別為457 cm/s、459 cm/s，爆心距為1.4 m的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)808975的質(zhì)點(diǎn)峰值振速為223 cm/s。即質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨著距炮孔距離的增大而不斷減小。

3.3 耦合裝藥爆破效果分析

爆破過程結(jié)束后，巖體最終破碎效果如圖11所示。

爆破后巖體粉碎區(qū)域和裂隙區(qū)域基本為圓形分布，巖體在爆破應(yīng)力波作用下產(chǎn)生徑向、環(huán)向裂隙，巖體被相互交錯的裂紋切割成不同大小的碎塊。

爆破產(chǎn)生的粉碎區(qū)半徑約為10.01 cm，裂隙區(qū)半徑約為24.43 cm。

3.4 計(jì)算結(jié)果對比分析

空氣和水介質(zhì)不耦合裝藥時監(jiān)測單元有效應(yīng)力及監(jiān)測節(jié)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動速度時程曲線變化趨勢與耦合裝藥基本一致，現(xiàn)僅列出其計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，其余不再贅述。對比結(jié)果列于表2。

對比分析不同裝藥結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，可知：

隙區(qū)，但其半徑不盡相同。粉碎區(qū)和裂隙區(qū)最大值均出現(xiàn)在耦合裝藥時。

（2）對比監(jiān)測單元有效應(yīng)力，耦合裝藥由于藥卷與炮孔壁相接觸，故爆破應(yīng)力波在巖體中產(chǎn)生的有效應(yīng)力最大，空氣和水不耦合裝藥時在藥卷與炮孔周壁間存在填充介質(zhì)，故巖體中有效應(yīng)力相對耦合裝藥較小，宏觀來看就是巖體破碎范圍較小。爆破時在巖體中產(chǎn)生的有效應(yīng)力大小直接影響巖體破碎區(qū)域大小，一般情況下，有效應(yīng)力越大巖體的破碎區(qū)域越大。

（3）耦合裝藥爆破時監(jiān)測點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)峰值振速最大，空氣介質(zhì)不耦合裝藥爆破時相同質(zhì)點(diǎn)處的峰值振速約為耦合裝藥時的37.4 %～50.7 %，水介質(zhì)不耦合裝藥爆破時相同質(zhì)點(diǎn)處的峰值振速僅約為耦合裝藥時的10.3 %～23.3 %。

4 結(jié)論

本文采用LS-DYNA顯式動力有限元軟件，建立牛峒山隧道爆破裝藥結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，分別對耦合裝藥、空氣和水介質(zhì)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)時的監(jiān)測單元有效應(yīng)力及監(jiān)測節(jié)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動速度進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）耦合裝藥對巖體產(chǎn)生的損傷最大，水介質(zhì)不耦合裝藥次之，空氣介質(zhì)不耦合裝藥對巖體產(chǎn)生的損傷最小。

（2）空氣介質(zhì)和水介質(zhì)不耦合裝藥均可有效降低巖體在爆破時的振動響應(yīng)，且水介質(zhì)相比空氣介質(zhì)更有利于降低質(zhì)點(diǎn)峰值振速。

（3）對于牛峒山隧道的掏槽眼，應(yīng)使巖體的破碎范圍越大越好，即裂隙區(qū)的半徑越大越好，以得到更大的臨空面，以確保后續(xù)爆破過程的順利進(jìn)行。建議掏槽眼采用耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

（4）對于牛峒山隧道的輔助眼，由于隧道掘進(jìn)過程中輔助眼數(shù)量最多，應(yīng)高效利用炸藥能量形成裂隙區(qū)，即裂隙區(qū)在巖體破碎區(qū)域所占比例越大越好。建議輔助眼采用水介質(zhì)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

（5）對于牛峒山隧道的周邊眼，要達(dá)到光面爆破的要求，應(yīng)盡量提高半孔殘留率，減小對周圍巖體對的損傷。建議周邊眼采用空氣介質(zhì)不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。

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