深埋地下硐室爆破振动安全间距分析

　海工英派尔工程有限公司

深埋地下硐室爆破振动安全间距分析

王金昌李俊彦彭振华海工英派尔工程有限公司

作为水封油库的地下硐室通常按照硐室群的结构形式来布置，一般具有邻近硐室数量繁多、结构布置复杂密集的特点。如果爆破工艺设计不当，则爆炸释放出的巨大能量会引起一系列危及工程安全的问题，影响地下水封油库的正常使用，严重时还会造成人员伤亡和重大的经济损失。应用ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件来模拟爆破开挖对某地下水封石油硐库围岩动力响应的影响，研究内容主要包括爆破开挖引起的相邻已开挖硐室围岩质点振动速度分布情况，以及沿硐室轴向的传播规律，从而确定合理的地下硐室安全距离。

爆破振动；地下硐室；峰值振速；安全距离；数值模拟

本文借助于ANSYS/LS-DYNA动力有限元分析软件，通过数值模拟的方法研究主硐室爆破开挖对邻近硐室围岩质点动力响应的影响、硐室净间距对邻近硐室围岩质点动力响应的影响，以及硐室的最小净间距。

1　有限元模型

地下水封硐库拟建规模为500×104m3，分为10个硐室。单个硐室容积约为50×104m3，硐室断面形状为直墙圆拱形，硐室跨度为20m，高度为30m，长约800m。每两个硐室构成一个硐罐，同一硐罐的两个硐室净间距为69m，两个硐罐之间的净距离为40m。本文将净距离为40m的两个硐室作为分析对象，模拟在左侧硐室矩形截面中部单段集中装药为64.8kg爆破开挖时，邻近硐室围岩的峰值振速分布规律。

在建立有限元数值模型时，以炸药中心位置为原心、水平方向指向右边墙为x方向、铅直向上为y方向、硐轴线方向离开掌子面为 z方向，并统一采用m-kg-s单位制，共由岩体、空气和炸药三种材料组成。模型整体尺寸为160m×120m×120m，有限元数值模型如图1所示。

在计算中将模型的6个外边界均施加法向位移约束，即 x=110m和-50m面的Uy=0， y=60m 和-60m面的Uy=0， z=60m和-60m面的Uz=0。另外由于所研究硐室为深埋硐室，而且该模型只是无限岩体的一部分，为消除人为边界面的反射波对结构动力响应的影响，将模型6个面均设为无反射边界面。模型边界如图2所示。

图1　计算模型

图2　模型边界约束

根据勘察报告及钻孔岩芯统计资料，工程场地内的深部岩体较完整，裂隙稀疏，选取LS-DYNA中的塑性随动硬化材料模型MATPLASTICKINEMATIC作为围岩模型。塑性随动硬化材料模型可考虑与材料的应变率相关的失效作用。其应变率用Cowper-Symonds模型来考虑，用与应变率有关的因素表示的材料屈服应力σy，见如下公式[1]

式中ε为材料的应变率，无量纲；C和P为Cowper-Symonds模型中应变率参数，无量纲； σ0为材料的初始屈服应力（Pa）；E为材料的弹性模量（Pa）；为材料的切线模量（Pa）；为材料的有效塑性应变，无量纲； β为模型的硬化参数，无量纲， β=0～1，0表示模型仅考虑随动硬化、1表示模型仅考虑各向同性硬化。

岩体模型的物理力学参数根据原位岩体试验和室内岩样试验计算求得，具体数值如表1所示。

表1　岩体材料参数

在爆炸的数值模拟中，由于炸药爆炸产生的爆轰产物压力p波动范围很大，一般在0.1～1000MPa，材料模型的状态方程很难适合这个范围。炸药材料选用LS-DYNA中的MATHIGHEXPLOSIVEBURN模型来模拟。其中爆轰压力p与单位体积内能E0、相对体积V的关系采用JWL状态方程来描述。JWL状态方程是通过圆桶爆破实验，得到爆轰产物等熵线随炸药初始密度和爆速而变化的实验数据，通过热力学原理计算得到相应的函数关系。JWL状态方程具有精确的物理意义，可以对爆炸过程中产生的压力做出与实验结果非常相近的预测，因而在爆炸问题的数值模拟中得到了广泛应用[2]。该模型在模拟炸药爆炸过程时，爆轰产物的压力 p （Pa）与相对体积V和单位体积初始能量E0的函数方程如式（2）所示

式中 A、B均为炸药材料的有关参数（Pa）；R1、R2、ω表示炸药材料的相关常数，无量纲；V为单位体积炸药产生的爆轰产物体积，无量纲；E0为炸药的初始单位体积内能（J/m3）。

实际过程中所用的3#岩石乳化炸药的材料参数和状态方程参数见表2所示。

表2　3#岩石乳化炸药材料参数

为真实反映爆破振动作用下硐室围岩质点的动力响应，需要在地下硐室开挖部分建立空气材料模型。在LS-DYNA中，通常采用MATNULL材料模型来模拟空气材料，其状态方程采用EOSLINEAR POLYNOMIAL来描述[3]。空气材料的压力值 p(Pa)表示为空气的单位初始体积内能E0的线性关系，由公式（3）给出

式中 μ=ρ/ρ0； ρ为当前密度（kg/m3）； ρ0为初始密度（kg/m3）；E0为材料的单位初始体积内能（J/m3）；C0～C6为状态方程参数，无量纲。

在ANSYS/LS-DYNA中可供模拟岩土体中炸药爆炸的数值计算方法有：共用节点算法、面面接触算法、侵彻接触算法和流固耦合算法等[4]。文献[5]在对比不同算法的计算结果之后，得出采用共用节点算法与滑动接触算法获得的结果与爆破实际比较符合，同时这两种算法获得的计算结果也比较一致。事实上每一种计算方法中都有多个控制选项，其参数的不同取值直接影响到计算结果。因此对于一个具体问题，应该以实验为基础，微调参数使计算结果与理论解和试验值等相吻合。为节省计算时间，本文选用共用节点算法。

2　典型结果分析

图3是在单响炸药量为64.8kg的爆破振动作用下，z=0m平面处迎爆侧直立墙中部质点的水平横向振速时程曲线和相应的频谱图。图4是在单响炸药量为64.8kg的爆破振动作用下， z=0m平面处背爆侧直立墙中部质点的水平横向振速时程曲线和相应的频谱图。

图3　迎爆侧直立墙中部质点水平横向振速时程曲线和频谱图

由图3和图4可以看出：从质点振动速度的时程曲线来看，在单响炸药量为64.8kg的爆破振动作用下，爆破振动波由迎爆侧直立墙中部位置经过绕射到达背爆侧直立墙中部位置后，水平横向的峰值振速分别由5.10cm/s降低到1.59cm/s，但持续时间大幅增加。从质点振动速度的频谱来看，爆破振动波由迎爆侧直立墙中部位置经过绕射到达背爆侧直立墙中部位置后，主频由39Hz降低到24Hz；另外背爆侧直立墙中部位置的频谱宽度明显小于迎爆侧直立墙中部位置。

图4　背爆侧直立墙中部质点水平横向振速时程曲线和频谱图

3　截面峰值振速分布规律

图5为z=0m平面处邻近硐室围岩截面上水平方向、铅直方向、硐轴线方向和隧道面法向的峰值振速分布图。图5采用极坐标系，坐标原点为直墙拱形隧道断面的矩形区域中心。

可以看出：x方向的最大峰值振速为5.10cm/s，出现在迎爆侧直立墙中部位置；最小峰值振速为1.13cm/s，出现在拱顶位置。 y方向的最大峰值振速为1.51cm/s，出现在底板中部位置；最小峰值振速为0.26cm/s，出现在背爆侧直立墙中部位置。z方向的最大峰值振速为4.82cm/s，出现在迎爆侧直立墙中部位置；最小峰值振速为0.30cm/s，出现在背爆侧拱脚位置。n方向的最大峰值振速为5.10cm/s，出现在迎爆侧直立墙中部位置；最小峰值振速为1.20cm/s，出现在背爆侧拱脚位置。从整体来看隧道迎爆侧的峰值振速远大于背爆侧的峰值振速。

图5　Z=0m截面邻近硐室围岩峰值振速分布

4　硐室间距对围岩峰值振速的影响

设计的两主硐室最小净间距D=40m，为分析净间距对邻近硐室围岩质点峰值振速的影响，另外建立了净间距D=10、20、30和50m的有限元计算模型。

选取拱顶、迎爆侧拱脚、迎爆侧直立墙中部和迎爆侧墙角4个相对比较危险的位置来做分析。由计算可知，在邻近硐室围岩截面上，z=0m平面处迎爆侧直墙中部位置围岩的法向峰值振速最大。图6为 z=0m平面处邻近硐室迎爆侧直墙中部围岩质点的法向峰值振速Vmax与硐室净间距D的关系图。

图6　邻近硐室围岩质点峰值振速Vmax与硐室净间距 D关系

法向峰值振速Vmax与硐室净间距D的关系式如式（4）所示

根据《爆破安全规程（GB6722）》第6.2.2条的规定：水工隧道的安全允许振速为7～15cm/s。即可得到在主硐室单响炸药量为64.8kg的爆破振动作用下，与邻近主硐室的最小净间距应为11～27m。为考虑到其他因素的影响，建议两主洞室的最小净间距宜为30m。

5　结论

通过数值模拟方法，分析了爆破振动作用下地下水封石油硐库相邻地下硐室围岩质点的动力响应规律。

（1）在主硐室单响炸药量为64.8kg的爆破振动作用下，40m净间距邻近主硐室围岩质点的爆破振动波由迎爆侧直立墙中部位置经绕射到达背爆侧直立墙中部位置后，x方向的峰值振速由5.10cm/s降到1.59cm/s，但持续时间大幅增加。主频由39Hz降到24Hz。

（2）在爆炸源所在平面的邻近硐室围岩截面上：x方向的最大峰值振速出现在迎爆侧直立墙中部位置；最小峰值振速出现在拱顶位置。y方向的最大峰值振速出现在底板中部位置；最小峰值振速出现在背爆侧直立墙中部位置。z方向的最大峰值振速出现在迎爆侧直立墙中部位置；最小峰值振速出现在背爆侧拱脚位置。从整体来看硐室迎爆侧的峰值振速远大于背爆侧的峰值振速。

（3）在爆炸源所在的平面上，邻近硐室围岩峰值振速Vmax与硐室净间距D符合指数函数关系。另外根据《爆破安全规程（GB6722）》的规定，在主硐室单响炸药量为64.8kg时，建议两主硐室的最小净间距宜为30m。

[1]林加剑，任辉启，沈兆武．尾翼型爆炸成型弹丸的数值模拟及实验研究[J]．高压物理学报，2009（3）：215-222.

[2]帅晓蕾．冲击荷载作用下混凝土动力性能试验研究及有限元分析[D]．长沙：湖南大学，2013.

[3]李朝．基于ANSYS/LS-DYNA软件的配筋砌块墙体爆炸数值模拟[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[4]何涛，杨竞，金鑫，等．ANSYS10.0/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M]．北京：机械工业出版社，2007.

[5]白金泽．LS-DYNA3D理论基础与实例分析[M]．北京：科学出版社，2005.

（0532）89090638、wangjch11@cnooc.com.cn

（栏目主持李艳秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.004

王金昌：高级工程师，1985年毕业于东北石油大学化工机械专业，2005年硕士毕业于中国海洋大学防灾减灾工程及防护工程专业，主要从事技术管理及研发工作。

2015-01-26