软岩隧道光面爆破参数设计的数值模拟研究

周 杰

(1.成都大学 建筑与土木工程学院， 四川 成都 610106；2.西华大学 土木建筑与环境学院， 四川 成都 610039)

0 引 言

目前，在隧道工程爆破施工中，光面爆破技术对隧道开挖周边轮廓线的控制具有比较显著的效果，并对隧道围岩产生的损伤和对围岩的扰动也更小[1-3].在实际施工过程中，因地质差异较大，当围岩稳定性较差时，光面爆破达不到预期的爆破效果.一旦超挖会增加出渣量、混凝土用量，浪费不必要的时间、物力和人力成本，而出现欠挖又需要补炮，再出渣，同样也会增加时间等成本[4-6].对此，本研究以实际软岩隧道工程为例，通过对软岩的光面爆破参数进行优化设计，以期减少软岩隧道爆破施工时的超、欠挖量，从而保证施工安全和满足施工进度要求.

1 软岩的性质

研究表明，软岩通常是IV级围岩，其岩体呈较破碎～破碎结构，在地质中一般表现为第四系的半干硬至硬塑的黏性土及稍湿至潮湿的碎石土、卵石土、圆砾、角砾土及黄土.非黏性土呈松散结构，黏性土及黄土呈松软结构.软岩具有可塑性、流变性、膨胀性等特点[7-8]，因此，在实际工程中，要求实施爆破后不仅开挖断面要符合设计要求，而且还必须保证围岩的完整性，这将直接影响着软岩隧道的支护效果和施工安全.

2 分析原理及计算方法

2.1 LS-DUNA程序简介

动力有限元分析程序LS-DYNA包含几何非线性、材料非线性和接触非线性程序，有Lagrang算法、Euler算法、ALE算法3种算法，该程序以显性求解为主的同时也有隐形求解功能，以结构分析为主同时有热分析、流体—结构耦合功能，以非线性动力分析为主还有精确分析功能.上述属性使得该程序可用于岩体的爆破模拟，用于分析炸药爆破过程中对围岩岩体的破坏作用和应力波传播过程.

模拟采用ALE算法，该算法用一个独立的初始构形和现时构形运动的参考构形，将网格固定在介质上，并根据计算需要在每一段时间间隔重新构造网络，以避免大变形情况的产生，使数值计算变得困难[9].

2.2 材料的模型和状态方程

在LS-DYNA中采用HIGH-EXPLOSI-VE-BURE材料模型能够准确地模拟炸药爆炸过程中的冲击波传播及结构的瞬间响应.爆炸时炸药的控制方程爆轰波阵面[9]满足以下表达式，

(1)

式中，ρD、uD、cD、pD分别为爆炸时爆轰波阵面上爆轰产物的密度、质点速度、质点声速和爆轰压力；D为炸药爆速；ρe为炸药密度.

2.2.1 炸药的运动方程.

炸药爆炸产生的爆轰产物应满足：

1)质量方程为，

对于原始人类来说，最大的对象莫过于头顶上的天与脚底下的地了。这是他们的生存空间，是他们的环境。这天是太伟大了，日月星辰云霞出入其间，给大地带来光明与黑暗，也带来梦幻与联想；地虽然没有天那样神秘，但地也同样极为伟大。海水、湖泊、河流、平原、森林，还有那千奇百怪的动物、花草均在这大地上，成为人触手可亲的真实的世界。原始人最为崇拜的对象无疑就是天地了。

(2)

2)动量方程为，

(3)

3)能量方程为，

(4)

4)状态方程为JWL(Jones-Wilkens-Lee)[10]，其表达式如下，

(5)

式中，p为爆破时的爆轰压力；V为爆破时爆轰产物的相对体积；ω为格林爱森参数；E0为初始比内能；A、B、R1、R2为特征参数.

对于特定的某种炸药而言，A、B、R1、R2、w为常数.

2.2.2 空气材料模型及状态方程.

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+

C6μ2)E

(6)

式中，p为爆破时的爆轰压力；V为空气的相对体积；E为空气单位体积内能；C0～6为特征系数.

2.2.3 岩体材料模型.

岩体材料模型采用*MAT-JOH-NSON-HOLMQUIST-CONCRETE，配合*MAT-ADD-ERSION模型能较好地模拟岩体破坏情况.

3 数值模型与计算

3.1 模型建立

根据实际隧道掘进施工中爆破炮孔的几何参数确定数值模型的尺寸.本模型中建立3个孔炮孔直径为4 cm，炮孔长为300 cm.其中，间隔装药的孔间距分别为30 cm、40 cm、50 cm、60 cm，装药量为33%；连续装药的孔间距分别为80 cm、100 cm、120 cm、150 cm，装药量为67%；分别进行有限元仿真模型进行分析.单个药卷直径为32 mm，长为200 cm，采用不耦合装药.岩体模型采用1/2长方体建模，模型的正面定义为自由面，其他面定义为无位移及无反射边界和一个对称面.模型如图1所示.

图1数值计算模型示意图

模型对称处理后，长l=2(a+b)，宽m=2a，如图2所示.

a：岩体厚度； b：炮孔间距

图2模型正面示意图

乳化炸药模型及其状态方程参数如表1所示.

表1 乳化炸药参数

岩石在受到爆炸冲击作用时，应考虑到大应变、高应变率和高围压下材料的损伤实效的动态响应，根据软岩围岩的物理属性，使用的岩石材料参数如表2所示.

表2 岩石材料模型参数

空气模型及其状态方程参数见表3.

表3 空气模型参数及状态方程值

3.2 模拟结果分析

根据实际工程应用的起爆方法，本模拟采用实际应用最多的底部起爆方法，模拟周边炮孔(间隔装药，装药量为33%)和辅助孔等(连续装药，装药量为67%)在不同炮孔间距条件下的起爆过程，分析爆破时岩体中的应力场和破坏情况，借此判断塑性圈范围.

底部起爆的应力波震面外法线方向与药柱轴线夹角为50 °，爆炸过程中应力波演化过程如图3(a)、(b)所示.

图3 爆炸应力波演化过程

在该数值模拟中，以等效应力大小作为判定岩体是否达到破坏条件来确定塑性圈范围(破坏程度)，分析各工况的爆破应力云图，根据典型单元的应力值确定塑性圈范围.各工况下破坏关系如图4所示.

图4炮孔间距与塑性圈大小关系曲线

由图4可知，围岩的环向破坏范围在间隔装药时随着炮孔间距的加大而减小，当采用连续装药时，围岩的爆破破坏范围比间隔装药大，且连续装药时也是随着炮孔间距的增大环向破坏范围降低.围岩的轴向破坏范围比环向破坏范围小，且轴向破坏范围随着炮孔间距加大呈降低趋势.当装药结构为连续装药时，岩体在环向上的破坏范围远远大于在轴向上的破坏范围.

4 结 论

根据模拟结果可知，在软岩中进行爆破开挖，当每循环进尺3 m，周边孔宜采用间隔装药，装药量为33%，孔间距为60 cm，同时孔口用炮泥堵塞，爆破时各炮孔间能较好的破坏贯通，光面爆破效果好.当炮孔间距小于50 cm时，各炮孔间爆破时的加强效应较强，使得塑性圈范围过大，影响光面爆破效果，不宜采用.同时，辅助孔宜采用连续装药，装药量为67%，孔间距为150 cm，并堵塞炮孔，爆破时岩体能破坏贯通.而当炮孔间距小于120 cm时爆破，各孔间的加强效应较明显，不宜采用.