地铁隧道爆破震动对围岩损伤数值模拟研究

地铁隧道爆破震动对围岩损伤数值模拟研究

蒋成军

青岛市市政公用工程质量安全监督站，山东，266000

摘要：爆破损伤数在支护结构设计中是参考量，它的大小会直接影响隧道在施工过程中的安全性，所以爆破损伤对隧道开挖的过程中的非常重要。本文依托青岛地铁6号存车线的工程实际工况，利用LS-DYNA模拟施工中上台阶导坑光面爆破对岩体的损伤，并在实际工况的基础上，控制单一变量改变密度和间距分别模拟四种工况，研究工程爆破方案对围岩影响，分析爆破荷载对围岩产生所产生的应力范围、位移变化，以及爆破振动的影响范围。

关键词：爆破震动  损伤  数值模拟

1 工程概况

青港区间存车线为单洞四线大跨断面存车线全长211.75m，采用直墙拱顶断面，台阶法开挖，先开挖支护车站上部，后开挖车站下部，车站上部为扇形断面，开挖跨度为19.55m，高度为6.5m，分中、左、右三块开挖，车站下部为矩形断面，开挖跨度为19.55m，高度为4.68m，采用中部拉槽，两侧错步开挖的方式。

存车线主体大部分段落位于微风化闪长岩岩层及花岗岩岩层，部分段落位于断裂破碎带，初支结构拱顶埋深33.1~46.1m，洞身主要处于Ⅲ、Ⅳ级围岩段落。隧道台阶法开挖，上台阶先开挖中导洞，本文重点分析中导洞爆破过程对周边围岩的损伤。

图1 隧道结构轮廓图 图2  中导洞爆眼布置示意图

2 模型建立

本文采用Ansys中的动力模块LS-DYNA进行模拟计算分析。本次模型为2维模型，模型尺寸为70m×70m，内部尺寸为14.6×11.8，围岩采用8节点3Dsolid164单元，共143216个单元和288860个节点，在X、和Y方向四个边界施加无反射边界条件用于模拟无限大围岩，防止反射波对模型边界产生破坏，Z方向施加法向约束。

使用LS-DYNA对隧道爆破进行模拟，岩体部分使用RHT本构模型， RHT本构模型损伤用计算公式

                                                （1）

（2）

为单轴抗压强度归一化后的压力，D1、D2表示损伤常数，为最小失效应变，为塑性失效应变。

                                  表1  RHT本构模型计算参数

炸药材料的定义方式为*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN[9]，该方程可以更好地反映出爆炸时能量产生的变化。爆破状态方程采用JWL爆破状态方程，LS-DYNA中定义方式为*EOS_JWL，是许多学者在爆破数值模拟中最常使用的爆破状态方程。JWL方程的方程式如下：

                  （3）

公式中的P 为 JWL 状态方程决定的压力；V 为相对体积；为初始比内能：A、B、R1、R2、均为特征参数。乳化炸药的参数如下图所示

                                  表2  乳化炸药JWL方程参数

   根据现场岩土勘察报告，存车线上台阶中导坑爆破面围岩等级为三级，上部第一层全新系人工填土，采用DP模型，LS-DYNA中定义为*MAT_DRCUKER_PRAGER，下部为上更新洪积土粉质粘土和粗砂和砾砂,LS-DYNA中定义为＊MAT_SOIL_CONCRETE，模拟中各岩土体的计算参数如表3所示，计算模型如图3所示

图3  有限元数值计算模型

表3 模型计算参数

本次数值模拟共考虑6个因素，分别是炸药装药密度、掏槽眼炮孔间距、辅助眼炮孔间距、内圈眼炮孔间距、周边眼炮孔间距以及底板眼炮孔间距。计算分5种工况，具体各工况的参数如表4所示。

表4 各种工况的密度与炮孔间距

3 计算结果分析

取计算结果12ms时Y方向的振动速度，分别取拱顶中心和拱顶左右两端沿Y方向1米、2米、3米、4米等距取点，测得的不同深度质点峰值振动速度，单位均为mm/ms，所测质点峰值振动速度见表5斑岩质点峰值振动速度与围岩损伤程度的关系表6所示

表5  岩石爆破损伤的质点峰值震动速度临界值[10]

表6  拱顶中心和左右两端点等间距质点峰值速度

图4  拱顶左右两端和拱顶中心点质点峰值振动速度

结合每点的峰值振动速度，如图3所示，a、b分别表示工况一、工况二、工况三拱顶左右两端和拱顶中心的质点峰值振动速度，c、d分别表示工况一、工况四、工况五拱顶左右两端和拱顶中心的质点峰值振动速度。得到施工中原始方案对拱顶中心围岩的损伤深度为4米，拱顶左右两端的损伤深度为3.87米。工况二，即装药量增加1.2倍后，拱顶中心围岩损伤深度为4.17米，拱顶左右两端损伤深度为3.42米。相比较原始爆破方案在拱顶中心处深度增加0.17米,增加了4.25％，在拱顶左右两端损伤深度减少0.45米，减少了11.6％。工况三，即装药量减少1.2倍以后，拱顶中心处损伤深度为3.87米，拱顶左右两端为3.91米。与原始爆破方案相比，拱顶中心处损伤深度减少0.13米，减少了3.4％，拱顶左右两端损伤深度增加了0.04米，增加了1.03%。

改变间距后，间距增大50mm后在拱顶中心处的损伤深度为3.34米，比原始方案密度减小0.66米，减少了16.5%，拱顶左右两端点损伤深度为2.61米，，减少了32.6%。可见密度的改变会增大拱顶中心处围岩损伤深度，但附近围岩质点振动峰值速度随密度的增加而减小。间距减小50mm后，拱顶中心损伤深度为3.42米，减少了14.5%，拱顶左右两端损伤深度为2.94米，减少了24%。改变间距后会增加在拱顶中心处围岩质点峰值振动速度，间距越小拱顶中心处和拱顶左右两端附近围岩质点速度越大，对附近围岩的损伤更大，间距越大对于拱顶中心处和左右两端的损伤越小。与原始爆破方案相比，改变间距会使拱顶的损伤深度减小，在拱顶左右两端的损伤深度更加明显。

4 结论

（1）在密度改变后，线密度越小，爆破荷载对附近围岩产生的振动越大，随着距离的不断增大其衰减速度越快。在拱顶中心处产生的损伤随线密度的增大而增大，拱顶左右两端的损伤随线密度的增大而减小。总体来看三种方案在拱顶中心处的损伤始终大于左右两端的损伤。

（2）改变间距后会增加在拱顶中心处围岩质点峰值振动速度，间距越小对附近围岩的损伤更大。原始爆破方案中裂隙区半径最大为4m。开完断面处围岩爆破振动速度控制值为0.12mm/ms.

（3）改变炮孔间距后会使拱顶两端点的应力大小和范围发生改变。

参考文献：

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[3] TAYLOR L M, CHENEP, KUSZMAUL J S. Micro-crackinduced damage accumulation in brittle rock under dynamic loading[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,1986,55(3):301320.DOI:10.1016/0045-7825(86)90057-5

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[5] 陈明, 卢文波, 胡英国. 爆破开挖扰动对深埋隧洞围岩损伤区的 影响研究 [EB/OL]. 北京：中国科技论文在线 .