周 杰

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

0 引 言

目前，在隧道工程爆破施工中，光面爆破技術對隧道開挖周邊輪廓線的控制具有比較顯著的效果，并對隧道圍巖產生的損傷和對圍巖的擾動也更小[1-3].在實際施工過程中，因地質差異較大，當圍巖穩(wěn)定性較差時，光面爆破達不到預期的爆破效果.一旦超挖會增加出渣量、混凝土用量，浪費不必要的時間、物力和人力成本，而出現(xiàn)欠挖又需要補炮，再出渣，同樣也會增加時間等成本[4-6].對此，本研究以實際軟巖隧道工程為例，通過對軟巖的光面爆破參數(shù)進行優(yōu)化設計，以期減少軟巖隧道爆破施工時的超、欠挖量，從而保證施工安全和滿足施工進度要求.

1 軟巖的性質

研究表明，軟巖通常是IV級圍巖，其巖體呈較破碎～破碎結構，在地質中一般表現(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.非黏性土呈松散結構，黏性土及黃土呈松軟結構.軟巖具有可塑性、流變性、膨脹性等特點[7-8]，因此，在實際工程中，要求實施爆破后不僅開挖斷面要符合設計要求，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效果和施工安全.

2 分析原理及計算方法

2.1 LS-DUNA程序簡介

動力有限元分析程序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也有隱形求解功能，以結構分析為主同時有熱分析、流體—結構耦合功能，以非線性動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程中對圍巖巖體的破壞作用和應力波傳播過程.

模擬采用ALE算法，該算法用一個獨立的初始構形和現(xiàn)時構形運動的參考構形，將網格固定在介質上，并根據(jù)計算需要在每一段時間間隔重新構造網絡，以避免大變形情況的產生，使數(shù)值計算變得困難[9].

2.2 材料的模型和狀態(tài)方程

在LS-DYNA中采用HIGH-EXPLOSI-VE-BURE材料模型能夠準確地模擬炸藥爆炸過程中的沖擊波傳播及結構的瞬間響應.爆炸時炸藥的控制方程爆轟波陣面[9]滿足以下表達式，

(1)

式中，ρD、uD、cD、pD分別為爆炸時爆轟波陣面上爆轟產物的密度、質點速度、質點聲速和爆轟壓力；D為炸藥爆速；ρe為炸藥密度.

2.2.1 炸藥的運動方程.

炸藥爆炸產生的爆轟產物應滿足：

1)質量方程為，

對于原始人類來說，最大的對象莫過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，給大地帶來光明與黑暗，也帶來夢幻與聯(lián)想；地雖然沒有天那樣神秘，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物、花草均在這大地上，成為人觸手可親的真實的世界。原始人最為崇拜的對象無疑就是天地了。

(2)

2)動量方程為，

(3)

3)能量方程為，

(4)

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

(5)

式中，p為爆破時的爆轟壓力；V為爆破時爆轟產物的相對體積；ω為格林愛森參數(shù)；E0為初始比內能；A、B、R1、R2為特征參數(shù).

對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為爆破時的爆轟壓力；V為空氣的相對體積；E為空氣單位體積內能；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)值模型與計算

3.1 模型建立

根據(jù)實際隧道掘進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個孔炮孔直徑為4 cm，炮孔長為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%；分別進行有限元仿真模型進行分析.單個藥卷直徑為32 mm，長為200 cm，采用不耦合裝藥.巖體模型采用1/2長方體建模，模型的正面定義為自由面，其他面定義為無位移及無反射邊界和一個對稱面.模型如圖1所示.

圖1數(shù)值計算模型示意圖

模型對稱處理后，長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，應考慮到大應變、高應變率和高圍壓下材料的損傷實效的動態(tài)響應，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)見表3.

表3 空氣模型參數(shù)及狀態(tài)方程值

3.2 模擬結果分析

根據(jù)實際工程應用的起爆方法，本模擬采用實際應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程，分析爆破時巖體中的應力場和破壞情況，借此判斷塑性圈范圍.

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

圖3 爆炸應力波演化過程

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

圖4炮孔間距與塑性圈大小關系曲線

由圖4可知，圍巖的環(huán)向破壞范圍在間隔裝藥時隨著炮孔間距的加大而減小，當采用連續(xù)裝藥時，圍巖的爆破破壞范圍比間隔裝藥大，且連續(xù)裝藥時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.當裝藥結構為連續(xù)裝藥時，巖體在環(huán)向上的破壞范圍遠遠大于在軸向上的破壞范圍.

4 結 論

根據(jù)模擬結果可知，在軟巖中進行爆破開挖，當每循環(huán)進尺3 m，周邊孔宜采用間隔裝藥，裝藥量為33%，孔間距為60 cm，同時孔口用炮泥堵塞，爆破時各炮孔間能較好的破壞貫通，光面爆破效果好.當炮孔間距小于50 cm時，各炮孔間爆破時的加強效應較強，使得塑性圈范圍過大，影響光面爆破效果，不宜采用.同時，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，爆破時巖體能破壞貫通.而當炮孔間距小于120 cm時爆破，各孔間的加強效應較明顯，不宜采用.